无线传感器节点的设计与开发外文翻译资料

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无线传感器节点的设计与开发

Dipanjan Bhattacharjee

印度东锡金Rangpo锡金马尼帕尔技术研究所Majitar电子和通信工程

Akash Kumar

锡金马尼帕尔技术学院电子和通信工程

Majitar，Rangpo，东锡金，印度

Sourabh Kumar

印度东锡金Rangpo

电子和通信工程锡金马尼帕尔技术研究所Majitar

Sushabhan Choudhury

印度西隆北东山大学技术学院Mawkynroh，Umshing

摘要 - 介绍了环境监测智能传感器节点的设计和开发。该节点配备有用于感测不同环境参数的多模式传感器，该节点可以感测四种不同的环境参数，光，温度，湿度和三种不同类型的气体。该节点具有半双工无线通信功能，该功能通过使用符合IEEE 802.15.4标准的收发器来实现。这里我们已经部署了各种智能协议来实现智能电源管理和精确感测。该节点具有各种错误检测和纠正能力，这增强了节点的性能。用两种不同类型的方法来证明节点的智能。该节点配备有多种传感器，如气体，温度和湿度，光线。特殊的远程系统使用户能够无线选择具有高度无线硬件灵活性的特定传感器。通过整合各种智能任务和电源管理协议，可以优先考虑功耗和传感效率。所有感测数据均经过可编程接口控制器（PIC）微控制器的内部模数转换器（ADC）数字化和处理，并通过无线方式传输至基站进行数据采集和统计分析。

关键词 - 传感器节点;智能协议; 多模式传感器;气体传感器，智能任务;电源管理协议

介绍

测量环境参数的有效方法之一是使用无线传感器节点。 无线传感器网络（WSN）。 典型的传感器节点由多个传感器组成，这些传感器由中央处理单元处理和控制 传感器可根据可用节点资源执行各种类型的任务，如节点电池电量，节点传感器和有限的板载处理能力。

最近几年在使用无线传感器网络应用环境感知方面已经发表了许多研究成果。 例如[1]描述了使用三种气体传感器开发用于危险气体监测的智能传感器网络。 Sensorscope [2]和CitySense [3]是大型无线环境监测系统的例子。由于参数如功耗，传感效率以及传感器的温度和湿度依赖性等外部参数依赖性，许多节点已经在实验室实验中使用，但不适合实时应用。其他一些平台也是通过考虑能源密集型开发的。 [4]描述了通过在光传感器正上方使用比色化学传感膜涂覆的PMMA窗孔来监测刺激性/毒性气体。 [5]描述智能协议的实现，例如智能传感器触发，智能传感器切换，通过该切换可以增强节点的使用寿命，但是所提出的系统没有考虑射频（RF）功率的灵活性。几年前，Crossbow [6]开始销售用于监测环境参数的MEP-SYS试剂盒。该产品包含两种类型的节点，可用于监测环境温度，相对湿度，辐射和气压。 Crossbow提供制造eKo-kit，与早期产品相比，它的耐用性大大提高。它集成了一个小型太阳能电池板，最重要的是，它可以通过2或3线接口与最多四个传感器（Crossbow或其他品牌）连接。但它不具备充电控制器或电能计量功能。 N-smarts [7]是一款基于GPS的手机或车载全城环境数据采集系统。其传感器模块由二氧化碳，一氧化碳，三轴加速计和温度传感器组成。该方案侧重于数据收集和介绍，但没有考虑像气体传感器和能源管理的特点等问题。在第2节中，我们详细讨论了传感器节点在硬件方面的各种环境监测设计方面。第3节描述了节点的硬件选择的详细方面。在第4节中，我们展示了节点的构造细节。第5节描述了实验细节。第6节讨论智能任务和处理。第7节我们总结了这篇论文。

传感器节点的设计方面

传感器节点有许多重要的设计方面，尤其是当应用程序是环境监控时。 设计传感器节点时应考虑的重要参数是电池电量，板载有限处理能力和节点智能。因此节点的设计应该消耗最小的功率来延长使用寿命并使用最小的硬件，从而使节点更加紧凑并降低成本，并且节点还应配备各种智能协议以执行各种错误检测并纠正。典型的节点配备有多个传感器，电池，处理单元和用于发送和接收各种感测信号和命令的无线通信模块，命令是基站给传感器节点给出的特殊指令。传感器提供不同类型的输出信号，可能是模拟，准数字或数字o / p。在某些化学气体传感器中，向气体传感器的加热器线圈供应高电流至关重要。所以信号调理电路应该足够聪明，以最少的硬件驱动和处理各种信号。传感器节点通常放置在偏远地区，例如，在丘陵地区，森林等地区。这些传感器在可接近性成为主要问题的地区很难维护或校准。为了避免这种情况，我们需要一个智能系统，使传感器能够自动检测其错误，将错误信息传输给基站，并在可能的情况下纠正错误。还应该具有灵活性，通过该灵活性，基站可以通过发送命令信号来控制诸如切换节​​点的开/关的各个方面，并且还可以选择合适的传感器。通过考虑这些参数，我们设计了传感器节点，将在下一节中讨论。

