（农业电气化与自动化专业论文）基于cc2430无线多参数传感器检测网络的设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科技的发展，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线 传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 应运而生了。无线传感器网络是由 大量传感器网络节点通过无线通信的方式构成的自组织网络，可实现数据的采 集、量化、处理和传输应用，是现代信息技术中的一个新的发展领域，有着非常 广阔的发展空间和应用前景。本文设计就是基于无线网络协议( z i g b e e 协议) 的多 参数传感器检测系统。 随着智能化、数字化控制方式在人类生活中的应用，水环境中温度、盐度、 溶氧、p h 值、浊度及压力等参数的测量和控制在水产养殖中至关重要。目前， 在我国水产养殖业中，现有的水质检测仪表多基于r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 的有线数据 通信。然而有线通信方式受到布线的限制，在某些受环境约束的地方应用比较困 难，且成本较高，远不能满足大规模水产养殖进一步发展的要求，因此迫切需要 一种新的检测方法来代替现有的检测方法。本文将无线传感器网络应用到多参数 检测当中正是适应了现代大规模工厂养殖发展的需要。 本文针对项目中采集的参数节点数目多，分布范围广等特点，利用z i g b e e 无线传感器网络技术来进行数据通讯。首先分析了课题研究的意义和市场价值， 然后简略地阐述了系统的总体设计方案，接着对系统的多种传感器电路进行了详 细的理论分析和设计。其次是人机界面的设计，包括液晶的现场显示、按键多菜 单操作以及远程画面的监控设计等。最后对z i g b e e 协议进行了深入的研究，并且 把多参数检测与z i g b e e 协议结合起来，实现了无线多参数传感器网络的设计。利 用c c 2 4 3 0 无线单片机作为现场智能检测仪表的终端节点( 用于多参数检测) 、路 由器节点、协调器节点( 用于现场监控以及远程通信) 。在基于c c 2 4 3 0 无线芯片 的基础上，根据实际项目的需要，利用z i l g b e e 协议组成了多种网络，实现了对水 体环境中温度、盐度、p h 值、浊度等常规参数的检测。经过现场实际运行测试， 本系统长时间工作稳定可靠，具有一定的市场价值和良好的发展前景。 关键词：i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g l 3 e e ，无线传感器网络，c c 2 4 3 0 ，多参数 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i n c l u d i n gs e n s o rt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ye m e r g e s w s ni san e wd e v e l o p i n gf i e l di nm o d e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti so n eo fa dh o cn e t w o r kb yal a r g en u m b e ro fs e n s o r n e t w o r kn o d e s ，w h i c hc a l lr e a l i z ed a t a c o l l e c t i o n ，q u a n t i f i c a t i o np r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o n ，a n dh a sav e r yw r i d ed e v e l o p m e n ts p a c ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c t t h e s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nw s n ( z i g , b e es t a c k ) i nt h i sp a p e r m u l t i p a r a m e t e r , i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e , s a l i n i t y , d i s s o l v e do x y g e n ，p h ，t u r b i d i t y , a n dp r e s s u r e ，t e s t i n ga n dc o n t r o li s v e r yi m p o r t a n ti nt h ea q t i a c u l t u r e a tp r e s e n t ， w a t e ri n s t r u m e n t a t i o ni so f t e nb a s e do nr s - 2 3 2o rr s - 4 8 5i nc h i n aa q u a c u l t