摘 要： 為解決惡劣環境下溫度監測的布線困難和不易維護的缺點，設計了一種基于ANT協議的遠程無線溫度監測系統。本系統采用數字溫度傳感器DS18B20測量待測點的溫度信息，通過ANT無線網絡實現數據的傳輸，再通過數據匯集節點將數據串口通信發送給監測終端。用戶可以通過監測軟件監控和查詢溫度信息，實現對溫度的遠程監控。
關鍵詞： 溫度采集；ANT；遠程監控；無線傳感器網絡
許多工業生產環境對于溫度的要求非常高，因此對于溫度監測系統的要求也非常高。傳統意義上的溫度監控系統大多采用電纜鋪設或者人工儀器測量，這樣不僅耗費了大量的人力，設備維護方面也存在相當大的困難。因此對于環境條件受限或者監測范圍較大的情況，傳統意義上的溫度監測系統就會顯得無能為力[1]。隨著信息技術的發展，傳統溫度監測系統已不能滿足實際應用的需要，在此背景下，無線傳感網絡(Wireless Sensor Network)應運而生。作為一種新型的信息收集與處理技術，無線傳感網絡是由布置在區域范圍內大量傳感器組成的、通過無線通信形式形成的多跳自組織的網絡系統，可以實時監控網絡區域范圍內監測對象的信息，并將信息打包傳送至客戶端。無線傳感網絡具有檢測范圍廣、精度高等特點，適用于監測環境比較惡劣、人工無法接近的地區，在軍事、家庭智能等方面具有比較廣闊的發展前景[2]。
本文設計了一種基于ANT的遠程無線溫度監測系統。系統采用溫度傳感器采集溫度信息，然后通過微處理器模塊和ANT無線網絡模塊實現數據的無線傳輸，最后通過串口通信將數據傳送給PC機進行處理并顯示，實現對溫度的實時監控。
1 系統總體設計
ANT協議是加拿大Dynastream公司于2005年針對小尺寸、低成本、低功耗的應用而推出的一種短距離的非標準無線射頻協議。ANT采用雙工2.4 GHz ISM頻帶射頻通信，設計用作超低功耗、易使用、高效以及高靈活性的應用，其有效傳輸距離約為10 m~30 m，傳輸速度高達1 Mb/s，支持樹型、點對點和星型及其他網絡拓撲結構，可提供可靠、靈活、自適應及高抗干擾的數據通信[3]。
無線溫度監控系統包括溫度測量節點、數據匯集節點以及用戶監測終端。溫度測量節點實時采集和傳送各個監測點的溫度，與數據匯集節點構成ANT無線星型網絡，由數據匯集節點實現數據的協調與接收，并將接收到的數據發送給用戶監測終端，用戶監測終端對數據進行處理并顯示，以達到監控被測節點的溫度的目的。系統總體結構如圖1所示。
2 硬件設計
溫度測量節點主要由ANT通信模塊、信息采集模塊和微處理器模塊等硬件構成，主要功能在于采集溫度信息，并將溫度信息通過ANT網絡傳輸至數據匯集節點。數據匯集節點由微處理器模塊和ANT通信模塊構成，主要功能在于收集被測節點的溫度信息并且通過串口通信方式將數據傳輸至監測終端。監測終端對數據進行處理并顯示相關信息。硬件結構如圖2和圖3所示。
2.1 數據采集模塊
數據采集模塊主要采用DS18B20數字溫度傳感器，它具有精度高、成本低、操作簡便、抗干擾能力強的特點，非常適用于溫度信息的采集[4]。這種傳感器采用單總線接口方式，僅需要一條線即可實現與微處理器的雙向通信，在采集溫度信息時，不需要外部元件的輔助，可以將溫度信息直接轉化成數字信號傳輸給微處理器。DS18B20的測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃；可編程分辨率為9~12位；精度可達到±0.5 ℃；溫度轉換為12位數字格式，最大值為750 ms；電壓范圍為3.0~5.5 V，可由數據總線供電。
2.2 ANT無線通信模塊
