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1、Design and Implementation of Carbon Dioxide Sensor Node Based on WSN杨鹏史旺旺刘松（扬州大学能源与动力工程学院，江苏 扬州225009）摘 要研究了 ZigBee 技术及 JN5139CPU 混合信号控制器，从无线传感器网络的基本单元出发，采用红外 CO2 传感器采集 数据，设计了基于 JN5139CPU 模块的具有全功能设备（FFD）的灵活多变、性能优越的二氧化碳传感器节点。 为无线传感 器网络的深入研究提供了一个良好的硬件平台。 系统具有较高的精度，实用性强，成本低，功耗小，应用前景良好。关键词：无线传感器网络，ZigBe
2、e，JN5139AbstractIn this paper,the carbon dioxide sensor node based on ZigBee technology is designedThe structure and composition of node system,the design of software and hardware are introducedBecause the data is collected by carbon dioxide sen- sor and the system is controlled by the hybrid contro
3、ller JN5139,this node owned full functional device (FFD) is flexible and has excellent propertiesAt last,the results of the experiment are givenKeywords:wireless sensor networks,ZigBee,JN5139本文研究了 ZigBee 技术及 JN5139CPU 混合信号控制器，从无线传感器网络的基本单位出发，采用红外 CO2 传感器采集 数据， 设计了基于 JN5139CPU 模块的具有全功能设备 （FFD） 的灵活多变、
4、性能优越的二氧化碳传感器节点，为组建高性能的 无线传感器网络做了基础性的工作， 设计的创新之处在于系统 配置灵活，节点定位和节约能耗，无需很大改动便可以应用于各 种网络拓扑结构中。1 二氧化碳传感器节点的结构传感器节点基本结构如图 1 所示1，主要包括传感器、信号 调理电路、AD 转换器、微处理器、射频通信模块和电源模块等。 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换； 处理器模 块负责控制整个传感器节点的操作， 存储和处理本身采集的数 据以及其他节点发来的数据； 无线通信模块负责与其他传感器 节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模 块为传感器节点提供所需的能量。3）当传感
5、器节点检测到数据超过阈值或者自身能量较低时，发送报警消息；4）能按照时间自动存贮二氧化碳数据， 同时可以查询某一 时间的二氧化碳数据；5）微型化、低功耗、低成本，具有高可靠性、稳定性和安全性。3 传感器节点的硬件设计传感器节点是由全功能设备（FFD）构成，其结构框图如图 1所示3。31 微处理器模块作为 ZigBee 网络中的节点，低功耗设计是尤为重要的。 经 过详细的器件功耗比较之后，系统中选取了 JN5139CPU 混合信 号控制器作为处理器模块的核心。 JN5139 是集成了 uFL 天线的 高 功 率 模 块 ， 可 以在最短的时间内在最低的成本下实现 IEEE802154 或 Zig
6、Bee 兼容系统。 该表贴模块利用 Jennic 的 JN5139 无线微控制器来提供完 整 的 射 频 和 RF 器 件 的 解 决 方 案。 模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件。 模块特性： 集成 uFL 天线插槽； 兼容 24GHz、IEEE802154 和 ZigBee 协议；2736V 操作电压；睡眠电流（包括睡眠定时器处 于活动状态）28A； 接收灵敏度100dBm。 MCU 特性：16MHz32bit RISC CPU；96kBRAM，192kB ROM；4 个 输 入 端 口 ，12位 ADC， 两个 11 位 DAC，2 个比较器，2 个应用级定时器 计数 器
7、，2 个串口（一个用于系统在线调试），一个 SPI 接口，支持 5 个 片选的。 能够组建健壮的，安全的，低功耗无线网络应用。32 传感器及调理电路模块图 1 二氧化碳传感器节点的基本结构2 传感器节点的功能2一般的 ZigBee 网络由三种节点所组成：协调器，路由器和 终端设备。 协调器是网络的中心节点，负责网络的组织和维护。 路 由器负责网络内数据帧的路由，而终端设备则是实现具体功能的 单元。 本节点设计为全功能节点（FFD）设备，起到路由的作用，同 时负责本地二氧化碳等参数的数据采集，可实现如下功能：1）传感器节点能定时向监测分中心发送二氧化碳测量数据；2）传感器节点能响应监测分中心的要
