防爆型无线传感器网络的信息采集节点的电路原理与软硬件设计

引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）是新一代的传感器网络，由大量无人值守、具有通信和计算能力的微小型节点构成的自主探测系统。无线传感器网络的可快速部署、可自组网、高容错性及低功耗、通讯效率高、网络生存能力强、可靠性好、成本低廉等特点，能满足信息获取的实时性、准确性和全面性等需求，非常适合军事、工业等领域的应用，尤其是适应于恶劣的环境及野外条件用，其在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之一。

随着信息技术的发展和现代管理理念的改变，作为储存、装卸、输转和供应油料基地的油库，也引入了无线传感器网络技术，其泵站、输油管线、油料装备和油库设施设备均可成为无线传感器网络的监测对象。针对油库常见的流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等现场仪表信息采集与处理存在的不便，构建了油库传感器网络系统，实现了油库各类传感器仪表信息的自动采集与处理。系统主要包括信息采集节点、无线网络、信息汇聚终端、上位机信息处理中心等几部分。

本文重点介绍了信息采集节点的软硬件设计。信息采集节点是油库传感器网络系统的前端设备，是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上实现并优化，负责采集各类仪表传感器信号，并通过网络上传到信息汇聚终端。本文中的信息采集节点运用通用化、模块化设计思想，采用同一处理器、壳体，配套不同无线模块的方法进行设计，包括壳体设计、硬件电路设计及配套软件设计。

1 硬件设计

本文设计的信息采集节点具有接口多、应用环境特殊等特点，因此，节点在设计过程中，除满足应用功能要求外，还要满足环境适应性、性能稳定性、电磁兼容性、防爆性等技术要求。该节点主要由壳体、电器部件、Ex电缆引入装置等部件组成。下面从硬件电路设计和壳体结构设计两个方面进行介绍。

1.1 硬件电路设计

信息采集节点硬件层主要包括4 个模块：电源模块、数据处理模块（包括存储器和微控制器）、无线通信模块以及数据采集模块（包括传感器及其驱动接口电路）。在各单元模块中，核心部分为数据处理模块以及无线通信模块。处理器作为传感器节点运转的“心脏”,在上面运行着嵌入式系统软件，从而对另外3个模块的工作进行控制；无线通信模块主要负责与其他节点通信，交换控制消息和收发采集数据。信息采集节点模块结构框图如1所示。

1.1.1 电路原理设计

与其他无线传感器网络信息采集节点相比，本文设计的信息采集节点需要采集处理不同类型传感器信号，包括流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等仪表数据信息，各种仪表信息源输出大概有以下几种制式：数字脉冲信号、1~5 V、4~20 mA、RS 485、HART 等；同时，还预留485总线，232串口，SPI接口，I2C接口和多路AD/DA接口，方便其他扩展功能应用，如连接显示屏、打印机、键盘、GPS等。主板设计的难点是解决主板电磁兼容性设计和高集成度多接口小尺寸电路主板设计难题。信息采集节点的主板电路原理框图如图2所示。

信息采集节点的微控制单元（MCU）采用TI公司低功耗单片机MSP 系列中的MSP430FG4618 型号，MSP430FG4618 具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点，拥有五种节能模式，适合于不同应用场合。

而且MSP430FG4618 带有12 位的高速AD 模块，即MSP430FG4618可以接收数字量和模拟量，而且可以采用中断、定时方式测量流量脉冲信号，因此，MSP430FG4618的应用可以大大简化电路设计。

信息采集节点的无线通信模块根据具体实际应用，选用夏瑞（RENEX）公司的CORE1 无线模块或Chipcon公司的CC2420无线模块。其中，CORE1无线模块用于动态移动装备的通信，CC2420无线模块用于固定设备的通信。

信息采集节点电能由固定设备仪表连接电源或装备上自身车载电源提供。采用军品级的DC-DC电源直流调制模块，在9~18 V的宽电压输入范围内输出稳定的12 V直流电，在12 V基础上采用降压IC进一步调制成其他稳定电压输出为MCU、无线通信模块等供电。

电源原理电路如图3所示。

为保护信息采集节点，防止被烧坏或不能正常工作，本品使用了变压器型电源隔离电路，抑制或消除了电源输入可能造成的干扰。

1.1.2 元器件选择

（1）所有元件尽可能选用表面贴装元件。表面贴装元件不仅体积小，可有效降低电路板面积占用面积，便于PCB设计，更重要的是其引脚小，发射和接收的电磁能量小，可以显着提高电磁兼容性能。

