O 引言
    數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段,，作為信息科學(xué)的一個重要分支,，數(shù)據(jù)采集技術(shù)是包括了傳感器技術(shù)、信號處理,、數(shù)據(jù)通信,、微型計算機(jī)等技術(shù)的一門綜合應(yīng)用技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往很難實(shí)現(xiàn)對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時采集和監(jiān)控,。對動態(tài)數(shù)據(jù)采集" title="動態(tài)數(shù)據(jù)采集">動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，有著采集范圍大,、采集點(diǎn)眾多,、布線空間有限、體積小,、自動作業(yè)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的以總線方式組成網(wǎng)絡(luò)的采集系統(tǒng)很難滿足這種應(yīng)用要求,。
    在此探討的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由動態(tài)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成,，以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計借鑒無線傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計思想,，采用MSP430系列微處理器芯片和FLASH芯片分別作為處理和存儲單元,；采用USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232BM完成MSP430的BSL下載電路和MSP430與PC的串行通信接口；采用CC2420模塊完成了支持802.15.4／ZigBee" title="ZigBee">ZigBee協(xié)議的無線通信模塊設(shè)計,。開發(fā)出的硬件平臺既可以作為終端采集節(jié)點(diǎn),，又可以作為通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。軟件系統(tǒng)設(shè)計上,，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS到MSP430微處理器,，使用nesC語言編寫應(yīng)用程序。系統(tǒng)以溫度作為采集變量,，建立了一個具有采集溫度數(shù)據(jù),、預(yù)處理、打包無線傳輸功能的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計,。并利用終端節(jié)點(diǎn)的PC接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能,，完成網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計
1．1 節(jié)點(diǎn)的一般結(jié)構(gòu)
    一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計包括了傳感器單元,、數(shù)據(jù)處理單元,、無線通信單元和電源管理單元，以及用戶接口等一些擴(kuò)展設(shè)計單元,，如圖1所示,。


1．2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計的要求
    節(jié)點(diǎn)設(shè)計主要有3點(diǎn)要求。第一,，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集對象往往是目標(biāo)的溫度,、濕度、速度等參數(shù)，整個系統(tǒng)需要在無人環(huán)境下長期正常工作,，因此低功耗設(shè)計是動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首要要素,；第二，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理數(shù)率較低,、數(shù)據(jù)傳輸量少,、主要采用無線傳輸?shù)男问剑虼诉x擇無須許可的,、合適,、低價的通信方式是保證動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。第三,，本系統(tǒng)采集的對象主要是針對飛禽走獸等野生動物,，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的方便，采集節(jié)點(diǎn)還必須要滿足體積小,、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn),。
1．3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計
    目前，2種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究平臺是mica系列和telos系列節(jié)點(diǎn),，它們采用目前應(yīng)用最廣泛的TinyOS嵌入式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),。
本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件是設(shè)計參考telos平臺，是telos平臺一次再設(shè)計過程,。系統(tǒng)設(shè)計弱化傳感器部分的設(shè)計,，對無線通信模塊選用射頻模塊電路，設(shè)計重點(diǎn)在微處理器模塊地電路實(shí)現(xiàn)上,。同時,，為了增加動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用性，添加了PC接口電路,，使得本設(shè)計可以作為動態(tài)終端節(jié)點(diǎn),，亦可以作為服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)。在電源管理上,，當(dāng)設(shè)計作為網(wǎng)關(guān)時選擇USB供電,，當(dāng)作為終端可用干電池供電。
    (1)通信模塊采用TI公司的支持IEEE802．15．4協(xié)議的CC2420芯片,，250 kb／s的數(shù)據(jù)收發(fā)速率可以使節(jié)點(diǎn)更快的完成事件的處理,，快速休眠，節(jié)省系統(tǒng)能量,。
    (2)采用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430,。
    (3)telos本身就有SHTll溫濕度一體化器件，能夠作為獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)使用,。
    (4)telos只有1個10腳的接口,，可以簡化連接傳感器板,。
    (5)使用USB-COM的橋連接，可以直接通過USB接口供電,、編程和控制,，進(jìn)一步簡化外部接口。
    本系統(tǒng)設(shè)計的節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖如圖2所示,，與無傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計相比,，結(jié)構(gòu)上具有一致性，同樣具有采集單元,、處理和控制單元,、無線通信單元和電源管理單元。