u r e i n d u s t r y h o w e v e r , w i r ec o m m u n i c a t i o nm o d ei sl i m i t e db yw i r i n g , i sd i f f i c u l ti nt h e s p e c i a le n v i r o m e n t ，i se x p e n s i v ea n dc a nn o ts a t i s f yt h el a r g e s c a l ef a m i n g s oan e w d e t e c t i o nm e t h o di sn e e d e dt or e p l a c et h ee x i s t i n gd e t e c t i o nm e t h o d s i nt h ep a p e r , w s ni su s e di nm u l t i - p a r a m e t e r , i ti s a d a p t e dt ot h em o d e ml a r g e - s c a l ef a c t o r y f a m i n g z i g b e ew s ni su s e df o rd a t ac o m m u n i c a t i o n i ta d a p tt oan u m b e ro fp a r a m e t e r n o d e sa n dw i d ed i s t r i b u t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h a n dm a r k e tv a l u e s e c o n d ，i td e s c r i b e sb r i e f l yt h eg e n e r a ld e s i g np l a n t h i r d ，t h e p a p e ra n a l y s i s e sd a t a i l e dt h e o r e t i c a la n dc i r c u i td i a q r a md e s i g no fm u l t is e n s o r a n d l a s tb u tn o tl e a s t ，i ti n - d e p t hs t u d y sz i g b e es t a c k m u l t i - p a r a m e t e rd e t e c t i o na n d z i g b e es t a c ka r ec o m b i n e da n dt h e s ec a nr e a l i z ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k e n dn o d ei s c o m b i n e db yc c 2 4 3 0s o ca n di tc a nr e a l i z ef i l e w o r ki n t e l l e c t i v ed e t e c t i o ni n s t r u m e n t t h ec o n t r o l l e ro fr o u t e ra n dc o o r d i n a t o ri sa l l c o m p o s e db yc c 2 4 3 0 ，a n dt h e c o o r d i n a t o rc a nr e a l i z em a n i f o l ef u n c t i o ni n c l u d i n gl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) o f f i e l d w o r k ，v i s i o nb a s i c6 0 ( v b 6 o ) o fl o n g d i s t a n c ei n s p e c t ，b u t t o nc o n t r o l l i n ga n d m u l t im e n u t h e s ec a nr e a l i z em u l t i p a r a m e t e ro ft e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y , d i s s o l v e d o x y g e n ，p h ，t u r b i d i t y , a n dp r e s s u r ea n do t h e r w i s ei n s p e c t t h es y s t e mp e r f o r m s s t e a d i l ya n de f f i c i e n t l y i n p r a c t i c a lt e s t ，a n di t c a l lb ee a s i l y a p p l i e dt o o t h e r m o n i t o r i n ga r e a s ，a n dah u g et e c h n o l o g i c a lu p g r a d i n gs p a c ea n dag o o dd