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面向楼宇自控的传感器网络节点硬件设计研究

无线传感器网络系统与传统的有线传感器网络相比，具有耗资小、安装方便、

维护和更新费用低等优势，非常适合用于布线困难的区域、人员不能到达的区域

和一些临时场合状况的远程监测。该设计针对楼宇系统特点，采取新一代自动采

集数据技术-无线传感器网络技术，提出无线传感器网络节点设计方案。该方案

采用STC89C51微处理器和无线射频芯片RF2401设计并实现了无线传感器网络

节点。通过无线通信传递给远程汇聚节点并与上位机通信，得以实现温度数据采

集监测，提高了监控的安全性与实时性，实现网络远程监控。

标签：传感器网络；网络节点；楼宇监控；数据采集

1概述

随着微机电系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出了无线

传感器网络，其以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一

场变革。楼宇自控传感器网络就是由许多这些传感器节点协同组织起来，节点可

以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定协议自组织起来，能够

获取周围环境的信息并且协同工作完成特定任务。

课题研究背景及意义：未来的楼宇将会充满各种各样的智能设备。楼宇控制

网络中的传感器、执行器、阀门等都是智能的，楼宇的基础设施能无缝隙的将数

据网和控制网连接起来，形成整体的楼宇网络。

随着社会信息化进程的速度加快，无线传感器网络凭借其微型性、低成本、

灵活性为楼宇系统的跟踪、监控、管理等提供了技术支撑。本设计针对楼宇环境

中温度这一参数，设计无线传感器网络节点，通过无线通信将采集到的信息传递

给远程汇聚节点并与上位机通信，实现温度的远程监测，避免人员进入的不安全

性和采集数据不及时不准确的缺陷。

2楼宇自控传感器网络节点设计

楼宇传感器网络节点设计由下列部件构成：低功耗微控制器STC89C51、低

功耗无线收发芯片RF2401、5V稳压电源以及传感器。

（1）普通节点：在微处理器的控制下，传感器采集数据经过合理的打包由

射频模块发射给汇聚节点。

（2）汇聚节点：主要是创建网络、及实现程序定义的汇聚任务。

普通节点通常是一个微型的嵌入式系统。从网络功能上看，每个普通节点既

具有传统网络节点的终端功能，又兼具有路由器的功能。除了要进行本地信息收

集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理。

一个普通节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分

组成。

3楼宇自控传感器网络节点功能模块的设计与实现

楼宇自控传感器网络一般由数据处理单元、射频收发单元、传感单元以及电

源组成，器件的选择主要包括微控制器、射频收发器以及传感器件的选择。

3.1微处理器的选择

微处理器是普通节点的核心，在选择时，必须满足体积小、集度高、功耗低

且支持睡眠模式、速度足够快、成本尽量低等几个要求。该设计的微处理器采用

STC89C51单片机。

STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可

编程Flash存储器。它与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

3.2射频芯片的选择

本设计采用nRF2401单片射频发射器芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，

芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率

和通信频道可通过程序进行配置。

3.3传感器选择

传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路等部分组成，如图1所示。

传感器的选择主要从它的准确性、可靠性、稳定性和价格上考虑。该设计采

用DS18B20温度传感器。

DS18B20必威体育精装版单线数字温度传感器，它的体积更小、适用电压更宽、更经

济，测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为-0.5℃，现场温

度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣

环境的现场温度测量。

3.4硬件功能模块

3.4.1数据采集、通信模块

普通节点采集温度数据采用的是DS18B20，其数字温度计提供9位（二进

制）温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送

出，因此MCU到DSl8B20仅需一条线。楼宇自控传感器网络是由普通节点和汇

聚节点按照某种拓扑