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环保研制报告
《环保工程传感器综合组网技术》研制总结报告
项目组2012年2月13日
一、概述:
1、国内外现状、水平和发展趋势
在环保工程中,随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象.在通信方式上,可以采用有线、无线、红外和光等多种形式。
这就是传感器综合组网技术。
但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用,为明确起见,一般称作无线传感器网络。
无线传感器网络作为一种新兴技术,已经成为国内外研究的热点,其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和救灾等领域展现出广阔的应用前景。
国内外很多单位都开展了相关领域的研究,但大部分工作仍处在无线网络协议性能仿真和硬件节点小规模实验设计阶段。
无线传感器网络并不需要较高的传输带宽,但却要求极低的功率消耗,以使无线传感器网络中的设备可工作更长的时间,同时低成本也是无线传感器普及应用的一大要求。
ZigBee/IEEE802.15.4标准把低功耗、低成本作为主要目标,为无线传感器网络提供了互连互通的平台,目前基于该技术的无线传感器网络的研究和开发得到越来越多的关注。
自动化所的环保工程项目一直以来是其主要的产业板块,通过前几年的应用实践,取得了良好的经济效益和技术成果以及经验积累,应该在此基础上借助新技术寻找新的市场突破点和技术制高点。
而在原来成熟的有线组网技术上,增加投入研究无线传感器网络技术,掌握新的综合组网技术,正好符合自身发展的需要。
2、任务来源:
2010年的5月,上海电气自动化设计研究所有限公司在上海市科委组织和领导下,对于国内外环保工程中形式多样的物质现象和信息进行需求分析、整合。
经过专家论证和多次修改,制定了严格的科研计划。
在这样的技术背景下,2010年的7月,上海电气自动化设计研究所有限公司(以下简称自动化所)提交《环保工程传感器综合组网技术》的科技研究项目(以下简称项目)的可行性方案。
并且由上海市科委正式立项。
3、知识产权状况和技术标准状况
如下表所示,在没有研制项目之前,申请公开的与环保工程传感器相关的专利不多,其中有关环保工程传感器综合组网技术的专利为1号、3号和4号。
序号
专利号
专利名称
1
01133490.8
一种无线数据监控仪
2
200910020485.X
基于太阳能和RF技术的无线采集终端
3
200610011746.8
基于无线传感器网络的河流流域污染监控系统和方法
4
200720083187.1
环境污染及环保设施的远程在线监督系统
5
200820120624.7
可燃气自动防漏控制装置
6
200820052222.8
多功能信息终端
通过项目的研制,自动化所所新申请了3个发明专利:
《一种环保工程中的传感器信号检测和数据传输方法》
《一种环保工程中的二级无线组网方法》
《一种环保工程中的无线路由结构》
4、经济效益和社会效益
随着人们对于环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛。
通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。
传感器网络样机系统的试运行,为野外随机性的研究数据获取提供了方便,比如,跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。
ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依此预测爆发山洪的可能性。
类似地,传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。
此外,传感器网络也可以应用在精细农业中,以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
与环境保护相关的工程项目带来了很大的经济效益和社会效益。
自动化所的环保工程项目的产值约占其年产值的40%,通过项目的实施,进一步提高核心竞争能力,稳固拓展市场,取得可观的经济效益和社会效益。
5、科学技术价值、特色和创新点
1、微电子学、嵌入式系统等技术的进步推动着无线传感器网络技术的快速发展。
无线传感器网络现在已应用于环境和生物监测、工业监控、军事安全监测等多个领域。
通过监测区域中布置的大量传感器节点,可以精密测量物理世界,提高应用所需真实世界数据的数量和质量,降低监控成本。