e v e l o p i n g p r o s p e c t k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，c c 2 4 3 0 ， m u l t i - p a r a m e t e r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：右成参 导师签名： 多心易行 签字同期：矽0 年石月i o r签字同期：驯1 7 年易月i o f l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：专成春 日期：凹妒年占月i o 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 本世纪是信息技术高速发展的时代，无线通信是信息通信的一个重要分支。 现代无线通信主要有w i f i 、b l u e t o o t h 、u w b 和3 g 1 1 。这四种通信手段尽管各有 优点，但对于工业上多种传感器、家庭自动化控制等领域而言仍然存在功耗高、 价格昂贵等许多缺点。z i g , b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据 速率、低成本的无线网络技术；它是一种介于无线标记技术和蓝牙之问的技术方 案，主要用于近距离无线连接；它依据8 0 2 1 5 4 标准，在数千个传感器之间相互 协调实现通信【2 】。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将 数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。一般而言， 随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都会增加。相对于现有 的各种无线通信技术，z i g b e e 技术是最低功耗和最低成本的技术。同时z i g b e e 技术的低数据传输速率的特点，也决定t z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小的 业务。所以z i 9 8 e e 联盟预测主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车 自动化、农业自动化和医用设备控制等。2 0 0 2 年下半年，英 i n v e n s y s 公司、日 本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣 布，它们将加盟“z i g b e e 联盟，这一事件成为该项技术发展过程中的重要里程 碑【3 1 。到目前为止，除t i n v e n s y s 、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的 大公司外，该联盟大约已有1 5 0 家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半 导体生产商、i p 服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，例j t l h o n e y w e l l 、e a t o n 等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像m a t t d 之类的玩具公司【4 1 。所有这些 公司都参加开发z i g , b e e 物理层和媒体控制层技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 2 1 2 作组。 z i g b e e 技术的主要优势及其与蓝牙和w i f i 的比较。i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 从一开始就被设计用来构建包括恒温装置、安全装置和煤气读数表等设备的无线 网络。这是由其主要技术优势决定的： ( 1 ) 数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒匐j 2 5 0 k 字节秒，专注于低传输率方面 的应用。 第1 章绪论 ( 2 ) 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年， 免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免 收专利费。 ( 4 ) 网络容量大：每个z i g b e e l 网络协调器最多可支持2 5 5 个设备。 ( 5 ) 时延短：通常时延都在5 毫秒至3 0 毫秒之间。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 1 2 8 力n 密算法。 ( 7 ) 有效范围小：有效覆盖范围1 0 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大 小和各种不同的应用模式而定。 ( 8 ) i 作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 的i s m 频段( 即工业、科学和医用频 段，无需许可证，只需遵守一定的发射功率，一般低于1 w ，并且不要对其它频 段造成干扰即可) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) 。而不同频段可使用的 信道分别是1 6 、l 、1 0 个，在中国采用2 4 g 频段是免申请和免使用费的频率。 与之相反，蓝牙技术基本上只是作为有线的替代品，经常是为手机和附近的 耳机或p d a 联网用的，它在不充电的情况下只能工作几周。一般情况下，蓝牙设 备需要人手工配置和维护网络连接，它可以用来有效地处理8 个设备( 一个主设备 和7 个从设备) ，如果更多的话，通讯速率则显著下降。而8 0 2 1 1 ，也被称作w i f i 也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方 案，但它的功耗却非常高。根据市调机构h i s t a t m d r 的预测，全球z i g b e e 市场在 2 0 0 4 年至2 0 1 0 年，将以平均2 0 0 的年复合增长率( c a g r ) 快速扩张，出货量则能 在2 0 1 0 年达到1 5 亿套，商机庞大【5 1 。 1 1 1 国外无线传感器网络的发展现状 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代木期。国际上，19 9 9 年和2 0 0 3 年著名 的美国商业周刊和m i t 技术评论t e c h n o l o g y r e v i e w 在预测未来技术发展的报告 中，分别将其列为2 1 世纪最具影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大新技术之一【6 】。 国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行 了研究和丌发。 1 9 9 5 年美国提出了“国家智能交通系统项目规划”【7 】。 2 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 0 年1 2 月份i e e e 标准委员会正式批准并成立了8 0 2 1 5 4 工作组，任务就是 开发一个低功耗、低数据传输率的w s n 标准【8 1 。 2 0 0 2 年美国英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规 划 【9 】。 2 0 0 4 年3 月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统【1 0 】。该系统通 过在鞋、家具以及家用电器等设备中嵌入半导体传感器，帮助老年人以及残障人 士的家庭生活，利用无线通信将各种传感器联网可高效传递必要的信息，从而方 便病人接受护理。 2 0 0 4 年1 2 月z i g b e e 联盟通过t z i g b e e l 0 ( 也称z i g b e e 2 0 0 4 ) 标准，之后于2 0 0 5 年9 月公布并提供下载【l l 】。 2 0 0 6 年1 2 月，z i g b e e 联盟又推出t z i g b e e l 1 ( 也称z i g b e e 2 0 0 6 ) 版。z i g b e e l 1 较原有的z i g b e e l 0 作了较大的改进，增 j h 7 z c l ( z i g b e ec l u s t e rl i b r a r y ) 、集团装 置( g r o u pd e v i c e ) 、多播( m u l t i c a s t ) 功效以及更丰富的网络拓扑，并且可以直接通 过无线方式( o v e rt l l ea i r ，o t a ) 进行组态配置和软件更新【1 2 1 。此外还移除了 k v p ( k e yv a l u ep a i r ) 的信息格式。 2 0 0 7 年1 2 月，z i g b e e 联盟又新推出t z i g b e e 2 0 0 7 ，制定出z i g b e ep r of e a t u r e s e t ( 简称z i g b e ep r o ) 的标准，对z i g b e e 协议进行了重大升级，加强了对家庭自动 化( h o m ea u t o m a t i o n ，h a ) 、建筑商业大楼自动化( b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，b a ) 和 高级抄表结构( a d v a n c e dm e t e ri n f r a s t r u c t u r e ，a m i ) 3 种应用类型的支持【1 3 】。同时 在自动跳频和支持更大的网络，更高级的路由算法等方面进行了改进和提高。 z i g b e e 是刚刚发展起来的很有市场潜力的一种技术，它是为了满足低功耗、 低成本的无线传感器网络的要求而诞生的。z i g b e e 能在低成本设备( 固定、便携 或可移动的) 之间进行低数据传输率的传输，它使用的频段是无需许可的，进一 步降低了成本，它非常适合在一个有限的范围内进行数据通信。