基于C#的极低功耗无线网络温度监测系统的上位机软件设计

Computer Era No. 9 2010 0 引言 无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术 自组织构成的网络，具有广阔的应用前景，被认为是将对21世 纪产生巨大影响力的技术之一。本文所述系统是一个无线网 络监测系统，根据小型化、实时监测和低功耗的要求，系统以极 低功耗MSP430F135单片机为核心，以DSl8B20数字温度传感 器为测温传感器单元，以nRF24L01无线收发射频芯片为传输 单元。同时根据自组织 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，还 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一个多测温节点和一个 主节点的无线测温网络监控系统。本系统的上位机在Visual Studio 2008 .NET环境下编程，集成了大量实用的类库，主要 使用Serial Port类和Thread类进行串口通信。 1 无线通讯网络 1.1 节点设计 传感器节点和主站节点主要由MSP430F135单片机和射频 收发器nRF24L01组成，主站节点与PC机通过RS232接口或 USB接口相连，利用PC机作为数据处理中心，如图1所示。 图1 主站节点和从站节点 1.2 网络组成 该无线传感器网络由一个主站节点和若干个无线温度传 感器节点构成。传感器节点负责中转其他节点数据包，同时采 集、处理、压缩数据，并将数据包发送出去；基站节点负责发出 控制命令和接收各个传感器节点发回的数据，并通过RS232接 口或USB接口把数据发送给PC机。PC机对各个数据进行综 合分析处理。网络组成如图2所示。 图2 无线传感器网络组成 图2只示出了10个传感器节点，其中0 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示主站节点，1-9 各数字分别表示随机分布的9个无线温度传感器节点。0-9各 数字分别是主站节点和各个从站温度传感器节点的编号。 1.3 无线传感器网络通讯协议 1.3.1 无线传感器节点程序流程 考虑到无线传感器网络中节点数目较多，传感器节点采用 同一套程序，其流程如图3所示。 基于C#的极低功耗无线网络温度监测系统的上位机软件设计 成 洁 (无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028) 摘 要：由包含MSP430单片机和nRF24L01射频收发器的无线传感器节点组成的无线传感器网络具有功耗低、节点体 积小等特点，能实现随机分布的传感器网络自组织，可以广泛地应用于各类无线数据通讯、环境监测、安防系统等领域。 文章介绍了采用C#语言编写MSP430单片机与PC机之间的串行通信软件的方法，分析了基于C#的极低功耗无线网络温 度监测系统的上位机软件设计技术。 关健词：无线传感器网络；单片机；射频收发器；自组织；串口通信 C#-based PC Software Design for Wireless Network Temperature Monitoring System in Very Low Power Consumption CHENG Jie （Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School, Wuxi, Jiangsu 214028, China） Abstract：The wireless sensor network composed of wireless sensor nodes including MSP430 MCU and nRF24L01 RF transceiver has the features of low power consumption and small size nodes, it can achieve the self-organization of sensor network in random distribution, and it can be widely applied in various types of wireless data communications, environment monitoring and security systems. This paper introduces the method of writing the serial communication software between MSP430 MCU and PC by using C# language, and analyzes the C#-based PC software design technology for wireless network temperature monitoring system in very low power consumption. Key words：wireless sensor networks；MCU；RF transceiver；self-organization；serial communication ·· 22 计算机时代 2010年第 9期 开 始 初始化I/O端口 结 束 DS18B20初始化 定时中断初始化 nRF24L01初始化 MSP430F135低功耗模式 定时中断？ DS18B20采样温度 发送数据？ N Y Y N 图3 无线温度传感器节点程序流程图 1.3.2 无线传感器节点发到主站的数据包 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 在无线传感器网络的数据传输中，数据必须有统一的格 式。数据包的格式如下所示： From Attri. Data1--Data3…… Check 其中，From表示源地址；Attri.表示数据的属性；Data1--Data3 表示有效数据；Check表示校验码。在该通讯协议中地址字节 由级别和编号两部分组成，高3位表示级别，低5位表示编号。 数据属性包括数据字节数和中转的次数。属性字节的高4位表 示该数据包已中转的次数，低4位表示有效数据长度。 由于地址和数据属性长度的关系，在该网络中最多含有包 括基站节点在内的32个节点，每个数据包最多包括15个字节 的有效数据，最多被中转16次。当数据包被中转的次数为16， 且仍未到达最终地址时，该数据包会被自动丢弃。 数据由 MSP430F135 单片机发给 nRF24L01 芯片后， nRF24L01还要对其进行包装，加入字头和CRC校验。 2 上位机软件设计 2.1 系统功能模块设计 上位机软件以Windows XP SP3为操作系统平台，采用C# 语言在Visual Studio 2008 .NET环境下编程实现，集成了大量 实用的类库。本系统上位机部分主要使用Serial Port 类和 Thread类进行串口通信与多线程编程。上位机软件功能结构 图4所示。 无线网络检测系统上位机 主监控界面 数据显示 报警处理 历史记录 系统帮助 实时显示曲线显示 警戒温度设置 实时报警 分类查询数据导出 图4 上位机软件功能结构图 上位机主要包括如下功能：监控部分主要包括主监控界 面的信息处理、报警处理、数据显示、历史记录、系统帮助等；可 以实时显示每个传感器节点的站号和温度，并设置是否需要实 时报警和设置警戒温度，配以不同的声音提示；可以用曲线形 式实时显示所有或某些节点的情况，允许设置图形界面座标轴 的线型和颜色、各条曲线的线型和颜色。 2.2 数据库设计 数据库采用ACCESS，利用C#中的ADO.NET方式实现数 据输入、查询、报表生成、打印输出等。数据库中只有一张 TempInfo表，表中有 stationID（站号）、temp（温度）、minTemp （警戒温度最小值）、maxTemp（警戒温度最大值）、curDateTime （当前日期时间）等字段。 2.3 模块设计 2.3.1 监控主界面模块 主界面主要分为两个功能区域，分别显示各个节点的实时 状态和系统操作指令。节点的实时状态包括节点是否存在、存 在节点的站点号和温度；系统操作指令包括是否打开实时报警 和是否显示历史记录等。 2.3.2 数据显示模块 主要实现各个节点的实时情况图形化，包括绘制网格、绘 制背景纵（横）轴线、分隔线、警戒线、温度和时间文字、图例和 当前温度等，显示或隐藏某个从站节点，显示从站节点的某个 采样点信息，设置警戒线颜色等。 2.3.3 报警处理模块 主要实现实时报警信息的显示和警戒温度设置。当前温 度低于最低温度或超过最高温度时，发出不同的报警声，同时 在列表框中记录相关警告信息。 2.3.4 历史记录模块 采样实时数据并记录在数据库中，包括stationID（站号）、 temp（温度）、minTemp（警戒温度最小值）、maxTemp（警戒温度 最大值）、curDateTime（当前日期时间）等信息。支持节点过滤 及警戒范围以内的节点记录以特殊的反色显示功能。另外还 支持数据表的打印和导出Excel。 2.4 核心代码分析 读取串行端口，并显示温度。 在类中自定义： //定义委托HandleInterfaceUpdateDelegate,由于实例化委托是一 个对象，所以可以将其作为参数进行传递，也可以将其赋值给属性。 这样，方法便可以将一个委托作为参数来接受，并且以后可以调用该 委托 delegate void HandleInterfaceUpdateDelegate(string text); //委托，此为重点 //定义HandleInterfaceUpdateDelegate类型的变量 interfaceUpdateHandle HandleInterfaceUpdateDelegate interfaceUpdateHandle; //定义字节数组，从端口读数据 byte[] readBuffer=new byte[] { }; 在Form_Load()方法作初始化： interfaceUpdateHandle=new HandleInterfaceUpdateDelegate (UpdateTextBox); //委托方法 interfaceUpdateHandle代理 UpdateTextBox,以更新相应控件 