環境問題已經成為人們關注的焦點,如何有效地進行環境監測已經成為時下熱門課題。目前,無線環境監測系統中的傳感器網絡節點分布在監測區域的各個角落，一般采用電池供電，要保證系統的使用壽命必須實現低功耗的設計[1]。本文結合無線傳感器網絡技術，提出了一種低功耗、低成本的無線環境監測器的設計。
1 總體電路結構及工作原理
1.1 總體電路結構
    無線環境監測器主要由一個監控終端和多個監測節點組成,如圖1所示。通過使用由大量分布式的微型監測節點組成的傳感網絡，用戶可以對感興趣的環境進行不間斷的高精度數據采集與監控。監測節點是其基本單元，監控終端是其核心控制端，其穩定運行是整個系統可靠性的基本保證。

    系統總體電路結構框圖如圖2所示，包括兩個部分：監測節點控制系統和監控終端控制系統[2]。

1.2 工作原理
    監測節點和監控終端[3]。監控終端控制整個系統的運行,通過無線模塊發送控制命令,監測節點收到控制命令并進行處理分析,然后通過溫度傳感器和光照傳感器采集溫度和光照的有無信息，接著通過無線模塊把采集到的有用數據打包發送給監控終端，監控終端收到節點發送來的數據進行分析和處理，然后通過液晶顯示器進行節點溫度和有無光照等內容的顯示。監控終端還可以通過實時時鐘同步環境監測信息，保證采集信息的實時性和有效性，并通過鍵盤設置單個節點的配置信息，如設置報警溫度閾值等。如果檢測到節點的溫度超過設定值，則啟動報警電路工作，并在液晶顯示器上顯示報警信息。
2 系統的硬件設計
2.1 監測節點電路設計與選擇
    監測節點電路原理圖如圖3所示。

2.1.1 處理器模塊
    考慮到產品的性價比、處理器的速度以及供電方式等因素，選擇ATMEL公司的AVR系列單片機ATmega8L[3-4]。ATmega8L是一款采用低功耗 CMOS工藝生產的基于AVR RISC（精簡指令集）結構的8 bit單片機。其大部分指令的執行時間僅為一個時鐘周期，運行速度約1 MIPS/MHz，比普通單片機高出10倍。

    為了便于程序的調試和以后產品的升級，保留監測節點的ISP單片機程序下載接口，如圖3所示。其中LED發光二極管D2有兩個作用:(1)下載指示。(2)當監測節點正常工作時，發光二極管作為工作狀態指示(低亮度閃爍)；當節點溫度過高時，發光二極管保持高亮度閃爍，用單片機自帶的PWM實現LED的亮度可調。

    監測節點的物理地址設置使用8位撥碼開關，其接口電路如圖3所示。由于ATmega8L單片機I/O口內部自帶上拉電阻，故可以省去大量外部上拉電阻。
2.1.2 傳感器模塊
    根據系統要求,需要檢測溫度和光照兩種環境信息。溫度傳感器的種類分為模擬和數字兩大類。如溫度傳感器AD590，采集到的是模擬量，需要使用AD轉換，成本較高。而美信公司的單線數字溫度傳感器DS18B20，不但簡單好用，而且測量溫度范圍寬、精度高。
　　光照有無的檢測很簡單，常用的方法是使用模擬器件，如光敏電阻或者光電三極管。通過三極管實現檢測信號的放大與處理，得到與光照有無相應的高低電平。因為光電三極管內部自帶信號放大電路，故本監測器選擇光電三極管作為光照有無的監測,然后通過單片機自帶的12 bit AD監測光照，不僅簡單、成本低、體積小，而且還可以實現光照強度的簡單檢測。
2.1.3 無線通信模塊
    無線通信模塊種類繁多，最基本的有315/433 MHz射頻模塊、紅外通信、藍牙模塊、GSM模塊、2.4 GHz無線通信模塊等。315/433 MHz的射頻模塊不利于調試，需要手動編解碼實現無線數據通信，且數據很不穩定；紅外通信具有方向性且通信距離有限；藍牙模塊通信距離在10 m左右且通信數據復雜難以編程；GSM模塊雖然通信距離遠但是價格昴貴；2.4 GHz無線通信模塊種類較多且距離遠，通信數據穩定可靠,價格也適中,最常用的是nRF24L01[5]，其功能強大、性價比高，故本監測器選用nRF24L01。
    nRF24L01使用2.4 GHz全球開放ISM 頻段[6]，最高工作速率為2 Mb/s，高效GFSK調制(抗干擾能力強、特別適合工業控制場合)，且設立了126個頻道，可以滿足多點通信和跳頻通信的需要；并內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，可以保證無線數據傳輸的穩定可靠，其功耗低(在1.9 V~3.6 V工作狀態下，待機模式電流為22 ?滋A，掉電模式下僅為900 nA)；而且內置2.4 GHz 天線，體積小巧。另外,NRF24L01模塊可軟件設置地址，只有收到本機地址時才會輸出數據(提供中斷指示),可直接與各種單片機連接使用，軟件編程也非常方便。
2.2 監控終端電路設計與選擇
    監控終端整體電路原理圖如圖4所示。