硬件选择

为了设计传感器节点，首先一项重要的工作是硬件选择，应该仔细选择硬件组件，以最少的硬件和成本获得高效率。

1. 处理单元选择

该节点已经开发了最少数量的组件。这是由于低功耗要求，部分原因是需要将节点尺寸和制造成本降至最低。该平台的核心是Microchip提供的PIC18F2550超低功耗微控制器（mu;c）。该架构与八种电源管理模式相结合，经过优化，可在便携式测量应用中延长电池寿命。该器件通过Timer1时钟源或内部振荡器时钟控制器提供“交替运行”模式，代码执行期间的功耗可降低多达90％。它还提供了其他功能，用于强大的操作，如故障安全时钟监视器，可持续监视主时钟源与内部振荡器提供的参考信号。如果发生时钟故障，控制器将切换到内部振荡器模块，从而允许继续低速运行或安全关闭应用程序。它在内部软件控制下写入其自己的程序存储空间。通过使用位于程序存储器顶部的受保护的引导块中的引导加载程序例程，可以创建可在该字段中自行更新的应用程序。该模块包含10位模数转换器（ADC）转换器可编程采集时间，允许选择通道并启动转换，无需等待采样周期，从而减少代码开销。 当微控制器使用内部振荡器模块时，增强型通用异步接收器/发送器（EUSART）可为不使用外部晶振的与外界通信的应用提供稳定的操作。

1. 无线通信

通过使用Chipcon CC2500 RF收发器模块实现无线通信。 该电路结合了非常低的功耗和高效的操作，并支持IEEE 802.15.4。 它工作在2.4 GHz工业 - 科学 - 医疗（ISM）免费无线电频段，有16个频道。 它为数据包处理，数据缓冲，突发传输，清除信道评估，链路质量指示和无线唤醒提供广泛的硬件支持。 无线电模块使用低功率RC振荡器执行自动接收（Rx）轮询，具有460 Hz滤波器带宽和250 kbps数据速率，每4次唤醒一次PLL校准。 我们设计了协议来改变取决于各种条件的轮询周期。 模块的输出发射功率可控制在1db（最高）到-30db（最低）之间。 有五种省电模式可以使功耗最小化。 它具有高性能，易于设计高效产品。

