（系统分析与集成专业论文）基于无线传感网络的太阳辐射计的研究.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 几乎所有气象学问题都与辐射能的收支有直接或间接的关系，而对太阳辐 射的测量可用于研究地球大气系统中的能量转换及随时间和空间的变化；研究 净辐射、出射以及放射的分布变化。因而对太阳辐射的测量是气象观测的重要 组成部分。 太阳辐射计是用来测量太阳辐射强度的仪器。本文旨在研究一种便于携带、 低成本、高精度的新型太阳辐射计。目前，国内对太阳辐照度等此类气象数据 的传输主要采用有线通信的模式，甚至有些地区仍依靠人工观测来采集数据， 其观测时效慢，观测密度小。此外，无论是国内还是国外生产的太阳辐射计，都 存在价格较高，功耗较高的问题。为了解决上述问题，本论文主要工作是将 z i g b e e 无线通信技术以及一款高精度的a d 转换器运用在太阳辐射计检测电路 中，为太阳辐射计的低成本、高精度以及数据采集网络化传输奠定基础。 本文首先介绍了太阳辐射计的测量方法，然后根据对国内外辐射测量仪器 性能的分析，对太阳辐射计进行了总体结构的设计。 本文中的太阳辐射计作为无线传感网络中的传感器节点，硬件部分以 j e n n i c 5 1 2 1 芯片为微控制器，对太阳总辐射值和环境温度值进行采集、处理， 并通过z i g b e e 无线网络将数据发送到主节点，由上位机对采集到的数据进行分 析、存储。软件部分主要是包括了传感器节点数据采集、传感器节点初始化、 传感器节点数据发送、传感器节点数据接收等部分。 关键词：太阳辐射，a d s l 2 1 8 ，z i g b e e 协议 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l m o s ta l l m e t e o r o l o g yp r o b l e m sh a v ed i r e c to ri n d i r e c tr e l a t i o n sw i t ht h e p a y m e n t so fr a d i a t i o ni nb a l a n c e m e a s u r e m e n t so fs o l a rr a d i a t i o nc a nb eu s e dt o s t u d yt h ee a r t h - a t m o s p h e r es y s t e mi nt h ee n e r g yc o n v e r s i o na n dt h ec h a n g ew i t h t i m ea n ds p a c e ；i tc a nb eu s e dt or e s e a r c ht h ed i s t r i b u t e dc h a n g eo fn e tr a d i a t i o n ，e x i t r a d i a t i o na n dt h ee r a d i a t i o na sw e l l i ti sa ne s s e n t i a l p a r to fm e t e o r o l o g i c a l o b s e r v a t i o n s s u np h o t o m e t e ri sak i n do fi n s t r u m e n tt h a ti su s e dt om e a s u r et h ei n t e n s i t yo f s u nr a d i a t i o n t h ep r e s e n tr e s e a r c ha i m st oi n t r o d u c eac o m p l e t e l yt y p eo fs d l l p h o t o m e t e rw h i c ha r ep o r t a b l e ，h i 曲p r e c i s i o na n dl o wc o s t a tp r e s e n t ，t h em o d e lo f c a b l ec o m m u n i c a t i o n si st h em a i nm e a n so ft r a n s m i t t i n gt h er a d i a t i o nv a l u ea n d o t h e rm e t e o r o l o g i c a ld a t ai nd o m e s t i ca n de v e na r t i f i c i a lo b s e r v a t i o n ，i n e f f i c i e n ta n d o fl o wd e n s i t y , i ss t i l lu s e di ns o m ea r e a s b e s i d e s ，s o m ep r o b l e m sl i k eh i 曲p r i c e a n dp o w e rc o n s u m p t i o ns t i l le x i s ta tb o t hh o m ea n da b r o a d t h e r e f o r e ，a i m i n gt o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，w