基于6LoWPAN和ARM的校园无线传感网络设计
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2020-07-27
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基于基于6LoWPAN和和ARM的校园无线传感网络设计的校园无线传感网络设计
为了实现对校园多种传感信息的实时采集、处理和监控，以及对电器实现智能控制。本文采用TI公司的CC2530
无线模块实现了无线传感网络的自定义组建与通信。客户端采用PC、iOS和Android三种实现，能够随时登陆查
看相应信息，并远程控制电器。
引言
近年来智能校园、绿色校园的理念已经深入人心。首先，人们可以通过对校园内各种资源的有效监测，进一步节约能源。其
次，通过对各种环境因素进行监测，有助于保障安全、方便学习与工作。最后，可以通过实现物联网[1]和互联网的无缝连
接，发掘海量数据的潜在价值。但是这几个方面实现的基础，是无线传感网络。在智能家居[3]、远程抄表[4]、定位[5]等方
面，无线传感网技术衍生了一系列有价值的应用。本文实现了校园无线传感网络的设计，包括整个系统的软硬件设计、自定义
组网运行和客户端应用。以嵌入式系统结合中心节点实现网关的设计，从而实现对无线网络的监控调节、数据处理显示等，海
量数据将存储在服务器上以备数据挖掘之用。客户端一方面在PC上实现，另一方面考虑到智能移动终端的普及，在iOS和
Android系统下也进行了实现。
1 网络组成
完整的网络体系是实现无线传感网及其应用的基础，包括终端节点、嵌入式网关、网络拓扑与协议，以及客户端应用。本文采
用TI公司的CC2530作为传感器终端和网关的无线通信模块，其MAC层和物理层基于802.15.4标准，高层采用6LoWPAN协议
栈。网关方面采用基于ARM CortexM3内核的STM32F107最小片上系统，配合功能齐全的外设以及CC2530，实现多方面的
功能。网关系统示意图如图1所示。
图1 无线传感网及网关系统示意图
1.1 传感网络节点组成
传感网络节点的无线收发模块采用TI公司的CC2530芯片，其集成了51单片机内核，基本电路图略——编者注。
在传感器方面，需要考虑多种不同用途的配置，包括楼宇监测传感器、水环境监测传感器以及电器控制传感器。本文使用6种
传感器节点:第一种为楼宇监测传感器节点，定时采集4种传感信息，能对异常环境报警;第二种为电器控制传感器节点，主要
实现对室内电器的智能远程控制;剩余4种均为水环境监测节点，分别在不同的水环境下使用。
1.1.1 楼宇监测传感器节点
楼宇监测的传感信息主要包括温度、烟雾、湿度、噪声。温度传感器选择DS18B20，是Maxim公司的一款数字温度传感器，
只需要一个端口即可通信。电路无需外部元件，可用数据总线供电，也可外接VCC。工作电压为3.0～5.5 V，测量温度范围
为-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃范围内精度为±0.5 ℃。
楼宇中首先要防范的是火灾，使用烟雾传感器NIS05A来监测烟雾。这种传感器是低放射型的标准传感器，最大供电电压为24
V。由于阻抗高，NIS05A输出电流很小，需采用输入电流较小的运放，如LMC6042。
湿度传感器选择HS1101,该传感器为变容式相对湿度传感器，具有检测速度快、精度高、可靠性强、稳定性好和使用方便、体
积小等特点，具有很好的线性输出，且湿度输出受温度影响极小。
声学测量要求传声器性能稳定、动态范围宽、频响平直，故噪声传感器选用AWA14423, 它是自由场型测试电容传声器, 动态
范围为10~130 dB, 频率范围为0～20 kHz, 标称灵敏度为50 mV/Pa。传感数据全部为int类型，共16字节，此外传感器类型1字
节，传感器ID 1字节，故有效载荷为18字节。
1.1.2 水环境监测传感器节点
为了实现对各种水资源进行分类监测，将水资源分为景观水、给水、再生水、污水，使用多种水传感器对水质进行监测。再生
水需要测量的数据包括水量、水压、浊度、COD（化学需氧量）。景观水包括水温、溶解氧、叶绿素、COD。污水包括氨
氮、浊度、PH、COD。给水需要测量的参数包括水量、水压、水温、余氯。数据为double类型，共32字节，再加上节点类型
和传感器ID，有效载荷为34字节。
1.1.3 电器控制的传感器节点
除了能够监测环境信息，无线传感器节点还可以对电器进行控制，主要针对楼宇内办公室、实验室中的空调、照明灯、饮水机
等设备。开关控制设备由继电器和配电箱改造而成，继电器是连接弱电和220 V市电的桥梁，通过单片机I/O口发出控制信令，
实现弱电控制强电。
1.2网关系统设计
对于任何无线网络，一个稳定、高性能的网关，是必不可少的,CC2530的外设难以满足对数据处理、显示以及各种扩展网关应
用的要求，而嵌入式设备具有便利灵活、性价比高、嵌入性强等特点。所以选择合适的嵌入式设备与无线中心节点
（CC2530）结合，可以实现无线网络网关的优化设计。
网关系统选用 CortexM3 微处理器芯片为核心,搭建嵌入式平台最小系统。外围扩展电路包括 LCD 触摸屏、RJ45以太网接口、
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