2、无线传感器网络已经成为一个新的计算平台,可以无缝衔接数字世界和物理世界;它由一系列的传感器节点构成,每个节点都具有环境感知、数据处理和无线通信能力。
传感器节点具有电池供电、计算存储能力有限、通信带宽低的特点,这使其在处理和利用所得数据时受到了限制。
现在,具有高速计算能力、巨量存储能力和高速通信带宽特点的网格技术已经成为在动态虚拟社区中解决大规模分布式、异构资源共享的一个标准方式。
将无线传感器网络和网格结合起来可以有效弥补无线传感器网络的足,就是综合组网技术,具有以下一些优势:
(1)无线传感器网络感知到的大量数据可以利用网格处理。
网格拥有的计算资源和存储资源可以对无线传感器网络收集到的大量数据进行处理、分析和存储。
(2)一个无线传感器网络所得的数据可以同时被多个网格应用使用。
同一个无线传感器网络所得数据可以通过网格平台同时被多个应用程序使用,传感数据使用更加方便,数据使用率同时提高。
(3)利用网格可以得到无线传感器网络数据的新知识。
在网格中可以利用数据挖掘、数据融合、分布式数据库等技术对其数据进行处理,获得传感数据的新知识。
二、工作组成单位:
项目承担单位:
上海电气自动化设计研究所有限公司
三、工作进度安排:
2010年5月科技项目提出;
2010年7月批准项目立项;
2010年7月至9月完成调研、整理和总结工作
2010年10月至12月设计在线采集设备电路原理和逻辑流程
2011年1月至3月制作在线采集设备终端样机
2011年4月至6月制作在线采集设备系统样机
2011年7月至9月研究相关技术及调试性能指标
2011年10月至12月开始工程应用
2012年1月至3月制作在线采集设备终端样机
2012年4月至6月工程验证和运行考核
四、研究项目与样机试制过程解决的技术关键:
(1)解决的关键技术:
1、在环保工程中的传感器信号检测和数据传输采用嵌入式设备,采用无线组网的技术。
2、在环保工程中的传感器信号检测和数据传输中采用无线传感器组网技术,形成无线数据网络,便于系统升级扩展,降低施工、调试、管理的难度和复杂度。
3、在环保工程中的传感器信号检测和数据传输中改变无线组网方式只能是点对点或广播方式的拓扑结构局限。
采用随机移动路由的方式,提高组网的灵活性。
(2)重点技术问题的研究:
1、在环保工程中的传感器信号检测和数据传输的嵌入式设备采用无线组网的技术。
嵌入式节点硬件体系结构图
无线传感器网络的基本组成单元是具备信息采集和通信功能的嵌入式节点,因此无线传感器网络的设计也就是节点的设计。
根据无线传感器网络的功能需求,按照嵌入式系统量体裁衣的思想选择各个功能模块部件,着重考虑节点的性价比和可升级性等因素,设计嵌入式无线传感器网络节点的硬件结构。
根据功能需求,将各个独立功能模块化,节点的硬件体系结构如上图所示。
无线传感器网络多采用五层协议标准:
应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。
与互联网协议栈的五层协议相对应。
另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享。
各层协议和平台的功能如下:
·物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术;
·数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制;
·网络层主要负责路由生成与路由选择;
·传输层负责数据流的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分;
·应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件;
·能量管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量;
·移动管理平台检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置;
·任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
2、在环保工程中的传感器信号检测和数据传输中采用无线传感器组网技术,形成无线数据网络。
所谓无线传感器网络就是由分布在一定区域内的小型或微型传感器节点组成的,可实时感知、监测各种环境对象,通过嵌入式系统对信息进行智能处理,并且经过随机自组织的无线通讯网络传送感知的信息。
综合组网结构示意图
无线局域网(WLAN)采用射频(RF)技术构成局域网络,是一种便利的数据传输系统。