目前，各大国外 i c 厂商纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，在芯片方面主要有：t i ，f r e e s e a l e 的 m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 ，m i c r o c h i p ，e m b e r 的e m 2 5 0 、e m 2 6 0 ，j e n i c 的j n 5121 ，c h i p c o n ( 现已被t 1 收购) 的c c 2 4 2 0 、c c 2 4 3 0 、c c 2 4 31 、c c 2 5 3 0 、 c c 2 5 3 1 、c c 2 4 8 0 等。目前已有多款单芯片( 将m c u 和射频收发器集成在一起的 芯片) i 约z i g b e es o c 解决方梨1 4 1 。协议方面主要有z s t a c k $ t l m i c r o c h i p z i g b e e 扔) ) 3 第1 章绪论 议栈等。在z i g b e e 产品的开发上，国外的大公司一直走在前列：韩国s k t e l e c o m 公司推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为e m b e r 公司提供的z i g b e e 无线 技术；丹麦的n e s a 公司将凭借飞思卡尔半导体的z i g b e e 平台在欧洲为自动读表 系统部署第一套支持z i g b e e 的系统；美i 重l c o m p x s 公司已经成功开发出了可在电 脑外设上使用无线通信规格z i g b e e 的u s b 适配器，这种适配器嵌入了i 妇c o m p x s 与日本冲电气工业共同开发的z i g b e e 单芯片收发i c 【1 5 】。目前国外可提供z i g b e e 芯片的厂商包括德州仪器( t i ) 、e m b e r 、飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 、h o n e y w e l l 、三菱 ( m i t s u b i s h i ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、飞利浦( p h i l i p s ) 、i t r o n 、西门子( s i e m e n s ) 以 及三星( s 锄s l l i l 曲等【1 6 1 。 1 1 2 国内无线传感器网络的发展现状 国内关于传感器网络的研究起步晚，这方面的工作也较少，但目前已越来越 受到重视。国家发展改革委办公厅下发的“关于组织实施下一代互联网示范工程 2 0 0 5 年研究开发、产业化及应用试验的通知中己经将传感器网络( i p v 6 、无线 传感器网络节点等) 及家庭网络( 面向数字家庭的网络处理器芯片及家庭网关等) 列为支持的重点【1 7 1 。我国的一些高校与研究机构也积极开展无线传感器网络的相 关研究工作，主要有清华大学，中科院软件所，浙江大学，哈尔滨工业大学，国 防科技大学等。 国内目前在芯片方面有台湾达盛公司( u b e c ) 开发出自己的芯片u z 2 4 0 0 ， 而更多的公司是在已有芯片的基础上进行二次开发，或者直接使用其它公司的产 品【l 引。目前很多大学和研究所也纷纷开始t z i g b e e 产品的研究，其中有中科院、 清华大学、武汉大学、山东大学等等。 台湾资策会网络多媒体研究所目f i i j 贝j j 锁定z i g b e e 的协议栈( p r o t o c o ls t a c k ) 软 件开发，希望结合z i g b e e , 芯片供应商推出全套的解决方案，在各种家庭电子设备 控制、建筑物照明与能源监控、社区安全防护、医疗照护等方面有所应用【1 9 】。 1 2 课题研究的背景 本文以无线传感器网络在工厂化水产养殖监控系统中的应用研究为背景，针 对目前工业设备监测中使用有线方式采集传感器数据所存在的安装、维护困难的 4 江苏大学硕士学位论文 问题，使用无线传感器网络技术实现工农业设备的无线监测，研究并实现了一种 基于c c 2 4 3 0 无线多参数传感器网络的新型监测系统，对水环境中的各项参数进 行实时远程监控。因此将无线传感器网络和工农业水环境监测相结合具有重要的 研究意义和市场价值。 传统用于工农业水环境监测的系统由布设在监测区域内的传感器将各种监 测量( 如：温度，盐度，p h 等) 通过有线的方式与监控系统相连接，将模拟信号 转换成数字量后进行存储、分析和显裂2 0 1 。这种传统的方式会面临许多问题。采 用有线方式连接传感器，当传感器数目增加时，大量连线增加了系统成本和现场 安装、维护的困难；对有些场合，如旋转部件、油库等，往往会限制布线和供电 而难以监测数据。如果将传感器网络技术应用于现场数据采集，将监测点的数据 通过无线的方式发送到协调器节点，再由协调器节点通过有线网络发布数据【2 1 1 。 这样在传统设备监测系统的基础上，几乎不需要做任何改动，就可以实现对监测 区域的有效监测，同时减少了施工和维护的成本。 1 3 课题研究的意义 随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，已经由p c 时代和网络时代，进入了后p c 时代【2 2 1 。更小、更方便的低功耗计算设备冲破了 传统台式计算机和高性能服务器的设计模式。