热网监控体系网络设计

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本文作者：李琦1张坤1李旭东2作者单位：1.内蒙古科技大学信息工程学院2.天津航天机电设备研究所

无线传感器网络由一个监控中心和若干个汇聚节点、传感器节点组成。传感器节点安装在需要采集数据的小区建筑物屋顶，汇聚节点安装在热力站，它们共同组成传感局域网，每个传感局域网内部都由一个汇聚节点和多个传感器节点组成，传感器节点开机后自动组成以汇聚节点为根节点的树状分级网络。传感器节点采集的小区客户端工况数据通过无线方式汇聚到数据中转器汇聚节点，热力站传感器采集热力站内现场工况数据由现场总线汇聚到数据中转器汇聚节点，汇聚节点借助GPRS网络将两种网络数据最终发送至Internet网络，监控中心服务器通过访问Internet获得数据。监控中心服务器通过防火墙接入Internet，借助GPRS网络与数个传感局域网相连。监控中心以远程采集到的各热力站用户端温度及压力等数据为基础进行热网的工况调度，使整个热网热负荷趋于平衡。此协议栈采用8位短地址，理论上最大网络规模为256n个节点(n为传感局域网的个数)。上述远程热网监控系统涉及现场总线通信技术、GPRS技术和因特网技术，笔者将详细讨论热网监控中的无线传感器网络结构与其硬件支持。

1无线通信模块选型

1．1nRF905无线通信模块①

由于城市小区客户端具有分布范围广，遮挡密集，客户端逐年增加的特点，十分适合无线传感器网络的应用。2．4GHz频段虽然具有带宽的优势，但其通信距离和绕射能力达不到应用的要求，而实验证明433MHzISM免费频段具有良好的绕射性，采用普通的天线类型和高度就可以达到本应用需要的传输距离，而且不需要很大的发射功率。无线通信模块nRF905可以工作于433MHz、868MHz和915MHz3个频段，它不兼容IEEE802．51．4标准。具有GFSK抗干扰调制方式，500m开阔传输距离和50kb/s的传输速率。同时，可设软件和硬件地址、内置硬件CRC校验，并具有4种工作模式:两种活动模式(RX/TX)和两种节电模式［1，2］，这些特点大大方便了用户的使用。

1．2EM310GSM模块

华为公司生产的GSM模块EM310支持M900MHz/DCS1800MHz双频，内置TCP/IP协议栈。与西门子MC55模块功能相近、管脚兼容。相对MC55，EM310拥有－30～75℃的极限工作温度、软件休眠及高性价比等优势。EM310支持标准AT命令、华为自有的功能强大的AT命令和华为专有的数据透传AT命令，笔者用于设计实现汇聚节点的GPRSDTU部分。华为EM310模块采用TERM_ON单脚控制模块开关机，在EM310模块正常供电的情况下，TERM_ON信号为低电平，维持50ms左右，3s后EM310模块正常开机工作，相反的电平维持50ms为关机，这不同于MC55的双引脚开关机。此外，华为EM310的RESET引脚非常灵敏，在PCB布板的时候走线要限制在2cm之内。值得注意的是VDD-I/O引脚的使用，它是EM310模块内部串口输入输出信号电平转换电路的供电电压，应该与DTE接口电平保持一致，并且要与TXD上所接电阻匹配，图1所示为EM310串口原理示意图，调好EM310的串口对完成GPRSDTU的数据透传功能非常重要。EM310应用除串口以外就是SIM卡的外围电路，图2所示为本设计的SIM卡接口。这里需要增加SIM-VCC与GND之间的预留电阻焊盘位置，并与0．1μF的电容并联，用来防止偶尔有SIM质量或者工艺的原因造成的SIM卡不识别，此电阻可以解决此类问题。此外，SIM卡口速率典型值在3．25MHz左右，因此要求SIM卡座应放置在距离模块接口较近的位置，走线一般不要超过10cm，过长的走线，使波形严重变形，会影响信号的通信。另外IM-CLK和SIM-IO信号走线需要地线包络。