8、求 ， 实时采集二氧化 碳数据；二氧化碳的测量采用红外吸收型 CO 传感器，它具有测量2范 围 宽 、 灵 敏 度 高 、 响 应 时 间 短 、 选 择 性 好 、 抗干扰能力强等特 点。 其工作原理是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差 异的原理制成的。 因此通过检测气对光的波和强度的影响，便可以确定气体的浓度。 红外原理的 CO 传感器选择 MSHCO ，测22量范围：05；输出信号：交流电压。 其检测电路的设计的原理框图如图 2 所示。 检测电路包括红外 CO 传感器、滤波电路、放2大电路、稳流电路等组成。 从传感器出来的信号是极其微弱的，工业控制计算机2012 年第 25 卷第 5
9、 期9必须对其进行放大和滤波， 在获得较强的信号的同时保证尽可能地消除噪声，达到较高的信噪比，为后续的信号处理提供真实 有效的数据。无线传输三个操作。 处理的能耗主要是由于微处理器执行指令的能耗，处理器处于激活状态和睡眠状态时能耗有很大差别；传 感器能耗主要包括变换器、前端处理、等操作， 其能耗根据传感 器的种类不同而有所不同；无线通信是节点的主要能耗，无线模 块可能处于四种状态：发送、接收、空闲及睡眠，这四种状态下的 能耗是不一样的， 研究表明空闲状态的能耗同传输和接收状态 的能耗几乎相等，因此为了节省能源延长节点生存时间，尽量增 加节点的睡眠时间是突破口， 由此也可延长整个网络的生存时 间
10、。 节点系统采用以下措施进行了能源节约： 一是采用低功耗 JN5139CPU 混合信号控制器作为处理器模块的核心 ，JN5139 是集成了 uFl 天线的高功率模块。 二是在软件设计上，通过动态 电源管理技术使节点各个部分都运行在节能模式。 三是在无线 收发电路处于空闲状态时，尽可能将其关闭，即置于睡眠状态。6 测试结果为了验证方案的正确性，选择几种不同浓度的 CO2 标准样图 2 检测电路原理框图按照上述设计原理，设计的 CO2 检测电路如图 3 所示。本气体对节点进行测试 ，测试环境为 25和 602 种温度环境，标准大气压下测试结果如表 1 和表 2 所示。表 1 传感器节点在 25下测
11、试结果图 3 CO2 检测电路图R1、R2、R3、R4、C1、C2 和 AD622 组成电路，在电路中引入 了正负反馈，当信号频率趋于零时，正反馈很弱； 当频率趋于无 穷大时，C2 的电抗趋于零， 这样保证了当信号频率在零和无穷 大之间的任何一个值，滤波电路都可以正常提取相应的电信号。 R6 和 C4 串联构成校正网络用来对电路进行相位补偿。4 传感器节点的软件设计41 软件系统的总体设计软件系统的主要功能包括传感器数据采集与处理、 无线收 发和节点定位等，采用模块化设计。 传感器数据采集与处理模块 主要设置二氧化碳信号的采集参数并控制采集； 无线收发模块 通过设置寄存器控制对命令或数据的接收
12、和发送； 节点定位模 块对节点进行实时定位。 传感器节点设计为全功能设备（FFD）， 同时具有路由功能，其程序流程图如图 2 所示。 在任务队列中加 入主任务进行数据采集，报警检测和自身能量检测并调用 Zig- Bee 发送任务； 产生 JN5139 引脚中断 时 ，CPU 转 去 执 行 ZigBee 接 收 中 断服务程序，如果是采集命令，立即执 行数据采集和发送，如果是路由包，立 即执行路由更新。 程序流程图如图 4 所示。42 节点定位算法设计5节点采用基于接收信号强度指示 定位算法实现的精确定位。 已知发射 节点的发射信号强度， 接收节点根据 收到信号的强度计算出信号的传播损 耗，
13、然后根据信号传播模型公式将传 输损耗转化为距离， 再利用三边测量 法计算出未知节点的位置。 在实际定 位中， 要保证未知节点处于三个以上 发射信号强度和位置坐标已知的参考 节点的通信范围内， 未知节点根据接 收信号强度计算出信号的传播损耗 ， 进而计算出节点位置。5 传感器节点节能设计4表 2 传感器节点在 60下测试结果实验结果表明：在 2 种温度条件下绝对误差01，相对误差5，高温 60时的测量数据与室温 25时的测量数据差 别很小，温度变化对传感器节点影响较小。结束语介绍了基于无线传感网络的高精度二氧化碳传感器节点的 设计，在实际测试过程中，系统运行稳定，测量结果符合实际，完 全达到了对
14、信号高精度的采集与无线传输， 取得了较好的监测 效果。 该系统结合无线传感网络具有的低功耗、低成本和节点多 等优势，在无线通信技术远距离、高可靠性等关键问题解决的过 程中，其应用会越来越广泛。7参考文献1李晓维无线传感器网络技术M北京：北京理工大学出版社，20072Wang Ning, Zhang Naiqian, Wang Maohua W ireless sen- sors in agriculture and food industry recent development and future perspective J Computers and Electronics in Agr
15、icul- ture 2006, 50(1):1143Lin Shizhuang, liu Jingyu, Fang Yanjun ZigBee based wire- less sensor networks and its application in industrialC Pro- ceeding of the IEEE International Conference on Automation and Logisitics(ICAL) 2007, 197919834吴光斌，梁长垠无线传感器网络能量有效性的研究 J 传感器术 ，2004，23（7）：74775 王 琳 ， 别 红 霞 ， 等 煤矿瓦斯报警无线传感器网络节点设计与实现 J电子技术应用，2006（5）：7173收稿日期：20111210传 感 器节点在网络实际运行过 图 4