微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统( s y s t e r n o n c h i p ，s o c ) t 2 3 1 。无线传感器网络就是在上述技术基础上形成的信息获取及 处理技术。目i j 无线传感器网络已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支，己 经引起了学术界和工业界的高度重视，被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响力的技 术之一。通过无线传感器网络，一方面可以提高生产效率和安全性，降低生产成 本，另一方面还可以降低劳动者的生产强度，提高管理水平，从而带来巨大的经 济效益和社会效益。z i g b e e 是近年来出现的面向低成本设备无线传感器网络要求 的技术，它是种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术。它的应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自 动化和医用设备控制等。这项技术的核心是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组制定。高层应 用、互联互通测试和市场推广则h q 2 0 0 2 年组建的z i g b e e 联盟负责。众多的半导体 5 第1 章绪论 商瞄准t z i g b e e 市场，标准刚推出不久，符合该协议标准的芯片就已经面世，有 单芯片解决方案，也有多芯片解决方案。可以预计，z i g b e e 将在监控和自动化领 域有广阔的应用前景。对石油开采设备的监控，呈现出数据量少、电源供应不方 便、需要监控的设施呈簇型分布等特点，这是一种有典型意义的监控网络。抽油 机则是石油开采中的重要设备之一，它工作是否正常决定着整个油井是否能安全 的开采出石油【2 4 】。这就需要准确而又及时的对设备运行的各项数据进行收集，然 后结合有关的资料对数据进行分析，从而判断设备是否正常运行。如果使用人工 抄表的方法或者监控不得力，势必影响设备监控与数据采集的实时性和准确性。 因此，将z i g b e e 技术应用于该监控系统中，并采用合适的设计方案，对保证石油 正常的开采具有极其重要的意义【2 5 1 。本文讨论的系统基于下述观点，即以计算机、 z i g , b e e 模块为基础，对工厂化和大规模水产养殖进行监控可大大提高监控效率， 降低综合成本，实现工厂化和大规模水产养殖的自动化、信息化。为了达到这个 目标，应用z i g b e e 技术对其进行监控，对于及时准确地掌握生产状况，防止设备 损坏，强化内部管理，降低成本，提高效益都有非常重要的意义。 1 4 本课题的主要方面 本课题来源于江苏省科技攻关项目( 总线化智能多参数高精度检测与控制仪 表) ，研制了一套基于c c 2 4 3 0 的无线多参数传感器网络。 本课题的研究目标是实现水环境多种参数的精确测量并实现无线组网，实现 下位机的液晶显示、键盘监控，上位机的v b 显示和监控。在研究和实现系统的 过程中，主要的技术要点体现在以下几个方面： ( 1 ) 深刻理解水环境各个参数测量传感器的工作原理，研究相关检测方法， 设计性能可靠的信号调理电路。 ( 2 ) 温度、盐度、溶氧、浊度等传感器电路的硬件设计。 ( 3 ) 无线多参数传感器网络的软件设计。 ( 4 ) 理解z i g b e e 协议的设计思想和网络运行与调试，需要认真研究z i g b e e 协 议在c c 2 4 3 0 芯片上的实现以及外设的驱动如何嵌入到协议中去。 ( 5 ) 人机界面的设计。 ( 6 ) 实验室的处理与分析。 6 江苏大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先对无线传感器网络进行了简略概述，接着描述了无线传感器网络在 国外和国内方面研究现状，分析了无线传感器网络的发展趋势和研究意义，阐述 了本文研究的无线多参数传感器网络。本文综合水环境多参数监测系统及无线传 感器网络的特点，给出了研究的主要内容。 7 第2 章系统总体设计方案 第2 章系统总体设计方案 本文总体设计要实现基于c c 2 4 3 0 无线多参数传感器网络的水环境监测系 统。首先传感器设备对水环境中的参数( 如温度、盐度、溶氧、p h 值、浊度等) 进行采样、转换、处理，然后将数据通过支持z i g b e e 协议的无线单片机c c 2 4 3 0 发送出去，最后c c 2 4 3 0 接收发出来的数据并在上位机和l c d 上进行实时显示。 2 1 系统设计要求 本文设计的无线多参数传感器网络基于z i g b e e 协议，这样就能保证系统在通 信时能够可靠而且稳定；其次，需要考虑到系统性能的升级或功能的扩展。基于 以上两点的考虑，在进行系统设计要遵循以下几方面的原则： ( 1 ) 系统性能指标。要保证系统性能，如采样速率、数据分辨率和精度等等。 主要应考虑系统输入信号的特性，如输入信号的通道数、信号的强弱及动态范围 等等。此外还需要考虑数据量的大小、数据传输的速率、无线通信的距离、存储 器的容量等因素。 ( 2 ) 系统结构。首先是硬件、软件功能的合理分配。要尽可能“以软代硬 ， 只要软件能做到的就不要用硬件；另外要考虑系统的布局及接口的特性。 ( 3 ) 系统抗干扰能力。由于工作环境的特殊性，以及系统结构设计、元器件 选择等因素，数据将受到来自系统内部和外部的各种电气干扰，因此提高系统的 抗干扰能力，保证系统的可靠性是系统设计的重要方面。 ( 4 ) 系统功能的扩展。实现了系统的功能和指标后还需要考虑系统的性能升 级和功能扩展。随着研究的深入，对系统功能和性能的要求也会提高。因此，在 设计系统的时候，硬件和软件应留有一定的扩展余地。 2 2 水环境多参数监测系统的特点 水环境多参数监测的特殊性决定了采用多点检测的必要性。因此，在监测范 围内应尽可能得到更全面、更精确、更实时的有效数据。设置多个检测点，合理 安排每个检测点的参数是很有必要的。为了达到监测系统的要求，当部分检测点 江苏大学硕士学位论文 出现损坏的时候，要通过其他检测点继续得到有效数据，从而不影响整个区域的 监测。 每个检测点前端有各种精密的传感器设备获取检测对象各方面的特征信号， 这些信号都是模拟量，需要转化成为数字信号。为了保留更多的有效信息，需要 提高采样的速度和精度。这对采集模块的a d 转换器、核心控制器、存储器都有 很高的要求。 无线传感器网络采用无线通信的方式进行数据传输，很适合应用于水环境的 多参数监测【2 6 1 。监控中心需要得到监测区域中的各种参数信息，用于进一步的研 究和实践。因为监测对象的特殊性，以及较大范围的检测环境，工作人员亲历现 场很不方便，但对于检测点来说，距离现场距离越近，那么得到的检测数据也就 越准确、越可靠，更有利于进一步研究。采用远程监控的方式可以很好的解决这 样的矛盾，而有线方式由于其布线难度和维护难度较大会带来很多旋工困难和设 备成本，因此无线通信技术是非常好的选择。本文设计的水环境多参数监测系统 综合应用了无线传感器网络技术，实现对水环境多参数的实时监测，既满足了工 农业生产的需要，又解决了传统监测手段的种种不足因素。 2 3 系统整体方案 2 3 1 布局结构 根据水环境多参数监测系统的特点，系统采用多点采集的分布式系统，这样 可以从不同位置对参数进行监测，得到更多的检测信息。各终端设备分布在监测 区域内进行参数检测，协调器是系统传输和控制的核心，通过无线的方式与其他 终端设备通信，控制终端设备的工作，获取终端设备采集的信息和数据。在路由 器的有效通信范围之内，终端设备节点的位置可以根据需要调整。基于z i g b e e 协议的无线传感器网络的总体结构如图2 1 所示。 9 第2 章系统总体，计方案 弛a * q 肼 。驰瞻蹬自a 盯n o 驹耻滞 一l 2 32 协调器节点设计 * o o 图2 一i 基于z l g b 协议的克线侍感器网络图 协调器肖点是系统的控制巾心，主要由无线通信模块、微控制器、键盅和液 晶轻示组成( 本文巾无线通信模块和微控制器是集成在一起的，b c c 2 4 3 0s o c ) ， 其结构框图如图2 2 所示。 、? 辱_ ：；| # g 。争节丽硒k 厂j i 目 1l ：m 图22 协调器节置系统框围 协调器竹点通过正线通信模块拄；训终端竹，1 的数据采集，外川泄品社1 i 收蜒 的数槲，嗣时将收集到的数抛通过：”行数据总线传送给f ：位机。其t | ，水文们l 仳机川v b b0 提 一个友妻f 的舱拄羿而，h 体清见粥4 啦的人机界血l 。 7， ，迥 一、 净： o o 、o 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 终端节点设计 终端设备节点是数据采集的最前沿，对被测对象的参数进行采集，然后将采 集到的参数信息传输出去，其结构如图2 3 所示。 图2 3 终端节点系统框图 传感器采集被测对象的一些特征信号，这些信号都是模拟量，最多可以采集 8 路信号。微控制器是节点的控制核心，负责数据的处理和收发；无线收发单元 与传感单元通信，把传感器采集的信息发送出去。 2 4 组网设计 整个监测系统可以分成若干个子系统，各个子系统根据实际的要求设计自己 的网络结构，若干子系统有机的组合在一起形成一个覆盖整个监测区域的完整系 统。基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的网状结构网络是一种多跳的拓扑结构，可以 实现网络各节点之间的点对点传输 2 7 1 。这种结构相互连接形成网状，网络非常健 壮，容错能力较强，在个别链路和终端节点失效时，会重新选择路径传输，传输 距离和可靠性也比其他结构网络强，但同时功耗也较大。在实际应用中应综合考 虑系统要求，选择一种混合型的网络结构，以达到既能满足实际应用的要求，又 能节省成本，降低能耗，延长整个网络的使用寿命。 2 5 本章小结 本章简要阐述了系统设计的原则和水环境多参数监测的特点，提出了系统整 体设计的方案( 包括系统的布局结构，传感器节点、汇聚节点以及根据实际构建 成各种网络拓扑) 。 第3 章系统硬件电路设计 第3 章系统硬件电路设计 3 1 硬件系统设计概述 水环境多参数监测系统由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模 块的节点组成【2 8 】。无线传感器网络具有分布式处理带来的高精度、高容错性、大 覆盖区域、可远程监控等很多优点。网络中节点的硬件设计要求成本低、功耗小、 工作时间长。因此，在单个节点的设计上，一方面硬件必须低功耗，采用无线传 输；另一方面软件必须支持多跳路由协议。