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      熱網監控體系網絡設計

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      熱網監控體系網絡設計

      本文作者:李琦1張坤1李旭東2作者單位:1.內蒙古科技大學信息工程學院2.天津航天機電設備研究所

      無線傳感器網絡由一個監控中心和若干個匯聚節點、傳感器節點組成。傳感器節點安裝在需要采集數據的小區建筑物屋頂,匯聚節點安裝在熱力站,它們共同組成傳感局域網,每個傳感局域網內部都由一個匯聚節點和多個傳感器節點組成,傳感器節點開機后自動組成以匯聚節點為根節點的樹狀分級網絡。傳感器節點采集的小區客戶端工況數據通過無線方式匯聚到數據中轉器匯聚節點,熱力站傳感器采集熱力站內現場工況數據由現場總線匯聚到數據中轉器匯聚節點,匯聚節點借助GPRS網絡將兩種網絡數據最終發送至Internet網絡,監控中心服務器通過訪問Internet獲得數據。監控中心服務器通過防火墻接入Internet,借助GPRS網絡與數個傳感局域網相連。監控中心以遠程采集到的各熱力站用戶端溫度及壓力等數據為基礎進行熱網的工況調度,使整個熱網熱負荷趨于平衡。此協議棧采用8位短地址,理論上最大網絡規模為256n個節點(n為傳感局域網的個數)。上述遠程熱網監控系統涉及現場總線通信技術、GPRS技術和因特網技術,筆者將詳細討論熱網監控中的無線傳感器網絡結構與其硬件支持。

      1無線通信模塊選型

      1.1nRF905無線通信模塊①

      由于城市小區客戶端具有分布范圍廣,遮擋密集,客戶端逐年增加的特點,十分適合無線傳感器網絡的應用。2.4GHz頻段雖然具有帶寬的優勢,但其通信距離和繞射能力達不到應用的要求,而實驗證明433MHzISM免費頻段具有良好的繞射性,采用普通的天線類型和高度就可以達到本應用需要的傳輸距離,而且不需要很大的發射功率。無線通信模塊nRF905可以工作于433MHz、868MHz和915MHz3個頻段,它不兼容IEEE802.51.4標準。具有GFSK抗干擾調制方式,500m開闊傳輸距離和50kb/s的傳輸速率。同時,可設軟件和硬件地址、內置硬件CRC校驗,并具有4種工作模式:兩種活動模式(RX/TX)和兩種節電模式[1,2],這些特點大大方便了用戶的使用。

      1.2EM310GSM模塊

      華為公司生產的GSM模塊EM310支持M900MHz/DCS1800MHz雙頻,內置TCP/IP協議棧。與西門子MC55模塊功能相近、管腳兼容。相對MC55,EM310擁有-30~75℃的極限工作溫度、軟件休眠及高性價比等優勢。EM310支持標準AT命令、華為自有的功能強大的AT命令和華為專有的數據透傳AT命令,筆者用于設計實現匯聚節點的GPRSDTU部分。華為EM310模塊采用TERM_ON單腳控制模塊開關機,在EM310模塊正常供電的情況下,TERM_ON信號為低電平,維持50ms左右,3s后EM310模塊正常開機工作,相反的電平維持50ms為關機,這不同于MC55的雙引腳開關機。此外,華為EM310的RESET引腳非常靈敏,在PCB布板的時候走線要限制在2cm之內。值得注意的是VDD-I/O引腳的使用,它是EM310模塊內部串口輸入輸出信號電平轉換電路的供電電壓,應該與DTE接口電平保持一致,并且要與TXD上所接電阻匹配,圖1所示為EM310串口原理示意圖,調好EM310的串口對完成GPRSDTU的數據透傳功能非常重要。EM310應用除串口以外就是SIM卡的外圍電路,圖2所示為本設計的SIM卡接口。這里需要增加SIM-VCC與GND之間的預留電阻焊盤位置,并與0.1μF的電容并聯,用來防止偶爾有SIM質量或者工藝的原因造成的SIM卡不識別,此電阻可以解決此類問題。此外,SIM卡口速率典型值在3.25MHz左右,因此要求SIM卡座應放置在距離模塊接口較近的位置,走線一般不要超過10cm,過長的走線,使波形嚴重變形,會影響信號的通信。另外IM-CLK和SIM-IO信號走線需要地線包絡。

