環(huán)境問題已經(jīng)成為人們關注的焦點,如何有效地進行環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)成為時下熱門課題。目前,無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分布在監(jiān)測區(qū)域的各個角落，一般采用電池供電，要保證系統(tǒng)的使用壽命必須實現(xiàn)低功耗的設計[1]。本文結合無線傳感器網(wǎng)絡技術，提出了一種低功耗、低成本的無線環(huán)境監(jiān)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(huán)境監(jiān)測器主要由一個監(jiān)控終端和多個監(jiān)測節(jié)點組成,如圖1所示。通過使用由大量分布式的微型監(jiān)測節(jié)點組成的傳感網(wǎng)絡，用戶可以對感興趣的環(huán)境進行不間斷的高精度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。監(jiān)測節(jié)點是其基本單元，監(jiān)控終端是其核心控制端，其穩(wěn)定運行是整個系統(tǒng)可靠性的基本保證。

    系統(tǒng)總體電路結構框圖如圖2所示，包括兩個部分：監(jiān)測節(jié)點控制系統(tǒng)和監(jiān)控終端控制系統(tǒng)[2]。

1.2 工作原理
    監(jiān)測節(jié)點和監(jiān)控終端[3]。監(jiān)控終端控制整個系統(tǒng)的運行,通過無線模塊發(fā)送控制命令,監(jiān)測節(jié)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(shù)據(jù)打包發(fā)送給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端收到節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行分析和處理，然后通過液晶顯示器進行節(jié)點溫度和有無光照等內(nèi)容的顯示。監(jiān)控終端還可以通過實時時鐘同步環(huán)境監(jiān)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(jié)點的配置信息，如設置報警溫度閾值等。如果檢測到節(jié)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(tǒng)的硬件設計
2.1 監(jiān)測節(jié)點電路設計與選擇
    監(jiān)測節(jié)點電路原理圖如圖3所示。

2.1.1 處理器模塊
    考慮到產(chǎn)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(chǎn)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(zhí)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(diào)試和以后產(chǎn)品的升級，保留監(jiān)測節(jié)點的ISP單片機程序下載接口，如圖3所示。其中LED發(fā)光二極管D2有兩個作用:(1)下載指示。(2)當監(jiān)測節(jié)點正常工作時，發(fā)光二極管作為工作狀態(tài)指示(低亮度閃爍)；當節(jié)點溫度過高時，發(fā)光二極管保持高亮度閃爍，用單片機自帶的PWM實現(xiàn)LED的亮度可調(diào)。

    監(jiān)測節(jié)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(nèi)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(jù)系統(tǒng)要求,需要檢測溫度和光照兩種環(huán)境信息。溫度傳感器的種類分為模擬和數(shù)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(zhuǎn)換，成本較高。而美信公司的單線數(shù)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(xiàn)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(nèi)部自帶信號放大電路，故本監(jiān)測器選擇光電三極管作為光照有無的監(jiān)測,然后通過單片機自帶的12 bit AD監(jiān)測光照，不僅簡單、成本低、體積小，而且還可以實現(xiàn)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(diào)試，需要手動編解碼實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，且數(shù)據(jù)很不穩(wěn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)穩(wěn)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(jiān)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(diào)制(抗干擾能力強、特別適合工業(yè)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(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，可以保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，其功耗低(在1.9 V~3.6 V工作狀態(tài)下，待機模式電流為22 ?滋A，掉電模式下僅為900 nA)；而且內(nèi)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(shù)據(jù)(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(jiān)控終端電路設計與選擇
    監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)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(nèi)調(diào)試功能。
2.2.2 無線通信模塊
    監(jiān)控終端無線通信模塊與監(jiān)控節(jié)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(jiān)控終端系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jié)點的相關配置信息和查詢相關記錄等信息。由于按鍵數(shù)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(jié)點過溫報警等功能。ATmega16單片機的I/O驅(qū)動電流很大，足以驅(qū)動無源蜂鳴器和有源蜂鳴器，但是驅(qū)動音效還不夠大，所以本監(jiān)測器使用一個PNP型的三極管8550驅(qū)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(jiān)控終端需要顯示的內(nèi)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(diào)電位器，用來調(diào)節(jié)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)RS232與TTL電平之間的簡單轉(zhuǎn)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(jīng)實踐能高速且穩(wěn)定地與單片機串口通信，所以采用該接口電路可以作為監(jiān)控終端的擴展電路實現(xiàn)以后系統(tǒng)產(chǎn)品功能的升級。
2.2.8 電源模塊
    監(jiān)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(zhuǎn)換模塊，本監(jiān)測器采用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，實現(xiàn)3.3 V電壓輸出供電給nRF24L01。
3 系統(tǒng)的軟件設計
    軟件設計分為兩部分:監(jiān)控終端的程序設計和監(jiān)測節(jié)點的程序設計，分別如圖5、圖6所示。監(jiān)控終端的程序使用模塊化設計，包括：nRF24L01驅(qū)動模塊、按鍵操作模塊、DS1302驅(qū)動模塊以及LCD12864液晶顯示驅(qū)動模塊。監(jiān)測節(jié)點的程序設計相對簡單，主要包括：nRF24L01驅(qū)動模塊、DS18B20驅(qū)動模塊和AD采集三個模塊。整個系統(tǒng)的程序代碼編寫以及編譯均在軟件ICCAVR V6.31A集成開發(fā)環(huán)境下完成。

　    本文針對當前環(huán)境監(jiān)測中面臨的網(wǎng)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(huán)境監(jiān)測器的設計。重點討論了無線環(huán)境監(jiān)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(tǒng)，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(wǎng)的靈活性。選用了低功耗性價比高的器件,整個系統(tǒng)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(xiàn)了無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點。同時該系統(tǒng)也具備一定的通用性，可廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和日常生活等環(huán)境監(jiān)測。
參考文獻
[1] 李忠成.無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設計[J].國外電子元器件,2006(12):4-7.
[3] 馬潮, 詹衛(wèi)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(fā)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(wǎng)絡節(jié)點設計[J].電子技術應用，2008，7:45-48.