为了减小硬件设计的复杂度以及提高 射频通信系统的稳定性，本文硬件系统设计采用t i 公司的c c 2 4 3 0s o c 芯片作 为微控制器，该芯片完全符合i e e e8 0 2 1 5 4 所定义的物理层及m a c 层标准， 是首批通过z i g b e e 联盟认证的标准芯片。 硬件系统主要由传感器模块、调理电路、c c 2 4 3 0 单片机和电源模块四部分 组成。系统还包括液晶显示、键盘控制、r s 2 3 2 接口与上位机v b 监控画面相 连。系统硬件框图如图3 1 所示。 o c 2 4 3 0 图3 - 1 系统硬件框图 1 2 江苏大学硕士学位论文 3 2 温度模块设计 3 2 1p t l 0 0 简介 p t l 0 0 ( 铂热电阻温度传感器) 具有精度高、测温范围宽、使用方便等优点， 在检测系统中得到了广泛的应用【2 9 1 。当测量范围不大( 元件长度和截面随温度改 变引起的阻值变化可以忽略) 时，热电阻元件的阻值随温度变化可以认为是线性 的，可用公式( 3 1 ) 表示： r - - d r ( 1 + a t + b t 2 ) ( 3 1 ) 其中r 表示0 。c 时，p t l 0 0 的电阻值i o oq ，r 表示to c 时p t l 0 0 的电阻 值，a = 3 9 0 8 0 2 x 1 0 。dc ，b = - 5 8 0 1 9 5 x 1 0 - 7 dc 。经过理论计算p t l 0 0 在 0 , - - - 5 0 0 摄氏度区间的非线性误差为1 2 9 0 9 ，在0 1 0 0o c 的非线性误差为o 1 。 在本文的测量范围之内，可以按线性处理。 3 2 2 温度检测系统电路原理 p t l 0 0 采用三线制接法，通过一个等臂电桥，把p t l 0 0 随温度变化而引起的 电压变化送到一个差分放大电路【3 0 】，信号经过放大反相后可得到一个在0 , - 一1 0 0 o c 内，范围为0 - - - - 2 4 3 v 的电压，这样就可以接入c c 2 4 3 0 进行a d 转换了。如 图3 2 所示，其中的放大器i c l 0 1 接的电源为正负1 2 v 。 a 帕 图3 - 2 温度检测电路原理图 第3 章系统硬件电路设计 考虑到电桥的敏感性，对元器件的要求比较高，两个臂上的电阻r 1 0 1 、r 1 0 2 和r 1 0 3 要选择高精度的电阻。为了调试方便，实验中把r 1 0 3 和r 1 0 4 分别换为 5 k q 和2 0 k q 的可调电阻。首先，在0o c 时，p t l 0 0 的阻值为1 0 0 i f 2 ，调节r 1 0 3 使得电路的输出电压为o v ；而后，在1 0 0o c 时，p t l 0 0 对应的电阻值约为1 3 8 f l ， 调节r 1 0 4 使得输出为2 4 3 v ，这样就可以对其他温度值时的电压进行标定了。 实验表明用这种方法对温度的标定带来了很大的方便。 3 2 3 温度的标定 根据多次的实验数据，使用直线法得出的方程比较理想，表3 1 是一组测得 的实验数据： 表3 - 1 温度与a d 值对照表 温度 2 5 3 03 54 0 4 5 5 05 56 06 57 07 58 0 ( o c ) d5 7 56 7 47 7 2 8 7 81 0 0 3l l l 6 1 2 1 81 3 4 0 1 4 6 6 1 5 8 71 7 1 2 1 8 3 5 ( m v ) 由该组数据可得到一条直线方程为：r = 4 0 * d 1 1 6 0 0 。其中，r 为温度值，d 1 为a d 转换得到的电压值。图3 3 是由该组数据得到的曲线图，由图可见该方程 在测量范围之内是比较合乎线性的。 4 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 2 0 0 0 a d 转换位( m v ) 图3 - 3 温度与a d 值对应曲线 1 4 加 加 p v 赵寤 江苏大学硕士学位论文 3 3 盐度传感器模块设计 交流分压法测量电源采用r c 桥式正弦波信号发生器，产生一定频率和幅值 的正弦信号。而测量电源的频率主要由电导池的极间电容和电阻决定。在测量低 电阻电导池时，如果频率太低，则会由于电流密度大而产生一定的极化效应，这 时应采取较高的频率，如l k h z ，以使在电极表面的氧化还原反应迅速交替进行， 可消除或减小极化效应产生的测量误差；但在测量高电阻电导池时，由于电导池 电容的影响而不能用较高的工作频率，否则会产生容抗误差【3 。这时应采用较低 的工作频率，如5 0 , - - 15 0 h z 。 此外，电源的输出波形是否稳定对测量精度影响较大。因此，在电路设计中 采取了稳幅措施。当v o 幅值很小时，d l 和d 2 相当于开路，由r 5 、d l 和d 2 组成 的并联支路的等效电阻近似为r 5 。反之，当v o 幅值较大时，d l 和d 2 导通，由 r 5 、d 1 和d 2 组成并联支路的等效电阻减小，a v 随之下降，v o 的幅值趋于稳定。 传感器与分压电阻串联接入电源两端，由于不同浓度的盐溶液导电性不 同，电极两端反映的电阻值不同，从而分压电阻两端的分压值不同。由于测量电 源的频率选择1 0 0 h z ，属于低频范围，而实际测量过程中由分压电阻两端出来信 号有可能夹杂高频噪声，为了不产生测量误差，在信号放大之前必须