      2匯聚節點硬件設計

      2.1微處理器的接口設計

      匯聚節點以ST公司基于Cortex-M3內核的STM32RBT6單片機為主控制器。圖3所示的硬件設計電路中匯聚節點采用8~40V直流電源供電,設計了USB、RS-232、RS-485、E2PROM及JTAG等接口電路。E2PROM用于存儲參數配置信息等需要掉電存儲的數據。控制器的串口1與GSM模塊EM310相連,與其進行數據通信與交互;串口2可以與PC機相連,用于顯示EM310模塊參數配置菜單和用戶對EM310模塊的參數配置,同時也方便了協議棧組網調試工作。USB接口的設置是另外一種更加簡便的協議棧組網調試接口。RS-485總線作為熱力站現場總線的有線數據接入接口,顯然采用這種數據匯聚的方式的網絡覆蓋面積遠遠比不上采用GPRS網絡數據匯聚方式。人機界面選用256×64像素的LCD,用于顯示配置信息和數據信息。

      2.2匯聚節點電源模塊

      由圖4可知,匯聚節點電源模塊供電范圍為8~40V;輸出電壓為4.2~3.2V,分別采用電源轉換芯片LM2576ADJ和LM1117。其中為EM310模塊提供4.2V供電電壓,為主控芯片STM32、無線通信模塊nRF905、TTL電平以及RS-232電平轉換芯片MAX3232、E2PROM(AT24C04)和MAX485芯片提供3.2V供電電壓。

      2.3GPRS數據透傳單元(GPRSDTU)

      GPRSDTU模塊硬件包括個5部分:CPU控制部分;無線通信模塊部分;電源部分;存儲器件部分和SIM卡;天線部分。CPU芯片選擇的是48腳的STM32F103CBT6。主控芯片與EM310無線通信模塊的控制主要包括:開機引腳TERM_ON、復位引腳RST和EM310需要外接電源指示燈來指示供電狀態;EM310模塊工作狀態指示燈來指示EM310模塊的工作狀態。初次使用EM310模塊時,為了便于單獨對EM310串口通信進行調試,外接EM310模塊與STM32主控芯片串口是非常好的選擇。EM310模塊開機成功,此串口顯示:“AT-CommandInterpreterready”或者“插入SIM卡”,撥打號碼可聽到呼叫等待音,證明EM310工作正常。EM310模塊外圍電路結構如圖5所示。

      3普通傳感器節點硬件設計

      3.1微處理器的接口設計與元器件選擇

      傳感器節點有6路模擬量采集通道,其中4路電流信號輸入,兩路電壓信號輸入。傳感器節點的元器件選擇需要依照成本低、體積小和功耗低的原則,電源管理芯片選擇高效率開關電壓調節器LM2596,其轉換效率高達73%。

      3.2太陽能供電模塊與安裝

      一天的24h內有日照的時間傳感器節點有太陽能板的持續充電,所以鋰電池的容量選擇需要滿足無日照時間獨立供電的需求。筆者設計的無線自組織網絡為了節省能量傳感器節點,采用定時采集發送數據、空閑時間休眠的工作方法。匯聚節點為市電供電并不需要這么做,它可以長時間處于工作的狀態,在整個網絡中起到協調作用。根據表1傳感器節點的工作特點和主要元器件的功耗粗略地計算沒有日照的耗電量:在這里假設沒有日照的時間為12h,并設定5min發送一次數據,估算每次網絡數據傳輸時間為1min,單個節點需要消耗的能量為:144(0.5+30)×1/60+(0.016+0.0025)×(12-2.4)=73.5mA/h,這里并沒有考慮傳感器的耗電和電路板上其他元器件的耗電。供電模塊采用3A•h的3.7V雙節AA鋰電池串聯供電,足夠保證日照不充足和計算外的耗電的情況下傳感器節點正常工作。選用9V,120mA太陽能板8.4V充電,太陽能板大小為120mm×120mm。供電芯片選用雙節鋰電池充電芯片BQ2057的W系列。BQ2057的充電分為3個階段:預充狀態、恒流充電和恒壓充電。充電電路如圖6所示[3]。為了更好地將太陽能轉化為電能,太陽能板安放角度很重要,但傳感器節點并不能做到自動調節方位角和傾角。方位角固定選擇正南,傾角綜合緯度和角度選擇40°。

      4結束語

      筆者提出一種異構網絡融合和多種通信方式共存的遠程熱網監控的理論,并詳細敘述了小區熱網客戶端無線傳感器網絡的硬件設計部分。硬件支持嵌入式操作系統μC/OS-II的移植,基于433MHz通信頻段使節點在城市和山地的環境下仍然具有良好的通信距離,初步測試無線傳感器網絡硬件的設計可以滿足應用的需求,并與其他熱網遠程監控系統的網絡部分正常通信。

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