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

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(jì)算能力的微小型節(jié)點(diǎn)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(cuò)性及低功耗、通訊效率高、網(wǎng)絡(luò)生存能力強(qiáng)、可靠性好、成本低廉等特點(diǎn)，能滿足信息獲取的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)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(jià)值，被認(rèn)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了油庫各類傳感器儀表信息的自動(dòng)采集與處理。系統(tǒng)主要包括信息采集節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)絡(luò)、信息匯聚終端、上位機(jī)信息處理中心等幾部分。

本文重點(diǎn)介紹了信息采集節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。信息采集節(jié)點(diǎn)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(jī)制、算法等都需要在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化，負(fù)責(zé)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(diǎn)運(yùn)用通用化、模塊化設(shè)計(jì)思想，采用同一處理器、殼體，配套不同無線模塊的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括殼體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)及配套軟件設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的信息采集節(jié)點(diǎn)具有接口多、應(yīng)用環(huán)境特殊等特點(diǎn)，因此，節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)和殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

信息采集節(jié)點(diǎn)硬件層主要包括4 個(gè)模塊：電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊(包括存儲(chǔ)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(dòng)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(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的“心臟”,在上面運(yùn)行著嵌入式系統(tǒng)軟件，從而對另外3個(gè)模塊的工作進(jìn)行控制;無線通信模塊主要負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

1.1.1 電路原理設(shè)計(jì)

與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集節(jié)點(diǎn)相比，本文設(shè)計(jì)的信息采集節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(kuò)展功能應(yīng)用，如連接顯示屏、打印機(jī)、鍵盤、GPS等。主板設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是解決主板電磁兼容性設(shè)計(jì)和高集成度多接口小尺寸電路主板設(shè)計(jì)難題。信息采集節(jié)點(diǎn)的主板電路原理框圖如圖2所示。

信息采集節(jié)點(diǎn)的微控制單元(MCU)采用TI公司低功耗單片機(jī)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(diǎn)，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(shí)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(jì)。

信息采集節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊根據(jù)具體實(shí)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(dòng)態(tài)移動(dòng)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(diǎn)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(jìn)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(hù)信息采集節(jié)點(diǎn)，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(jì)，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(qiáng)和寬工作穩(wěn)定范圍等特點(diǎn)，特別適用于設(shè)計(jì)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(jì)要求高，為此對每個(gè)集成電路均加裝了去耦合電容。

(3)所有儲(chǔ)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。[!--empirenews.page--]

1.1.3 印制電路板布線

主板采用雙層印制電路板(PCB)。電路板布線遵循器件排列分布相關(guān)規(guī)定，其層壓、走線和預(yù)浸處理等工藝均按IPC-A-610C國際工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。雙層PCB的頂層用于信號路由，空白處和位于芯片下面的空間一樣，采用金屬箔填充，通過若干孔牢靠接地。在印制電路板設(shè)計(jì)過程中要特別注意無線收發(fā)器部分的布線和PCB 天線的設(shè)計(jì)，這也是傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。例如退耦電容器應(yīng)盡可能靠近供電引腳，并且通過單獨(dú)的過孔連接到印制電路板的接地面;芯片的接地引腳距離使用單獨(dú)過孔的封裝引腳越近越好;外部元件越小越好，必須使用表面貼裝器件。印制電路板設(shè)計(jì)完成之后將印制板文件送至印制板制作廠家生產(chǎn)。

1.1.4 電路板生產(chǎn)

(1)印刷版制作

激光照排，激光制版，2層銅基復(fù)合板。

(2)焊接

①在具有ISO 9001:2000 質(zhì)量管理體系的專業(yè)的SMT 的加工廠進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)符合IPC-A-610C 國際工藝標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品均符合IPC二級標(biāo)準(zhǔn);

②在高速自動(dòng)SMT生產(chǎn)線上采用流水線方式批量生產(chǎn);

③焊接方式為回流焊，生產(chǎn)工藝采用無鉛焊接技術(shù)，峰值溫度范圍為230~250 ℃;

④對MCU采用BGA焊接。

(3)噴漆

①對電路板噴涂防銹漆兩遍;②24~48 h陰干后成品。

1.2 殼體設(shè)計(jì)

樣機(jī)殼體設(shè)計(jì)一方面要突出作業(yè)實(shí)用要求，還要考慮作業(yè)場所爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的防爆等級，嚴(yán)格遵循《GB3836.1-2010 爆炸性環(huán)境第1 部分：設(shè)備通用要求》和《GB 3836.2-2000爆炸性環(huán)境第2部分：由隔爆外殼“d”

保護(hù)的設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)硬件電路板、天線大小及組裝需要，使用AUTOCAD 軟件進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，并送專業(yè)生產(chǎn)制造廠加工生產(chǎn)。

殼體顏色采用軍綠色，材質(zhì)為鋁合金(ZL104)，厚9 mm;空腔內(nèi)安裝有電器部件;殼體上下部分采用平面結(jié)構(gòu)配合。

2 軟件設(shè)計(jì)

驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)沒有問題之后，可進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，包括協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用層程序的編寫等工作。信息采集節(jié)點(diǎn)由于外設(shè)較多，為了不過多占用單片機(jī)運(yùn)行時(shí)間，提高數(shù)據(jù)處理效率，降低單片機(jī)功耗，單片機(jī)與外設(shè)交換信息的方式都是通過中斷來完成。單片機(jī)程序用C語言編寫，編譯環(huán)境為IAR 4.21.主程序軟件流程圖如圖4所示。

其他外接模塊主要是通過中斷方式與單片機(jī)交互信息。中斷程序分別包含有無線模塊中斷子程序;流量儀表中斷子程序;壓力儀表中斷子程序;溫度儀表中斷子程序;濕度儀表中斷子程序;液位儀表中斷子程序;油氣濃度儀表中斷子程序。

無線模塊的中斷子程序是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵，下面重點(diǎn)介紹下無線模塊的中斷子程序設(shè)計(jì)。

無線模塊采用Ad-Hoc 或Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是可自組網(wǎng)，多跳路由的傳感器網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)信息采集節(jié)點(diǎn)上的無線節(jié)點(diǎn)都是Slave模式，它們可以同在監(jiān)控室與PC機(jī)相連的Master節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)通信。

此外，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)Slave 節(jié)點(diǎn)都具有路由器的功能，可向鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。利用這些中間節(jié)點(diǎn)的中繼功能，在前端信息采集節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控室直接通訊受阻的情況下，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)由其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次或多次路由傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性可靠性。無線通信模塊軟件流程圖如圖5所示。

3 結(jié)語

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)試制后，在國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成了機(jī)械檢查、沖擊試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、外殼耐壓試驗(yàn)、內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)、外殼防護(hù)性能試驗(yàn)等檢驗(yàn)項(xiàng)目，并取得了防爆合格證。另外，節(jié)點(diǎn)通過了其他相關(guān)性能測試與試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果，滿足油庫現(xiàn)場使用的要求。該節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)油庫所用流量、壓力、溫度、濕度、液位、油氣濃度等現(xiàn)場儀表信息的采集、處理及傳送，節(jié)省了大量人力、物力、財(cái)力、時(shí)間，提高油庫設(shè)施設(shè)備及裝備的信息化水平，提升油庫的業(yè)務(wù)管理能力。