無線通信模塊采用nRF24AP2[5]作為主要芯片。nRF-24AP2是Nordic公司推出的新一代ANT低功耗無線網絡芯片，分為3個系列：nRF24AP2-1CH、nRF24AP2-8CH和nRF24AP2-USB。nRF24AP2-1CH是單通道ANT無線網絡芯片，nRF24AP2-8CH為8通道ANT無線網絡芯片，nRF24AP2-USB為USB接口8通道ANT無線網絡芯片。nRF24AP2具有超低功耗，單電源1.9~3.6 V供電，簡單的異步/同步主機串行接口，提供了SPI接口與微處理器的連接，抗干擾能力強。根據實際應用需要，溫度測量節點的通信模塊以nRF24AP2-1CH作為主要芯片，而數據匯集節點的通信模塊采用nRF24AP2-8CH作為主要芯片，兩種芯片都采用同步主機串行接口方式。nRF24AP2-1CH芯片與nRF24AP2-8CH芯片引腳功能是一致的，只是通道數不一樣，所以它們與微處理器連接方式一致。
2.3 微處理器模塊
微處理器模塊采用單片機ATmega16L，該芯片是高性能、低功耗的8位增強AVR RISC結構微控制器，具有較高的處理速度，內部設有SPI接口和兩個串行通信口，可在3 V電壓下進行低功耗工作，非常適合與選用的ANT模塊配合使用[6]。ANT模塊通過簡單的6線與ATmega16進行連接，其中ATmega16L的SPI接口工作在從機模式，nRF24AP2設為主機工作模式。ATmega16L與ANT模塊的接口電路如圖4所示，外圍再配以電源電路、晶振電路等。晶振電路采用8 MHz晶振，選取3.3 V做為工作電壓。
串口通信 RS232與微處理器之間選用工作電壓為3.3 V的MAX3232電平轉換芯片，以完成雙向電平和邏輯關系的直接轉換。由于該無線網絡具有很強的移動性，故要求其具有穩定的電源供電且必須功耗低。本文選用5 V電池供電，通過LM1117將5 V電壓轉換成3.3 V，從而有效降低了成本，增加了終端節點的可移動性和靈活性。
3 軟件設計
整個系統的軟件設計包括溫度采集、數據匯集及監控終端三個部分。溫度采集軟件運用于溫度測量節點的單片機上，主要任務是采集溫度信息并將其無線發送。數據匯集軟件運行于數據匯集節點單片機上，主要用于接收溫度數據并將數據通過串口發送給監控終端PC機。監控終端軟件主要對接收到的數據進行有效的處理，將數據進行保存、顯示及分析。
3.1 溫度測量節點軟件設計
節點上電之后，首先是硬件初始化，包括單片機初始化、溫度傳感器初始化和ANT初始化。單片機初始化主要是端口初始化和SPI口的設置；ANT初始化主要有設置網絡密鑰、分配通道、設置通道ID、設置通道周期和發射功率等，配置完成后開啟通道。初始化完成后，開始采集溫度值，到達1 s定時就開始重新采集溫度值并將數據發送，完成后MCU進入空閑模式。其流程圖如圖5所示。
3.2 數據匯集節點軟件設計
節點上電之后，首先對單片機和nRF24AP2進行初始化，初始化過程與溫度測量節點的初始化一致。初始化完成后檢測有無收到新溫度值，若無則等待，若有則將新的溫度數據通過串口發送給監測終端。其流程圖如圖6所示。
3.3 監控終端軟件設計
監控終端軟件主要用于數據處理，基于VC++6.0實現，主要任務包括串口通信的收發、數據的存儲和數據的顯示。串口通信采用微軟提供的MSComm控件實現[7]；數據顯示通過監控軟件界面可實時顯示各個監測點的溫度數據和測量時間，并且能夠設定報警溫度閾值，當超過閾值范圍發出報警聲；同時將接收的溫度信息保存到數據庫以便用戶對數據進行查詢和分析。
本文提出的基于ANT技術實現無線溫度監控方法，可以實現無網狀態下采集現場溫度，通過遠程手段監測、記錄歷史溫度并且進行有效分析和合理判斷，可實現對溫度的遠程監控。在長時間需要現場監測或者較為惡劣的環境條件下，這種技術手段可以有效地節省人力資源。另外系統能夠更換不同的傳感器來監測不同的環境參數(如空氣濕度、有毒氣體等)，具有一定的通用性。
參考文獻
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