（2）所有集成电路尽可能选用CMOS 电路。CMOS电路具有的功耗低、抗干扰能力强和宽工作稳定范围等特点，特别适用于设计要求，其中小规模集成电路无需特别要求均可适应军品的环境适应性要求。仅需对大规模集成电路选用军品级电路。但CMOS 电路的瞬间功率设计要求高，为此对每个集成电路均加装了去耦合电容。

（3）所有储能元件均尽可能选择低容量值，并在电压和电流上加一定的限制。

1.1.3 印制电路板布线

主板采用双层印制电路板（PCB）。电路板布线遵循器件排列分布相关规定，其层压、走线和预浸处理等工艺均按IPC-A-610C国际工艺标准进行。双层PCB的顶层用于信号路由，空白处和位于芯片下面的空间一样，采用金属箔填充，通过若干孔牢靠接地。在印制电路板设计过程中要特别注意无线收发器部分的布线和PCB 天线的设计，这也是传感器节点设计的难点和重点。例如退耦电容器应尽可能靠近供电引脚，并且通过单独的过孔连接到印制电路板的接地面；芯片的接地引脚距离使用单独过孔的封装引脚越近越好；外部元件越小越好，必须使用表面贴装器件。印制电路板设计完成之后将印制板文件送至印制板制作厂家生产。

1.1.4 电路板生产

（1）印刷版制作

激光照排，激光制版，2层铜基复合板。

（2）焊接

①在具有ISO 9001:2000 质量管理体系的专业的SMT 的加工厂进行生产，生产符合IPC-A-610C 国际工艺标准，产品均符合IPC二级标准；

②在高速自动SMT生产线上采用流水线方式批量生产；

③焊接方式为回流焊，生产工艺采用无铅焊接技术，峰值温度范围为230~250 ℃；

④对MCU采用BGA焊接。

（3）喷漆

①对电路板喷涂防锈漆两遍；②24~48 h阴干后成品。

1.2 壳体设计

样机壳体设计一方面要突出作业实用要求，还要考虑作业场所爆炸危险环境的防爆等级，严格遵循《GB3836.1-2010 爆炸性环境第1 部分：设备通用要求》和《GB 3836.2-2000爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”

保护的设备》标准要求。根据硬件电路板、天线大小及组装需要，使用AUTOCAD 软件进行图纸设计，并送专业生产制造厂加工生产。

壳体颜色采用军绿色，材质为铝合金（ZL104），厚9 mm;空腔内安装有电器部件；壳体上下部分采用平面结构配合。

2 软件设计

验证硬件设计没有问题之后，可进行应用程序的开发，包括协议栈的实现、应用层程序的编写等工作。信息采集节点由于外设较多，为了不过多占用单片机运行时间，提高数据处理效率，降低单片机功耗，单片机与外设交换信息的方式都是通过中断来完成。单片机程序用C语言编写，编译环境为IAR 4.21.主程序软件流程图如图4所示。

其他外接模块主要是通过中断方式与单片机交互信息。中断程序分别包含有无线模块中断子程序；流量仪表中断子程序；压力仪表中断子程序；温度仪表中断子程序；湿度仪表中断子程序；液位仪表中断子程序；油气浓度仪表中断子程序。

无线模块的中断子程序是无线传感器网络应用的关键，下面重点介绍下无线模块的中断子程序设计。

无线模块采用Ad-Hoc 或Zigbee 无线网络协议，是可自组网，多跳路由的传感器网络。本系统信息采集节点上的无线节点都是Slave模式，它们可以同在监控室与PC机相连的Master节点实时通信。

此外，网络中的每个Slave 节点都具有路由器的功能，可向邻节点转发数据。利用这些中间节点的中继功能，在前端信息采集节点与监控室直接通讯受阻的情况下，数据可以自动由其他节点进行一次或多次路由传送到目标节点，提高了系统的实时性可靠性。无线通信模块软件流程图如图5所示。

3 结语

节点设计试制后，在国家防爆电气产品质量监督检验中心完成了机械检查、冲击试验、温度试验、外壳耐压试验、内部点燃不传爆试验、外壳防护性能试验等检验项目，并取得了防爆合格证。另外，节点通过了其他相关性能测试与试验，达到了预期效果，满足油库现场使用的要求。该节点可实现油库所用流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等现场仪表信息的采集、处理及传送，节省了大量人力、物力、财力、时间，提高油库设施设备及装备的信息化水平，提升油库的业务管理能力。