    節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示,。


1．4 節(jié)點(diǎn)軟件
    在此節(jié)點(diǎn)采用目前應(yīng)用最廣泛的TinyOs嵌入式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),。TinyOS的程序采用模塊化設(shè)計，程序核心都很小,，一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)在400 B左右,。TinyOS的組件有4個相互關(guān)聯(lián)的部分：1組命令處理程序句柄、1組事件處理程序句柄,、1個經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀和一組簡單任務(wù)。任務(wù),、命令和事件處理程序在幀的上下文中執(zhí)行并切換幀的狀態(tài),。為了易于實(shí)現(xiàn)模塊化，每個組件還聲明了自己使用的接口及其要用信號通知的事件,，這些聲明將用于組件的相互連接,。如圖4所示為一個支持多跳無線通信的組件集合與這些組件之間的關(guān)系，上層組件對下層組件發(fā)命令,，下層組件對上層組件發(fā)信號通知事件的發(fā)生,，最低層的組件直接和硬件打交道。



2 系統(tǒng)軟件測試
    在軟件系統(tǒng)設(shè)計上,，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS到MSP430微處理器,，使用nesC語言編寫應(yīng)用程序。系統(tǒng)以溫度作為采集變量,，建立了一個具有采集溫度數(shù)據(jù),、預(yù)處理、打包無線傳輸功能的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計,。
    在驗證應(yīng)用程序代碼時,，因使用熱敏電阻調(diào)試麻煩，選用精密可調(diào)電阻代替熱敏電阻,，如圖5所示,，電阻值容易控制和調(diào)整,，使結(jié)果具有更大可觀察性。


    如上圖所示,，采集的模擬信號量是電阻R110兩端的電壓值,，為了觀察的方便，在測試程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換等初步處理,，使得在PC上顯示的數(shù)據(jù)信息直觀地表示為R110兩端的電壓值,。由于精密電阻值最大為10 kΩ，R110=10 kΩ,。Vcc=3．1 V,，AD參考電平為2．5 V，使得R110兩端電壓只能在1．5～2．5 V之間測量,，選擇的測量范圍為1．6～2．4 V,。
    只要知道當(dāng)前可調(diào)電阻R_adj的電阻值，如下公式所示就可以得到ADC5的電壓值：
    VADC5=Vccin[10 kΩ／(10 kΩ+R_adj)]          (1)
    由于終端設(shè)計是采用無線模塊發(fā)送的,，PC必須通過網(wǎng)關(guān)才能得到PC顯示結(jié)果(PC上可以觀察范圍為1．5～2．5 V),。在終端機(jī)上，同樣用3個LED來表示電壓量的變化,，選擇參考電平為1.6 V為參考零點(diǎn),，變化時LED顯示變化一次。如表1所示,，需要注意的是只有測量值在1.6～2.4V之間LED指示值才正確,。


    在無線模塊數(shù)據(jù)信息的發(fā)送中，設(shè)定每隔1 000 ms發(fā)送一次,。因此每過1 000 ms,，串口收發(fā)指示燈將指示一次，同時在PC上更新一次數(shù)據(jù)信息,。
    PC監(jiān)聽的結(jié)果如圖6所示,。圖中“7D 04”之后的4個數(shù)字為電壓值，例如FF FF 04 7D 04 16 47 01 OO中的16 47表示當(dāng)前R110兩端電壓值為1．647 V,。


    為了對比測量結(jié)果的正確性,，同時用萬用表測量R110兩端電壓值。如表2所示,，PC監(jiān)聽值與萬用表測量值很接近,。

3 結(jié)語
    動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計思想，著重探討數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計,，完成了硬件模塊的劃分,、芯片的選型、軟件系統(tǒng),，并實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議的無線傳輸,，實(shí)現(xiàn)的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有低功耗,、擴(kuò)展性好、靈活性強(qiáng),、成本低等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以達(dá)到的特性,。