在串口数据到达时执行此事件处理方法： private void serialPort1_DataReceived(object sender,System .IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e) { //根据设定的缓冲区大小，读取数据 readBuffer=new byte[serialPort1.ReadBufferSize]; ·· 23 Computer Era No. 9 2010 serialPort1.Read(readBuffer, 0, readBuffer.Length); …… this.Invoke(interfaceUpdateHandle, new string[] { stationID .ToString() }); } 方法UpdateTextBox处理相关内容： private void UpdateTextBox(string text) { //在泛型集合pi中记录所有站点的每个时间点的信息（站占号， 当前温度，最低温度，最高温度，座标位置） //将上述信息记录在站点信息表中 //当前温度低于最低温度时（当前温度超过最高温度时）， 发出报警声，同时在列表框中记录相关警告信息 } 2.5 用户界面设计与实现 系统上位机的监控主界面如图5所示。 图5 监控主界面 3 实验分析 下面给出了在某实验中获得的一些实验数据。如表1所示。 表1 实验数据表 无线传输值 实测值 单位℃ 无线节点1 23.6/23.5 无线节点2 37.7/37.5 无线节点3 56.4/56.0 无线节点4 77.0/76.5 无线节点5 80.0/80.0 无线节点6 90.8/89.5 采用无线温度传感器测量的结果与使用实际的高精度温 度计测量的温度值基本吻合，满足实际工程和实际生活的要 求。实验表明，系统成功地实现了预期的功能。 4 结束语 C#语言是一种精确、类型安全、面向对象的高性能语言，能 实现与操作系统的底层交互。本系统的上位软件采用C#语言 编写，实现了MSP430单片机与PC机之间的串行通信以及数据 采集、转换、实时显示、存储、绘制曲线等功能。测试结果表明， 系统各项功能运行正常，界面友好，具有较好的容错机制，提高 了数据采集效率。无线温度传感器以低廉的价格、高可靠性以 及无需布线等特点使其在实际工程和日常生活中具有很好的 发展前景。无线射频传感器通讯技术不只可应用于温度的测 量，还可以应用到其他如：压力、湿度、液位、有害气体等许多物 理量的测量。 参考文献： [1] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与 应用[M].清华大学出版社,2004. [2] 李志字,史浩山.无线传感器网络微型节点的实现[J].电子产品世界, 2005.11:115~117 [3] 吕志刚,王鹏,范晓光.基于MSP430单片机的多功能、高精度数据采 集系统[J].电子技术应用,2007.7:70~72 [4] 李自珍,郭宝安.MSP430系统应用结构设计与选型[J].单片机与嵌入 式系统应用,2007.7:11~13 [5] LI X M,JIANG L Z H,LI J C H.Home healtheare platform based on wireless sensor networks[C]. Technology and Applications in Biomedicine IntemationalConferenee,2008:263~266 综上所述，地域覆盖范围不同的三种多媒体网络教学模 式，各有特点，但都强调了“以学生为主体”，并且都利用网络增 加了教学的互动性、灵活性和趣味性。另一方面，我们也不能 漠视网络多媒体教学相对于传统教学的一些弊端：教育是一项 围绕“人”的系统工程，除了教育手段外，教育者思想、行为以及 创造力都影响着受教育者，多媒体网络教学模式在情感与行为 示范作用上存在一定程度的缺失；由于地域经济差异会造成教 育资源利用不平衡，现代化教育手段的应用程度受到经济条件 制约，发达地区和落后地区院校会出现明显差距。 2 结束语 多媒体网络教学是教育领域的又一次革命。教育者应该 明确：一切的教学方法和教学模式都是为了更好地教学，教学 形式不能取代教育本身；不能完全依靠网络，要从它的优势出 发，以现代素质教育为前提，提高学生自主学习能力，培养学生 探知、创造能力，拓宽学生认知范围。传统授课方式使学生思 维活动被约束在教师对知识的建构之上，实现的是思维求同； 多媒体网络教育使学生面对有机联系的建构，实现的是思维求 异。因此两种方式只有相辅共存，才能培养出符合当今社会需 要的人才。 参考文献： [1] 田子刚.现代信息技术在教学中的应用研究[J].现代教育技术, 2009.13. [2] 朱德全.现代教育理论[M].西南师大,2007. [3] 郭晔,王浩鸣.基于Internet的远程教育系统模型研究[J].现代电子技 术,2004.18. 􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔􀤔 (上接第16页) ·· 24