eu s ez i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n da h i g h - p r e c i s i o na dc o n v e r t e ri nd e t e c t i o nc i r c u i to fs u np h o t o m e t e rs oa st or e a l i z e h i 曲p r e c i s i o n ，l o wc o s ta n dt r a n s m i tt h ec o l l e c t e dd a t av i an e t w o r ka n ds o l v et h e a b o v ep r o b l e m ss u c c e s s f u l l y t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ep r i n c i p l e so fs u np h o t o m e t e ra n dt h ed e t e c t i o n m e t h o d s o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rr a d i a t i o nm e a s u r i n g i n s t r u m e n t sa th o m ea n da b r o a d ，t h et o t a ld e s i g no fs u np h o t o m e t e rw i l lb ed e s i g n e d t h ed e v e l o p m e n to fs u np h o t o m e t e rb a s e do nz i g b e ec h i l dn o d ei si n t r o d u c e d t h i s d e v i c ec a nd e t e c tt h et o t a lr a d i a t i o n ，t e m p e r a t u r eb a s e do nj e n n i e 5121a n dt h e ns e n d t h ed a t ab yn e t w o r k t h es o f t w a r ec o m p o n e n to fc h i l dn o d eo ft h es e n s o ri n c l u d e d a t ac o l l e c t i o n 、i n i t i a l i z a t i o n 、d a t as e n ta n dd a t ar e c e p t i o n k e yw o r d s ：s u np h o t o m e t e r , a d s l 2 18 ，z i g b e e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：趣j 盔 签字日期： 兰丝：笪：! z 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 d 公开口保密(年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵守此协 议) 学位论文作者签名：盈坠唔 签字日期：塑色：五：12 指导教师签名：享名街签字日期：喜钳幽 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 辐射过程是地球气候系统中最重要的物理过程之。地( 球) ( 大) 气系统的辐射收支 决定了长期的全球平均状况；太阳辐射能和热辐射能在大气中的辐合( 辐散) ，形成非绝热 热源( 冷源) ，造成大气水平和垂直层结的不稳定。从这种意义上来说，地球气候系统就是 在辐射过程造成的不稳定与动力过程使系统趋于稳定的相互作用中演化的。人类活动所造 成的大气成分变化，例如大气温室气体和对流层气溶胶的增加，以及自然原因( 例如火山 喷发和太阳变化) 对气候系统的扰动，首先是对大气辐射场的扰动。 辐射就是以电磁波和粒子形式向周围发射和传递能量的一种方式。辐射既具有无线电 波的波动性，又具有一定质量、能量和动量的微粒子性。这些粒子称为量子或光量子，任 何温度在绝对零度以上的物质都发射和吸收着辐射。发射辐射的物质称为发射体，辐射及 其物理过程是一种基本物理现象。几乎所有气象学问题都与辐射能的收支有直接或间接的 关系，通过对辐射值的测量可得到各个波长的大气光学厚度，还可以计算整个大气层中污 染气体分子的总含量；太阳辐射测量还可用于研究地球大气系统中的能量转换及随时间和 空间的变化；研究净辐射、出射以及放射的分布变化。因而对太阳辐射的测量是气象观测 的重要组成部分。 气象辐射现用的比较规范的单位和量纲是世界气象组织最新推荐的“辐照度”，基本 单位为w m 2 和“辐通量”，基本单位为j m 2 。在气象学中，就根据波长的不同，常把太阳 辐射叫做短波辐射，而把地面和大气辐射叫做长波辐射。太阳辐射的光谱可以划分为几个 波段，波长短于0 4 t m 的称为紫外波段，0 4 9 m 加7 5 m 为可见光波段，而波长长于 o 7 5 m 的则称为红外波段，它还可以细分为近红外( 0 7 5 m - 2 5 m ) 和远红外 ( 2 5 m 1 0 0 0 m ) 两个波段【2 】。 