1. 传感器选择

节点由六个传感器组成，它们测量四种不同类型的环境参数 - 温度，湿度，光强度和气体。这些传感器是温度传感器DS 18S20，电阻式湿度传感器，光变频器TSL235R，空气污染物传感器TGS 2600，天然气（甲烷）传感器MQ-4，一氧化碳传感器MQ-7。 TSl235R光频转换器是一种三引脚集成电路，在单个CMOS集成电路上集成了硅光电二极管和电流 - 频率转换器。输出是一个方波（50％占空比），其频率与光电二极管的光强度（辐照度Ee）成正比。数字输出允许直接连接到微控制器或其他逻辑电路。该器件对320 nm至700 nm的紫外至可见光范围进行了温度补偿，并在320 nm至1050 nm的光范围内响应。使用频率测量可获得更高的分辨率和准确度。频率测量提供了平均由光信号中的噪声引起的随机或高频变化（抖动）的附加益处。分辨率主要受限于可用的计数器寄存器和允许的测量时间。频率测量非常适用于缓慢变化或恒定的光照水平以及短时间内读取平均光照水平。在很长一段时间内积分脉冲累积可用于测量曝光量（在给定时间段内区域内存在的光量）。在Ee =430mu;W/ cm2的测试条件下，对于波长lambda;p= 635nm的单色光，不同的光线强度输出频率从200kHz变化到300kHz。引脚3的输出连接到mu;c的定时器，并通过参考mu;c的快速时钟测量周期来计算频率，该频率被校准以确定光的强度。 DS18S20数字温度计提供9位摄氏温度测量，并具有带非易失性用户可编程上下触发点的报警功能。 DS18S20通过1线总线进行通信，根据定义，只需要一条数据线（和地）与mu;c进行通信。每个DS18S20都有一个独特的64位串行代码，允许多个DS18S20在同一个1-Wire总线上工作，因此使用一个mu;c引脚很容易控制分布在大面积上的多个DS18S20。 DS18S20的另一个特点是无需外部电源即可运行。当总线处于高电平时，电源通过数据输入/输出引脚通过1-Wire上拉电阻供电。高总线信号还为内部电容器（CPP）充电，当总线电压低时，该电容器将为器件供电。这种从1-Wire总线获取功率的方法称为“寄生功率”。作为替代，DS18S20也可以通过VDD上的外部电源供电。 TGS2600对低浓度的气体空气污染物（如香烟烟雾中存在的氢气和一氧化碳）具有高度的敏感性。该传感器可以检测几百万分之一（ppm）的氢气。感测元件包括与集成加热器一起形成在感测芯片的氧化铝基板上的金属氧化物半导体层。在存在可检测气体的情况下，传感器的电导率会随着空气中的气体浓度而增加。一个简单的电路可以将电导率的变化转换成对应于气体浓度的输出信号。 MQ-7传感器对一氧化碳有很高的灵敏度。该传感器的检测范围是20 ppm - 2000 ppm的一氧化碳。该传感器的电阻率取决于气体的浓度。其电阻从2k-20k欧姆变化。这种传感器的一个特殊性质是加热器线圈被给予脉动电源。在60秒内，加热器被提供5伏的电源，在接下来的90秒内被提供1.4伏的电源。由于此特性，节点的功耗降低。对应于脉动加热器电压（VH）的输出信号如图1所示。传感器MQ-4对天然气和甲烷（CH4）具有高灵敏度，对酒精和烟雾的敏感度较低。天然气和甲烷的检测浓度为200 ppm - 10000 ppm。传感器电阻从10k到60k欧姆不等。这些传感器（MQ-4和MQ-7）由微Al2O3陶瓷管，二氧化锡（SnO2）敏感层，测量电极和加热器组成，它们固定在由塑料和不锈钢网制成的外壳中。加热器为敏感元件的工作提供必要的工作条件。湿度传感器模块由电阻式湿度传感器组成，其传感器电阻根据相对湿度（RH）而变化。该模块提供模拟输出电压。输出电压分别从1.35伏变到2.75伏，变化范围为25到90％RH。

建设

（图2）显示了一个典型的配备温度，湿度，光线和三种不同类型的气体传感器的无线传感器节点。 详细设计的节点结构（图3）由电源管理单元，处理，信号调节和无线通信组成。

图2：无线传感器节点 图3：节点的内部电路

1. 电源和电源管理

该节点具有双电源，3.7V，2000mAh锂聚合物电池以及可提供250mA电流的太阳能电池板。 太阳能电池板为电池充电，并在存在太阳能源的情况下为节点提供电力，并且节点由电池供电。 电能表集成电路（IC）MCP 3906用于测量来自太阳能电池板的输入电流以及节点消耗的电流。 该硬件功能用于实现节点的智能电源管理协议。 MCP73841充电控制器IC负责管理充电机制。 两个DC-DC转换器用于产生3.5伏和5伏电源，用于驱动节点的各种组件。

1. 处理和信号调节

电阻式传感器输出（TGS2600，MQ-4，MQ-7）通过分压网络和高阻抗放大器转换为模拟电压，该模拟电压经过集中式PIC18F2550mu;c数字化处理。 内部10位ADC将模拟信号转换为数字形式。 气体传感器的加热器电源电压由开关电路控制，有助于触发相应的传感器。 通过测量光传感器TSL235R的输出频率，通过比较周期和参考mu;c的快速时钟来获得光强度。 湿度传感器输出连接到mu;c内部ADC的通道5。 温度传感器DS18S20和mu;c之间的通信通过发送各种信号命令来实现。 该传感器以摄氏度为单位提供9位输出。

图4：内部架构

1. 无线通信

无线收发器CC2500模块连接到mu;c的D端口，SPI协议已用于通信。 开发了一种特殊的协议来根据环境条件调整发射功率电平。

实验

我们已经完成了各种基于实验室的开放环境实验来验证所提出的硬件设计。 节点部署在距融合中心100米处（图10）。基站由一台个人计算机和一台无线采集单元组成，所有数据都存储在计算机内存中进行离线统计分析。 实验分阶段进行。在第一阶段，我们在洁净空气中进行传感器预加热和电路加热72小时。 这是传感器第一次使用时应该执行的重要步骤。 在第二阶段，我们已经校准了传感器响应。 （图5）显示节点温度传感器响应与参考温度计输出之间的比较曲线。

图5：温度测量曲线

图7：功耗图表

实验已经进行了1350分钟的时间。 图7显示了传感器节点各个组件消耗的电流。 我们使用氢气作为样气，因为所

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