0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是新一代的傳感器網絡，由大量無人值守、具有通信和計算能力的微小型節(jié)點構成的自主探測系統(tǒng)。無線傳感器網絡的可快速部署、可自組網、高容錯性及低功耗、通訊效率高、網絡生存能力強、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)等領域的應用，尤其是適應于惡劣的環(huán)境及野外條件用，其在軍事、農業(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、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來四大高技術產業(yè)之一。

隨著信息技術的發(fā)展和現(xiàn)代管理理念的改變，作為儲存、裝卸、輸轉和供應油料基地的油庫，也引入了無線傳感器網絡技術，其泵站、輸油管線、油料裝備和油庫設施設備均可成為無線傳感器網絡的監(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，構建了油庫傳感器網絡系統(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、無線網絡、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)點的軟硬件設計。信息采集節(jié)點是油庫傳感器網絡系統(tǒng)的前端設備，是構成無線傳感器網絡的基礎，是承載無線傳感器網絡的信息感知、數據處理和網絡功能的基本單元，所有與傳感器網絡相關的協(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，并通過網絡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計，包括殼體設計、硬件電路設計及配套軟件設計。

1 硬件設計

本文設計的信息采集節(jié)點具有接口多、應用環(huán)境特殊等特點，因此，節(jié)點在設計過程中，除滿足應用功能要求外，還要滿足環(huán)境適應性、性能穩(wěn)定性、電磁兼容性、防爆性等技術要求。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。下面從硬件電路設計和殼體結構設計兩個方面進行介紹。

1.1 硬件電路設計

信息采集節(jié)點硬件層主要包括4 個模塊：電源模塊、數據處理模塊(包括存儲器和微控制器)、無線通信模塊以及數據采集模塊(包括傳感器及其驅動接口電路)。在各單元模塊中，核心部分為數據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)采集數據。信息采集節(jié)點模塊結構框圖如1所示。

1.1.1 電路原理設計

與其他無線傳感器網絡信息采集節(jié)點相比，本文設計的信息采集節(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、油氣濃度等儀表數據信息，各種儀表信息源輸出大概有以下幾種制式：數字脈沖信號、1~5 V、4~20 mA、RS 485、HART 等;同時，還預留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用，如連接顯示屏、打印機、鍵盤、GPS等。主板設計的難點是解決主板電磁兼容性設計和高集成度多接口小尺寸電路主板設計難題。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，適合于不同應用場合。

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

信息采集節(jié)點的無線通信模塊根據具體實際應用，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備的通信。

信息采集節(jié)點電能由固定設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電源直流調制模塊，在9~18 V的寬電壓輸入范圍內輸出穩(wěn)定的12 V直流電，在12 V基礎上采用降壓IC進一步調制成其他穩(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，特別適用于設計要求，其中小規(guī)模集成電路無需特別要求均可適應軍品的環(huán)境適應性要求。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。[!--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規(guī)定，其層壓、走線和預浸處理等工藝均按IPC-A-610C國際工藝標準進行。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。在印制電路板設計過程中要特別注意無線收發(fā)器部分的布線和PCB 天線的設計，這也是傳感器節(jié)點設計的難點和重點。例如退耦電容器應盡可能靠近供電引腳，并且通過單獨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。印制電路板設計完成之后將印制板文件送至印制板制作廠家生產。

1.1.4 電路板生產

(1)印刷版制作

激光照排，激光制版，2層銅基復合板。

(2)焊接

①在具有ISO 9001:2000 質量管理體系的專業(yè)的SMT 的加工廠進行生產，生產符合IPC-A-610C 國際工藝標準，產品均符合IPC二級標準;

②在高速自動SMT生產線上采用流水線方式批量生產;

③焊接方式為回流焊，生產工藝采用無鉛焊接技術，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 殼體設計

樣機殼體設計一方面要突出作業(yè)實用要求，還要考慮作業(yè)場所爆炸危險環(huán)境的防爆等級，嚴格遵循《GB3836.1-2010 爆炸性環(huán)境第1 部分：設備通用要求》和《GB 3836.2-2000爆炸性環(huán)境第2部分：由隔爆外殼“d”

保護的設備》標準要求。根據硬件電路板、天線大小及組裝需要，使用AUTOCAD 軟件進行圖紙設計，并送專業(yè)生產制造廠加工生產。

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

2 軟件設計

驗證硬件設計沒有問題之后，可進行應用程序的開發(fā)，包括協(xié)議棧的實現(xiàn)、應用層程序的編寫等工作。信息采集節(jié)點由于外設較多，為了不過多占用單片機運行時間，提高數據處理效率，降低單片機功耗，單片機與外設交換信息的方式都是通過中斷來完成。單片機程序用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絡應用的關鍵，下面重點介紹下無線模塊的中斷子程序設計。

無線模塊采用Ad-Hoc 或Zigbee 無線網絡協(xié)議，是可自組網，多跳路由的傳感器網絡。本系統(tǒng)信息采集節(jié)點上的無線節(jié)點都是Slave模式，它們可以同在監(jiān)控室與PC機相連的Master節(jié)點實時通信。

此外，網絡中的每個Slave 節(jié)點都具有路由器的功能，可向鄰節(jié)點轉發(fā)數據。利用這些中間節(jié)點的中繼功能，在前端信息采集節(jié)點與監(jiān)控室直接通訊受阻的情況下，數據可以自動由其他節(jié)點進行一次或多次路由傳送到目標節(jié)點，提高了系統(tǒng)的實時性可靠性。無線通信模塊軟件流程圖如圖5所示。

3 結語

節(jié)點設計試制后，在國家防爆電氣產品質量監(jiān)督檢驗中心完成了機械檢查、沖擊試驗、溫度試驗、外殼耐壓試驗、內部點燃不傳爆試驗、外殼防護性能試驗等檢驗項目，并取得了防爆合格證。另外，節(jié)點通過了其他相關性能測試與試驗，達到了預期效果，滿足油庫現(xiàn)場使用的要求。該節(jié)點可實現(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、財力、時間，提高油庫設施設備及裝備的信息化水平，提升油庫的業(yè)務管理能力。