在2 l 世纪，气象观测技术得到飞速发展，气象要素的测量也将迅速达到快速、准确、 可靠、节能的水平。气象仪器的自动化，检定方法的标准化和气象数据分析、预报的科学 化进程也将越来越快。随着气象检定仪器向着精密化、自动化、网络化的方向发展，一些 多功能、高灵敏度、高智能化、低功耗的气象仪器不断出现并被广泛应用。基于无线传感 网络的太阳辐射计的研究代替了传统的人工观测，实现了气象数据采集的网络化传输，不 仅提高了工作效率，降低了功耗而且减少了观测人员的主观误差。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 太阳辐射计的种类 对太阳辐射值进行测量的仪器主要可以分为总辐射表、直接辐射表以及净全辐射表。 国外研制太阳辐射值测量仪器比较著名的有美国、澳大利亚以及意大利等一些公司。 1 t e i 配s 1 太阳辐射计 v h s 1 主要功能是通过测量直接太阳辐射来测量薄雾，还可以测量出宇宙常数、气溶 胶光学厚度等。该仪器原理简单，所需要的原材料少，制作也很简单。 2 s p 0 1 太阳辐射计 s p 0 1 和s p 0 1 - a 由澳大利亚气象局研制，s p 0 1 太阳辐射计用于窄带频谱太阳辐射值测 量。 3 s p u v - 6 1 0 太阳辐射计 s p u v 太阳辐射计是美国y a n k e e 环境系统公司生产的一种精确太阳辐射计，它最多能 在u v - b 和可见光区域的1 0 种波长处测量直接太阳光谱辐射；它超过了w m o 规定的太阳 辐射计的技术指标，而且是第一台商用的能测量u v - b 区域窄带的太阳辐射计；在测臭氧厚 度或大气混浊度时，要求测量太阳频谱中的分离光谱线，s p u v 能达到扫描分光辐射谱仪的 准确度，却只需要其一部分花费以及更少的间接维护费用。 s p u v 可用于长期现场操作，它完全封闭，保持干燥：所有对温度敏感的元件都放在 温控的外壳内，保证他们不受周围温度的影响；s p u v 还是多用途的仪器，可以配置6 个 或l o 个不同波长的通道；另外，s p u v 模块化的设计使得仪器可以在现场增加或减少独立 的通道。 4 便携式自动太阳辐射计 国内研究生产的太阳辐射计是由中科院安徽光学精密机械研究所大气光学研究室研制 的d f h 系列太阳辐射计。它主要由跟踪台和控制箱组成，并通过串口与外部计算机联系， 其主要功能是测量太阳直接辐射和散射辐射的光谱特性。其整体外观如下图所示： 2 南京信息工程大学硕士学位论文 图l i 便携式自动太阳辐射计 5 1 b q - 2 - b 总辐射表 t b q - 2 一b 总辐射表是由中国华云技术开发公司研制生产的，其主要是用来测量渡睦范 围为o3 3 微米的太阳总辐射。如果感应面向下还可测量反射辐射，也可用于测量入射到 斜面上的太阳辐射。 1 3 本文的研究工作 对于无线传感网络的太阳辐射计的研究主要分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件 设诗部分以微控制器j e n n i c 5 1 2 1 为核心，利用a d 转换芯片a d s l 2 1 8 ，设计出一种精度高、 低成本的新型太阳辐射计，该太阳辐射计具有对p s p 型精密总辐射传感器输出的电压信号 进行a d 转换处理成要观测的辐射值，并利用无线传感网络将辐射值传输至协调器节点 的功能。软件部分利用是j 朋面c 公司提供的c o d e ：b l o c k s 这个开发平台进行软件开发的9 】。 本论文在详细阐述了太阳辐射测量方法以及无线传感网络的总体框架基础上将工作分 为两大部分： n ) 系统的硬件设计 首先对无线传感器网络的太阳辐射计进行总体硬件设计，对具体实现电路( 供电模块、 数据采集模块、数据处理模块、通信模块) 进行详细的分析与设计，所设计的太阳辐射计 能及时并准确的番4 量到太阳总辐射值，经数据处理后将数据传送给主节点。 ( 2 ) 系统的软件设计 整个系统的软件开发是在j e n n i ec o d e ： 采用模块化程序设计方法，根据系统的功能， 括传感器节点数据采集、传感器节点初始化、 b l o c k s 集成开发调试环境下完成的。设计中 将软件分成若干个功能相对独立的模块，包 传感器节点数据发送、传感器节点数据接收 南京信息工程大学硕士学位论文 等几个部分。 在论文最后分析了误差的来源，并分别从数据线性化处理、辐射传感器夜间热偏移的 订正以及整机p c b 的设计这几个方面对太阳辐射计的误差处理作了详细的论述。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章z ig b e e 技术概述及zig b e e 协议栈 随着2 1 世纪社会经济的发展，人们对能够随时提供信息服务的移动计算机和宽带无线 通信的需求越来越迫切。随之而来的无线通信相关的新技术和便携式终端层出不穷。对于 多数无线网络而言，无线通信应用的目的旨在提高所传输数据的速率和传输距离，而在诸 如汽车电子、商业监控、环境监测、气象观测等领域中，这些无线传感网络就存在系统所 传输的数据量小，传输速率低、功耗大、组网能力差等缺点。m e e 8 0 2 1 1 、蓝牙、w i f i 等协议虽各有优势，但并不能完全满足无线传感器网络的需求。