2汇聚节点硬件设计

2．1微处理器的接口设计

汇聚节点以ST公司基于Cortex-M3内核的STM32RBT6单片机为主控制器。图3所示的硬件设计电路中汇聚节点采用8～40V直流电源供电，设计了USB、RS-232、RS-485、E2PROM及JTAG等接口电路。E2PROM用于存储参数配置信息等需要掉电存储的数据。控制器的串口1与GSM模块EM310相连，与其进行数据通信与交互;串口2可以与PC机相连，用于显示EM310模块参数配置菜单和用户对EM310模块的参数配置，同时也方便了协议栈组网调试工作。USB接口的设置是另外一种更加简便的协议栈组网调试接口。RS-485总线作为热力站现场总线的有线数据接入接口，显然采用这种数据汇聚的方式的网络覆盖面积远远比不上采用GPRS网络数据汇聚方式。人机界面选用256×64像素的LCD，用于显示配置信息和数据信息。

2．2汇聚节点电源模块

由图4可知，汇聚节点电源模块供电范围为8～40V;输出电压为4．2～3．2V，分别采用电源转换芯片LM2576ADJ和LM1117。其中为EM310模块提供4．2V供电电压，为主控芯片STM32、无线通信模块nRF905、TTL电平以及RS-232电平转换芯片MAX3232、E2PROM(AT24C04)和MAX485芯片提供3．2V供电电压。

2．3GPRS数据透传单元(GPRSDTU)

GPRSDTU模块硬件包括个5部分:CPU控制部分;无线通信模块部分;电源部分;存储器件部分和SIM卡;天线部分。CPU芯片选择的是48脚的STM32F103CBT6。主控芯片与EM310无线通信模块的控制主要包括:开机引脚TERM_ON、复位引脚RST和EM310需要外接电源指示灯来指示供电状态;EM310模块工作状态指示灯来指示EM310模块的工作状态。初次使用EM310模块时，为了便于单独对EM310串口通信进行调试，外接EM310模块与STM32主控芯片串口是非常好的选择。EM310模块开机成功，此串口显示:“AT-CommandInterpreterready”或者“插入SIM卡”，拨打号码可听到呼叫等待音，证明EM310工作正常。EM310模块外围电路结构如图5所示。

3普通传感器节点硬件设计

3．1微处理器的接口设计与元器件选择

传感器节点有6路模拟量采集通道，其中4路电流信号输入，两路电压信号输入。传感器节点的元器件选择需要依照成本低、体积小和功耗低的原则，电源管理芯片选择高效率开关电压调节器LM2596，其转换效率高达73%。

3．2太阳能供电模块与安装

一天的24h内有日照的时间传感器节点有太阳能板的持续充电，所以锂电池的容量选择需要满足无日照时间独立供电的需求。笔者设计的无线自组织网络为了节省能量传感器节点，采用定时采集发送数据、空闲时间休眠的工作方法。汇聚节点为市电供电并不需要这么做，它可以长时间处于工作的状态，在整个网络中起到协调作用。根据表1传感器节点的工作特点和主要元器件的功耗粗略地计算没有日照的耗电量:在这里假设没有日照的时间为12h，并设定5min发送一次数据，估算每次网络数据传输时间为1min，单个节点需要消耗的能量为:144(0．5+30)×1/60+(0．016+0．0025)×(12－2．4)=73．5mA/h，这里并没有考虑传感器的耗电和电路板上其他元器件的耗电。供电模块采用3A•h的3．7V双节AA锂电池串联供电，足够保证日照不充足和计算外的耗电的情况下传感器节点正常工作。选用9V，120mA太阳能板8．4V充电，太阳能板大小为120mm×120mm。供电芯片选用双节锂电池充电芯片BQ2057的W系列。BQ2057的充电分为3个阶段:预充状态、恒流充电和恒压充电。充电电路如图6所示［3］。为了更好地将太阳能转化为电能，太阳能板安放角度很重要，但传感器节点并不能做到自动调节方位角和倾角。方位角固定选择正南，倾角综合纬度和角度选择40°。

4结束语

笔者提出一种异构网络融合和多种通信方式共存的远程热网监控的理论，并详细叙述了小区热网客户端无线传感器网络的硬件设计部分。硬件支持嵌入式操作系统μC/OS-II的移植，基于433MHz通信频段使节点在城市和山地的环境下仍然具有良好的通信距离，初步测试无线传感器网络硬件的设计可以满足应用的需求，并与其他热网远程监控系统的网络部分正常通信。