2.2.1 處理器模塊
    因為監測終端的外部設備接口較多，如果使用ATmega8來控制，I/O端口不夠用。因此，監測終端電路的單片機選用ATmega16[3]，相對于ATmega8L其ROM容量多了一倍(為16 KB)，可以容納更多的程序代碼和數據的存儲，便于液晶顯示的字符庫的存放，且I/O口為4組共計32個，且其JTAG還支持擴展的片內調試功能。
2.2.2 無線通信模塊
    監控終端無線通信模塊與監控節點模塊都選用nRF24L01，唯一不同只是模塊與單片機的接口不一樣。因為監控終端系統供電電壓為5 V，而nRF24L01模塊的最大工作電壓僅為3.6 V,所以數據接口之間使用了電阻降壓，以免單片機電壓過高燒壞無線模塊。降壓電阻的阻值大小由nRF24L01器件手冊計算得出為2 k?贅即可滿足設計要求[6]。
2.2.3 實時時鐘模塊
    為保證檢測到的信息的實時性，要求有實時時鐘模塊，而時鐘芯片是最好的解決方案。時鐘芯片的種類繁多,典型的芯片主要有DS1302、PCF8563和DS12CR887等。其中DS1302是三線SPI接口，時序簡單；PCF8563為兩線I2C接口，時序較復雜；DS12CR887功能強大，但體積大、價格昂貴，且為8 bit總線接口。故本文選用DS1302芯片。
2.2.4 按鍵設置模塊
    按鍵主要用來設置節點的相關配置信息和查詢相關記錄等信息。由于按鍵數目較少，所以使用獨立按鍵接口，分別為向上、向下、取消、確認4個功能按鍵。此按鍵是低電平有效，當有按鍵按下時，與其相連接的單片機引腳檢測到按鍵信號，進行相應的處理后再輸出。
2.2.5 報警模塊
    報警模塊主要負責節點過溫報警等功能。ATmega16單片機的I/O驅動電流很大，足以驅動無源蜂鳴器和有源蜂鳴器，但是驅動音效還不夠大，所以本監測器使用一個PNP型的三極管8550驅動無源蜂鳴器。因有源蜂鳴器雖編程簡單、頻率固定，但不容易改變其音效。而無源蜂鳴器的頻率可以隨意設置，可以達到各種不同的音效。
2.2.6 顯示模塊
    由于監控終端需要顯示的內容較多，所以選擇比較常用的點陣圖形式液晶顯示模塊LCD12864,其與單片機的接口電路如圖4中所示。其中可變電阻R13為精密可調電位器，用來調節液晶顯示的對比度。液晶的背光常亮，在沒有光照的情況下，用戶也能夠正常查看顯示信息等。
2.2.7 串口通信模塊
    串口通信接口電路一般用來與上位機通信，實現數據交換和控制等信息。最常用的串口通信接口芯片為美信公司的MAX232。MAX232不但價格適中，外圍電路也簡單，但如果利用分立元件實現RS232與TTL電平之間的簡單轉換(如圖5中與CON1相連電路)替代MAX232，其電路更加簡單且成本低，經實踐能高速且穩定地與單片機串口通信，所以采用該接口電路可以作為監控終端的擴展電路實現以后系統產品功能的升級。
2.2.8 電源模塊
    監控終端采用5 V/1 A的便攜式開關電源供電。由于無線模塊nRF24L01的低電壓工作特點，所以需要一個DC-DC轉換模塊，本監測器采用AMS1117-3.3穩壓芯片，實現3.3 V電壓輸出供電給nRF24L01。
3 系統的軟件設計
    軟件設計分為兩部分:監控終端的程序設計和監測節點的程序設計，分別如圖5、圖6所示。監控終端的程序使用模塊化設計，包括：nRF24L01驅動模塊、按鍵操作模塊、DS1302驅動模塊以及LCD12864液晶顯示驅動模塊。監測節點的程序設計相對簡單，主要包括：nRF24L01驅動模塊、DS18B20驅動模塊和AD采集三個模塊。整個系統的程序代碼編寫以及編譯均在軟件ICCAVR V6.31A集成開發環境下完成。

　    本文針對當前環境監測中面臨的網絡布線困難、成本高及實時性差等問題,提出了一種低功耗、低成本的無線環境監測器的設計。重點討論了無線環境監測器的硬件電路的設計與器件的選擇。
    本設計中采用無線傳輸芯片簡化了系統，可配置多種傳感器，提高了通用性，具有較好的便攜性和組網的靈活性。選用了低功耗性價比高的器件,整個系統具有實用性強、可靠性高、測量精度高、體積小、低功耗和低成本等特點，體現了無線環境監測系統數字化、智能化、無線化的優點。同時該系統也具備一定的通用性，可廣泛應用于工業、醫療衛生和日常生活等環境監測。
參考文獻
[1] 李忠成.無線環境監測系統設計及關鍵技術分析[J].電信快報,2008,3:3-5.    
[2] 許亮,刁修睦,周輝軍,等.基于MSP430F149的無線環境監測傳感器系統設計[J].國外電子元器件,2006(12):4-7.
[3] 馬潮, 詹衛前, 耿德根. ATmega8原理及應用手冊[M]. 北京:清華大學出版社,2003.
[4] 楊正忠,耿德根.AVR單片機應用開發指南及實例精解[M].北京:中國電力出版社,2008.
[5] 曾勇,楊濤，馮月暉.基于nRF24L01的超低功耗無線傳感器網絡節點設計[J].電子技術應用，2008，7:45-48.