z i 曲技术就是在这种背 景下产生的，它为无线传感网络中的传感和控制设备之间的通信提供了一个很好的解决标 准【4 】o 2 1zig b e e 技术概述 z i 曲e e 技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术，z i g b e e 被业界认为是最有可 能应用在安全系统、工业监控、传感器网络等领域的无线通信技术。它功耗低、成本低、 易应用，2 4 g h z 是其主要频段，采用扩频技术。使用普通干电池的z i g b e e 无线传感器能 够持续运行2 3 年的时间。并具有优秀的组网能力，其网络容量大，网络节点最大可达到 6 5 5 3 5 个，但数据交换量小，传输速率不高。在通信时，它的连接时间短，可大大减少通 信数据碰撞的概率。在网络安全方面，它对所传输的数据信息进行加密处理，安全性高。 根据z i g b 技术的特点，它的应用领域已经扩展到工业控制、农业自动气象观测、家庭和 楼宇自动化等。 z i g b e e 技术是建立在e e 8 0 2 1 5 4 标准上的【5 】，采用p h y 和m a c 规范，并在其基 础上加入网络功能形成的。砸e e 8 0 2 1 5 4 标准是针对低速无线个域网( l r - w p a n ) 制定标 准。该标准把低能耗、低速率传输、低成本作为重点目标。 2 2zig b e e 协议栈 z i g b e e 协议栈虽然是基于标准的七层开放式系统互联( o s i ) 模型，但仅对那些涉及 z i g b e e 的层予以定义。m e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了最下面两层：物理层( p h y ) 和介质 接入控制子层( m a c ) 。z i g b e e 联盟在此基础上建立了网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 5 南京信息工程大学硕士学位论文 框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层、z i g b e e 设备对象和由制造厂商制定 的应用对象。 2 2 1z i g b e e 协议栈架构 在z i g b e e 协议栈的体系结构中，用层次来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所 规定的任务，并且向上层提供服务。其层次结构是由i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 联盟共同定义 的，其体系结构如图2 1 所示【6 1 。 图2 1z i g , b e e 协议栈架构 注：图中术语解释 a p s d e s a p ：应用支持子层数据实体胡艮务接入点 a p s m e s a p ：应用支持子层管理实体服务接入点 n l d e s a p ：网络层数据实体服务接入点 6 南京信息工程大学硕士学位论文 m l d e s a p ：m a c 层数据实体服务接入点 n l m e s a p ：网络层管理实体服务接入点 m l m e s a p ：m a c 层管理实体服务接入点 p d s a p ：物理层数据实体服务接入点 p l m e s a p ：物理层管理实体服务接入点 z d o ：z i g b e e 设备对象 m e e 8 0 2 1 5 4 定义的低速无线个域网( l r w p a n ) 的网络特性和无线传感网络有很多 相似之处，所以很多研究机构把其作为传感器网络的通信标准。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 子层和物理层( p i - t y ) ，p h y 层由射频收发器以及底层的 控制模块构成。m a c 子层则为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。z i g b e e 标 准在这个基础之上扩展了网络层和应用层框架，其中包括应用支持子层，z i g b e e 设备对象 以及设备商自定义的应用组件。z i g b e e 所制定的网络层，属于通用网络层功能范围，主要 负责网络拓扑的维护和搭建，以及路由、设备寻址等。应用层则负责业务数据流的汇聚， 服务发现、设备发现、安全与鉴权等。 2 2 2 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p l a y ) 物理层是i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中定义的最低一层。它包括两个物理子层，分别工作在 8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g m h z 不同频率范围上。物理层的职责包括：z i g b e e 的激活与钝化；当 前信道的能量检测；接受链路服务质量信息；z i g b e e 的信道接入方式；信道频率选择以及 数据传输和接收等。