基于防爆型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集節(jié)點的設(shè)計

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，由大量無人值守、具有通信和計算能力的微小型節(jié)點構(gòu)成的自主探測系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可快速部署、可自組網(wǎng)、高容錯性及低功耗、通訊效率高、網(wǎng)絡(luò)生存能力強、可靠性好、成本低廉等特點，能滿足信息獲取的實時性、準確性和全面性等需求，非常適合軍事、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是適應(yīng)于惡劣的環(huán)境及野外條件用，其在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值，被認為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代管理理念的改變，作為儲存、裝卸、輸轉(zhuǎn)和供應(yīng)油料基地的油庫，也引入了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其泵站、輸油管線、油料裝備和油庫設(shè)施設(shè)備均可成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測對象。針對油庫常見的流量、壓力、溫度、濕度、液位、油氣濃度等現(xiàn)場儀表信息采集與處理存在的不便，構(gòu)建了油庫傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了油庫各類傳感器儀表信息的自動采集與處理。系統(tǒng)主要包括信息采集節(jié)點、無線網(wǎng)絡(luò)、信息匯聚終端、上位機信息處理中心等幾部分。

本文重點介紹了信息采集節(jié)點的軟硬件設(shè)計。信息采集節(jié)點是油庫傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的前端設(shè)備，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，是承載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息感知、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)功能的基本單元，所有與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的協(xié)議、機制、算法等都需要在節(jié)點上實現(xiàn)并優(yōu)化，負責采集各類儀表傳感器信號，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳到信息匯聚終端。本文中的信息采集節(jié)點運用通用化、模塊化設(shè)計思想，采用同一處理器、殼體，配套不同無線模塊的方法進行設(shè)計，包括殼體設(shè)計、硬件電路設(shè)計及配套軟件設(shè)計。

1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的信息采集節(jié)點具有接口多、應(yīng)用環(huán)境特殊等特點，因此，節(jié)點在設(shè)計過程中，除滿足應(yīng)用功能要求外，還要滿足環(huán)境適應(yīng)性、性能穩(wěn)定性、電磁兼容性、防爆性等技術(shù)要求。該節(jié)點主要由殼體、電器部件、Ex電纜引入裝置等部件組成。下面從硬件電路設(shè)計和殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面進行介紹。

1.1 硬件電路設(shè)計

信息采集節(jié)點硬件層主要包括4 個模塊：電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊(包括存儲器和微控制器)、無線通信模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊(包括傳感器及其驅(qū)動接口電路)。在各單元模塊中，核心部分為數(shù)據(jù)處理模塊以及無線通信模塊。處理器作為傳感器節(jié)點運轉(zhuǎn)的“心臟”,在上面運行著嵌入式系統(tǒng)軟件，從而對另外3個模塊的工作進行控制;無線通信模塊主要負責與其他節(jié)點通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。信息采集節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

1.1.1 電路原理設(shè)計

與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集節(jié)點相比，本文設(shè)計的信息采集節(jié)點需要采集處理不同類型傳感器信號，包括流量、壓力、溫度、濕度、液位、油氣濃度等儀表數(shù)據(jù)信息，各種儀表信息源輸出大概有以下幾種制式：數(shù)字脈沖信號、1~5 V、4~20 mA、RS 485、HART 等;同時，還預(yù)留485總線，232串口，SPI接口，I2C接口和多路AD/DA接口，方便其他擴展功能應(yīng)用，如連接顯示屏、打印機、鍵盤、GPS等。主板設(shè)計的難點是解決主板電磁兼容性設(shè)計和高集成度多接口小尺寸電路主板設(shè)計難題。信息采集節(jié)點的主板電路原理框圖如圖2所示。

信息采集節(jié)點的微控制單元(MCU)采用TI公司低功耗單片機MSP 系列中的MSP430FG4618 型號，MSP430FG4618 具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點，擁有五種節(jié)能模式，適合于不同應(yīng)用場合。

而且MSP430FG4618 帶有12 位的高速AD 模塊，即MSP430FG4618可以接收數(shù)字量和模擬量，而且可以采用中斷、定時方式測量流量脈沖信號，因此，MSP430FG4618的應(yīng)用可以大大簡化電路設(shè)計。

信息采集節(jié)點的無線通信模塊根據(jù)具體實際應(yīng)用，選用夏瑞(RENEX)公司的CORE1 無線模塊或Chipcon公司的CC2420無線模塊。其中，CORE1無線模塊用于動態(tài)移動裝備的通信，CC2420無線模塊用于固定設(shè)備的通信。

信息采集節(jié)點電能由固定設(shè)備儀表連接電源或裝備上自身車載電源提供。采用軍品級的DC-DC電源直流調(diào)制模塊，在9~18 V的寬電壓輸入范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的12 V直流電，在12 V基礎(chǔ)上采用降壓IC進一步調(diào)制成其他穩(wěn)定電壓輸出為MCU、無線通信模塊等供電。

電源原理電路如圖3所示。

為保護信息采集節(jié)點，防止被燒壞或不能正常工作，本品使用了變壓器型電源隔離電路，抑制或消除了電源輸入可能造成的干擾。

1.1.2 元器件選擇

(1)所有元件盡可能選用表面貼裝元件。表面貼裝元件不僅體積小，可有效降低電路板面積占用面積，便于PCB設(shè)計，更重要的是其引腳小，發(fā)射和接收的電磁能量小，可以顯著提高電磁兼容性能。

(2)所有集成電路盡可能選用CMOS 電路。CMOS電路具有的功耗低、抗干擾能力強和寬工作穩(wěn)定范圍等特點，特別適用于設(shè)計要求，其中小規(guī)模集成電路無需特別要求均可適應(yīng)軍品的環(huán)境適應(yīng)性要求。僅需對大規(guī)模集成電路選用軍品級電路。但CMOS 電路的瞬間功率設(shè)計要求高，為此對每個集成電路均加裝了去耦合電容。

(3)所有儲能元件均盡可能選擇低容量值，并在電壓和電流上加一定的限制。