i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层定义了8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 三个频段，它们都 采用了d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直接序列扩频) ，即二进制相移键控 ( b p s k ) 。8 6 8 m h z 波段的传输速率为2 0 k b p s ，9 1 6 m h z 波段的传输速率为4 0k b p s 。这两 个频段的引入避免了2 4 g h z 波段附近各种无线通信设备之间的相互干扰，且这两个波段上 的无线信号传播损耗较小，从而可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距 离，可以用较少的设备覆盖给定的区域。2 4 g h z 波段为全球统一且无需申请的i s m 频段， 有助于生产成本的降低和设备推广。2 4 g h z 物理层则通过采用高阶调制技术来提供 2 5 0 k b p s 的传输速率，有助于获得更小的通信时延、更高的吞吐量、更短的工作周期，从而 更加省电。 物理层定义了m a c 子层和物理无线信道之间的接口，提供物理层数据服务和物理层 管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务是维护一个由 物理层相关数据组成的数据库。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 物理层数据服务包括以下六方面的功能： ( 1 ) 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) ； ( 2 ) 激活和休眠射频收发器； ( 3 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ； ( 4 ) 检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ； ( 5 ) 信道频率的选择； ( 6 ) 收发数据。 2 2 3 介质访问控制子层( m a c ) m a c 层是由正e e 8 0 2 1 5 4 标准所定义。m a c 层的职责包括：网络协调器产生网络信 标；与信标同步：支持个域网( p a n ) 链路的建立和断开：为设备的安全性提供支持。 m a c 子层定义了两种基本的信道接入方法，分别用于两种z i g b e e 网络拓扑结构中。 这两种网络结构分别是基于中心控制的星型网络和基于对等操作的a d h o c 网络。在星形网 络中，中心设备承担网络的形成和维护、时隙的划分、信道接入控制和专用带宽分配等功 能，其余设备根据中心设备的广播信息来决定如何接入和使用无线信道，这是一种时隙化 的载波侦听和冲突避免( c s m a - c a ：c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v i o d a n c e ) 信道接入算法。在a d h o c 方式的网络中，没有中心设备的控制，也没有广播信道和广播信 息，而是使用标准的c s m a c a 信道接入算法接入网络。 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证m a c 协议 数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事m a c 层的管理活动，并维护一个 信息数据库。 帧控帧序地址净荷，l l c 子层帧校 制域号域域数据包验序列 m a c 子层帧头m a c 业务数据单元m a c 帧尾 图2 2m a c 子层数据包格式 m a c 子层帧头由2 个字节的帧控制域、1 字节的帧序号域和最多2 0 字节的地址域组 成。帧控制域指明了m a c 帧的类型、地址域格式和是否需要接收方确认等控制信息；帧 8 南京信息工程大学硕士学位论文 序号域包含了发送方对帧的顺序编号，用于匹配确认帧，实现m a c 子层的可靠传输；地 址域采用的寻址方式可以是6 4 b i t 的i e e em a c 地址或者是8 b i t 的z i g b e e 网络地址。 m a c 子层业务数据单元承载了l l c 子层的数据包，其长度是可变的，但整个m a c 帧 的长度应小于1 2 7 字节，其内容取决于帧的类型。m a c 子层定义了四种帧类型，即m a c 命 令帧、广播帧、数据帧、确认帧。只有数据帧和广播帧包含了高层控制命令或者数据，确 认帧和m a c 命令帧则用于z i g b e e 设备间m a c 子层功能实体间控制信息的收发。 m a c 子层帧尾含有采用1 6 b i t 的c r c 算法计算出来的帧校验序列，用于接收方判断该 数据包是否正确，从而决定是否采用a r q 进行差错恢复。 2 2 4 网络层( n w k ) 网络层的工作包括：设备连接和断开网络时所采用机制；帧信息在传输过程中所采用 的安全性的机制；设备之间的路由发现和路由维护和转交；完成对邻居设备的发现和相关 节点信息的存储。z i g b e e 网络层分为两部分，即网络层数据部分( n e t w o r kl a y e rd a t ae n t i t y ， n l d e ) 和网络层管理部分( n e t w o r kl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，n l m e ) 。n l d e 负责产生 网络层协议数据与传输所需路由。而n l m e 的职责包括负责设定z i g b e e 元件成为网络协 调器，或加入或离开己存在的l r - w p a n ，启动w p a n 寻址，发现临近z i g b e e 元件，寻找 路由路径，与m a c 接收启动控制。 2 2 5 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ，a p l ) 应用层是z i g b e e 协议栈的最高层。应用层主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络 上，具体而言，应用层包括以下几点功能：维持器件的功能属性；发现该器件工作空间中 其他器件的工作；应用层根据服务和需求来使多个器件之间进行通信；应用层主要根据具 体应用由户开发。它包括应用支持层( a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ，a p s ) 、z i g b e e 设备对 象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t ，z d o ) 和应用对象( a p p l i c a t i o no b j e c t ) 。 1 应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ，a p s ) 提供两个接口：应用支持层管理 实体服务接入点( a p sm a n a g e m e n te n t i t ys e r v i c ea c c e s sp o h a t ，a p s m e s a p ) 和应用支持 层数据实体服务接入点( a p sd a t ae n t i t ys e r v i c ea c c e s sp o i n t ，a p s d e s a p ) 。前者用于实 现安全性并通过协调器的z d o 来接受应用层的信息，后者通过应用对象和z d o 来发送数 据，a p s d e s a p 提供的数据服务包括：请求、确认、响应以及数据传输的指示信息。有 2 4 0 个不同的应用对象能够被定义，每个终端节点的标示从1 到2 4 0 。标示0 被用于z d o 9 南京信息工程大学硕士学位论文 的数据接口，2 5 5 则应用于所有对象的广播数据的数据接口。而2 4 1 到2 5 4 保留以作将来 的应用。 2 应用层框架( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ) z i g b e e 应用层框架是应用设备和z i g b e e 应用 设备连接的环境。在应用层框架中，应用对象发送和接收数据通过a p s d e s a p 。而对应用 对象的控制和管理是通过z d o 公共接口来实现的。 使用a p s d e s a p 提供的服务，应用框架提供了应用对象两种数据服务类型：键值对 服务( k v p ) 和通用信息服务( m s g ) 。两者传输机制一样，不同的是m s g 并不采用应用 支持子层( a p s ) 数据帧的内容，而是留给p r o f i l e 应用者自己去定义。 3 z i g b e e 设备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t ，z d o ) 为应用对象提供接口来发现其它 设备和服务。z i g b e e 设备对象( z d o ) 描述了一个基本的功能函数类，在应用对象、设备 p r o f i l e 和a p s 之间提供了一个接口。z d o 有以下作用：初始化应用支持子层、网络层、 安全服务文档。从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理以 及绑定管理。另外，z d o 还回复其它设备关于询问自身信息的请求。z d o 使用a p s d e s a - p 和n l m e s a p 来支持这些功能。 4 应用对象( a p p l i c a t i o no b j e c t ) 是实际在z i g b e e 协议栈上运行的厂商应用。 2 3 设备分类 8 0 2 1 5 4 标准中定义了两种设备：全功能器件( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和半功能 器件( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，砒d ) 。对于f f d ，要求它支持所有4 9 个基本参数，对 于r f d ，在最小配置时只要求它支持3 8 个基本参数，一个全功能器件可以与半功能器件 和其他全功能器件通话，而半功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。 2 4zig b e e 网络拓扑 根据不同的应用需求，z i g b e e 可以构建星型、树状和网状三种网络拓扑结构。其结构 如图2 3 所示。 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 * 蕊 星型结构 卅卜 积蕊 嘲捷结构 树状结构 。路由节点 协调嚣 c 终增节点 圈2 3z i g b 阿络拓扑结构 z i 幽c c 网络中的z i 庐嚣网络协调器是一个起网络控制中心的f f d 它不但为网络控 制而存在，还可以有自己的应用。在星型拓扑结构中，所有终端设备都与唯一的中央控制 设备网络协调嚣通信，终端设备之间的通信通过网络协调器的转发来完成；网状拓扑结构 是最复杂的一种网络结构，网络中有一个网络协调器，多个路由器和终端设备，网络中的 通信主要通过路由器的转发来完成，通信覆盖范围可以很大。 2 5 数据传输机制 在无线传输网络中，传送的基本上都是短消息( m e s s a g e ) 。信息的格式包括帧头、数 据内容、帧尾，数据内容的格式目前有两种，一种是k v p ，另外是m s o 。 2 6 安全管理 z i g b e e 的安全体系提供的安全管理主要依靠相称性密钥保护、应用保护机制、合适的 密码机制以及相关的保密措施。安全协议的执行( 如密钥的建立) 要以整个z i g b e e 协议栈 正确运行而不遗漏任何一步为前提。m a c 层、n 骶层、a p s 层都有可靠的传输机制用于它们 自己的数据帧。 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章太阳辐射计的测量原理 本文在研究z i g b e e 无线传感网络的基础上，提出了基于z i g b e e 技术的太阳辐射计的 设计方案，目标为对待测区域内的太阳辐射值进行采集和处理，并利用无线传感网络将辐 射值这个气象要素发送至汇聚节点，也即协调器节点。协调器节点的主要作用是收集气象 数据，并且将数据传输至i n t e r n e t 或个人p c 机上做处理。 竹 3 1 系统需求分析 图3 1z i g b e e 无线传输方式框图 在太阳辐射计的设计过程中，要考虑数据的采集、数据的传输，通信的质量，节能尽 量降低成本，便于布点和携带等。因为对气象数据的采集一般都是在比较恶劣的野外环境 中，所以本设计从以下几个方面考虑阴： ( 1 ) 稳定性和抗干扰性 被测现场的环境一般都比较恶劣，所以本设计这些模块：比如电源、无线收发模块、 采集模块都必须在被测现场可以正常工作。 ( 2 ) 节能 一般采集点都采用电池供电，同时传感器网络需要长时间工作，所以在选择芯片的时 候要尽量低功耗的，达到节能的目的。 ( 3 ) 低成本 低成本是这种节点的基本要求。只有低成本才能大量的布置在目标区域内，这是大规 模传感器网络实际运用的必要条件。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 3 2 辐射值的测量 太阳总辐射计是日射测量中使用最多的一种仪器。太阳总辐射是指从2 ，r 球面度立体 角( 半球向) 接收到的太阳辐射，它实质上包括直接辐射的垂直分量和水平面上接收到的 散射日射，以相应的辐射度量加以下角标g 表示，如艮等。根据定义，可写出使用的公式： e g - = s s i n ( h o ) + e d( 3 1 ) 式中露为太阳总辐射值，s 为太阳直接辐射，h o 为太阳高度角，尉为散射日射。 3 2 1 辐射传感器的选用 对辐射值的测量可以分为利用光电效应和热电效应两种。由此太阳辐射传感器中使用 的探测器大致有以下几种【8 】： ( 1 ) 光电二极管 硅光电二极管的应用极为广泛，p - n 结光电二极管是一种结构最简单的光敏器件，它具 有线性范围宽、响应速度快和噪声小等特点，适用于辐射强度探测，例如用作辐射计等光电 探测仪器的探头。当光电二极管作为辐射探测器使用时，信噪比和响应时间是两个重要的 性能参数。 ( 2 ) 光电倍增管 光电倍增管是一种真空光电器件，它的工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和 电子光学的理论基础上的。它的工作过程是光子入射在光电阴极上产生光电子，光电子通 过电子光学输入系统进入倍增系统，电子得到倍增，最后阳极把电子收集起来，形成阳极 电流或电压。它比起光电管来有非常高的灵敏度。光电倍增管的工作稳定性决定于阳极电 流的大小，而不是所加的电压，所以要求在较低的阳极电流下使用。 ( 3 ) 硅太阳电池 硅太阳电池的短路电流与辐照度成线性关系，可满足在弱日射( 十几w m 2 ) 到最大日 射1 3 6 7w m 2 之间具有较好线性度的要求其灵敏度高，响应速度快，性能价格比优越，光谱 响应范围宽，对0 3pm 1 1 m 之间的光谱均有较高的灵敏度。合肥工业大学能源研究所 研制的新型便携式太阳总辐射仪使用的便是硅太阳电池 9 1 。 ( 4 ) 热电堆 热电堆就是将二个或二个以上的热电偶串接在一起，其温差电动势就是几个热电偶温 差电动势的叠加。其主要原理是赛贝尔效应，也叫做第一热电效应。与热敏电阻测量绝对 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 温度下的电阻值不同，热电堆利用塞贝克( s e e b e e k ) 效应，测量发热体和热沉之间的温差，因 此在一般情况下，环境温度的起伏并不会导致测量结果的明显变化。美国e p p l y 公司生产的 p s p 型精密太阳总辐射传感器就是利用该原理制作而成的。由于这种传感器具有响应速度 快、灵敏度高、测量太阳辐射波长幅度宽等特点，本文所设计的太阳辐射计就是采用该辐 射传感器。 3 2 2 热电型辐射传感器的基本原理 我国辐射站使用的辐射传感器都是热电型的。它由感应面和温差电堆两部分组成。辐 射传感器与测量仪表构成一套辐射仪器。 辐射传感器的感应面是用金属薄片，涂上吸收率很高、光谱响应好的无光黑漆( 有的 是黑漆和白漆相间的感应面) 构成的。 辐射传感器常用的热电偶是用康铜与康铜镀铜材料构成的。当热电偶两端的温度不同 时，金属中就产生温差电动势。为了增大电动势( 灵敏度) ，辐射传感器内部通常采用几十 对热电偶串联绕成的温差电堆。绕线型电堆紧贴在黑色感应面下部，它与感应面间应保持 绝缘( 导热不导电) ，否则会造成短路。利用辐射传感器对准射源( 如太阳) ，如下图所示， 当感应面吸收辐射能而增热时，使得感应面下部的温差电堆产生电动势。这种辐射产生的 电动势用仪表加以测量，经过换算后就是要测量的辐照度【l 0 1 。 t 2 图3 2 热电型辐射表原理图 当感应面接收到辐射热，达到热平衡后，可用以下式子表示1 1 】： e = ( 1 一占) + 2 ( r l 一丁2 ) + ( 7 l r 3 ) + 厂( 矿) ( 3 1 ) 3 1 式中：e 为入射辐射( 辐射度) ；占为感应面吸收率；h 2 是传导到冷端的热传导系 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 数；l 为传导到空气的热传导系数；( 矿) 为对流损失的热量；1 i 是感应面的温度( 热端温 度) ；i 2 为冷端温度；i 3 为空气温度。公式的右边第一项为反射损失的热量，第二、第三项 为传导到冷端与传导到空气损失的热量，第四项为对流损失的热量。 3 1 式中，略去了感应面长波辐射损失的热量。如果采取感应面加玻璃罩措施，使得罩 内风速v 约等于0 ，( y ) 约等于0 。 冷端接点是悬于传感器的空腔内，由于缠绕骨架本身是金属的，故可认为空气温度就 为冷端接点的温度，即t 2 = t 3 ，同时h z 、l 、占对一台仪器是固定不变的。因此式3 2 可改 写为： = 旦萼兰一t ：) = 彳盯。一n ) ( 3 2 ) 其中彳：丝丛 占 因此辐照度e 的大小，取决于热端与冷端的温度差( 乃乃) 冷热端温差使n 对热电偶产生的电动势为： v = n e o ( 乃- 1 2 ) ( 3 3 ) 式中e 0 为热电转换系数( v 。c ) 。将式中的乃乃代入上式得： v - - n 。e o ( 者) e = k e ( 3 4 ) 、日2 + 7 、7 其中 足= 舾“i - ) ( 3 5 ) 、h 2 + 三7 、- 。 3 5 式中称为辐射传感器的灵敏度，单位为( v w 1 m 2 ) 。 3 4 式中表明，辐照度越强，则辐射传感器热电堆的温度差越来越大，输出的电动势就 越大，他们的关系基本上是线性的。因此，测量辐射传感器输出电讯号的大小，就可以确 定辐照度的强弱，这就是热电型辐射传感器的基本原理。 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 4 1 总体设计 第四章太阳辐射计的硬件设计 基于无线传感网络的太阳辐射计硬件总体设计主要分为四个部分【1 2 】：数据采集模块、 数据处理模块、通信模块、供电模块。数据采集模块要实现对辐射值、温度值、电池电压 值的采集以及模数转换，数据处理模块是对测量值进行补偿、订正以及显示，通信模块是 传感器节点和主节点之间利用z i g b e e 协议实现通信，主节点负责收集各传感器节点的数 据，并通过r s 2 3 2 连接到p c 机【1 3 】。系统的硬件结构图如图4 1 所示： 图4 i 系统硬件结构图 4 2j e n n i c 5 1 2 1 系列模块简介 经过比较目前市场上几种z i g b e e 模块，根据价格、功耗、性能等标准最终选定采用北 京博科公司生产的j n 5 1 2 1 - z 0 1 m o o ，这是一款表面贴片安装的模块。j n 5 1 2 1 是一款兼容 i e e e 8 0 2 1 5 4 的低功耗、低成本无线微型控制器。开发人员可以利用该模块以较低的开发 成本创建i e e e 8 0 2 1 5 4 兼容的系统。采用该系统可以免去设计射频环节中复杂且高成本的 开发麻烦和测试过程。本设计采用的j n 5 1 2 1 模块，集成了所有的射频模块。对于开发设计 一个无线控制器或无线传感网络而言，可以显著减小开发的工作量【1 4 1 。 j e n n i c 5 1 2 1 本身包含一个微控制器( 微处理器) 和一个无线收发器，与其他z i g b e e 模 块相比而言，具有价格低廉，计算功能更强大，低功耗( 睡眠模式下消耗的电流不到l u a ) 1 6 南京信息工程大学硕士学位论文 等特点。 图4 2j n 5 1 2 1 系统架构与内部资源 j e n n i c 51 2 微型控制器的主要特性 2 4 g h z 兼容i e e e 8 0 2 1 5 4 规范； 内建1 2 8 位a e s 安全协处理器。 内建高效的电源管理器。 内建3 2 位r i s c 处理器。 内建9 6 k b r a m 静态存储器。 内建6 4 k b r o m 程序存储器。 内建4 路1 2 位a d c ，2 路1 1 位d a c ，2 个比较器，1 个温度传感器接口。 内建3 个系统t i m e r 和2 个用户t i m e r 。 内