由于无线局域网设备一般工作于免授权(unlicensed)频段,在频段的使用上无需高昂的许可费用,因此工作在2.4MHz频率上的无线局域网设备正在得到广泛应用。
其技术优点在于:
●工作在2.4GHz免授权频段上,采用直接序列扩频技术,最大数据传输速率为11Mb/s。
●在覆盖半径上,室外环境为800米,在办公环境中一般为50米到100米。
●WLAN以大型办公室或业务园区的应用环境为目标设计,可支持10到100个接入点。
其技术缺点在于:
●直接顺序分布式频谱(DSSS)技术的应用也限制了它在住宅密集区中使用,有可能导致在独立的建筑物或相似环境中发生干扰。
●用户使用需安装驱动程序。
●WLAN的安全保障很大程度上依靠物理上的隔离。
因此,在实际应用中需考虑与上层设备配合,以加强无线局域网的安全性和可运营性。
利用Zigbee技术的低功耗、低成本、组成无线传感器网络。
达到灵活组网的目的。
其结构示意图如上所示,任何一个无线传感器网络节点都是由嵌入式软硬件组成简单星型、树型或复杂的网状网络,通过WLAN或有线网络连接到因特网。
Zigbee协议有一套AES-128的加密算法,可提高WLAN的安全保障程度。
3、在环保工程中的传感器信号检测和数据传输中改变无线组网方式只能是点对点或广播方式的拓扑结构局限。
采用随机移动路由的方式,提高组网的灵活性。
在无线传感器网络中,节点任意散落在被监测区域内。
节点以自组织形式构成网络,通过多跳路由方式将监测数据传到Sink节点,最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。
下图给出了一般形式的无线传感器网络体系结构。
无线传感器网络体系结构
移动自组织(AdHoc)网络是一种多跳的临时性自治系统,网络中的各个节点不需要直接连接,而是能够通过中继的方式,在两个距离很远而无法直接通信的节点之间传送信息。
即今天我们常说的移动自组织网络。
移动自组织网络。
一方面,网络信息交换采用了计算机网络中的分组交换机制,而不是电话交换网中的电路交换机制;另一方面,用户终端是可以移动的便携式终端,如笔记本、PDA等,用户可以随时处于移动或者静止状态。
无线自组网中的每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。
作为主机,终端可以运行各种面向用户的应用程序;作为路由器,终端需要运行相应的路由协议。
这种分布式控制和无中心的网络结构能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力,具有很强的鲁棒性和抗毁性。
作为一种分布式网络,移动自组织网络是一种自治、多跳网络,整个网络没有固定的基础设施,能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下,提供终端之间的相互通信。
由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限,因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发,这样节点之间构成了一种无线多跳网络。
(3)主要研究内容:
1、设计制作具有Zigbee无线终端模块作为通讯接口的嵌入式系统设备。
选用ATMEL公司的嵌入式ARM微控制器芯片AT91SAM7S256作为节点硬件的控制中心,用于协调和管理系统中其它模块。
该处理器内部集成了系统所需的众多外围功能模块,包括嵌入式12位模数转换器(ADC)、通用同步异步收发器、串行外围通信接口(SPI)等。
AT91SAM7S256的外围电路主要包括电源电路、处理器复位电路、晶振电路、PLL电路、JTAG接口电路等。
在实际的研制工作中选择了两种典型的传感设备进行了研究,分别是压力传感系统和温度传感系统。
a)压力传感系统框图如下图所示,压力传感器将重量、轮胎气压、级别、外力、流量等物理值转换为mV/V范围内的差动信号,这些信号是非线性的,对温度具有依赖性并且具有大偏移和失调漂移,需要电子校准和补偿。
测量变送模块执行所有必需的功能来校准、补偿温度变化、调节,并使传感器信号线性化。
压力传感系统框图
模拟/数字处理–A/D转换模块提供12位的分辨率,为降低成本采用SPI接口与低功耗MCU(430系列)联系。
时钟芯片系列是基于PLL的低成本、高性能、模块化可编程时钟合成器、乘法器和除法器。
它们最多可从单输入频率中生成9个输出时钟。
借助独立的可配置PLL,可在系统内针对任何时钟频率(最高可达230MHz)对每个输出进行编程。
采用ZigBee低功耗无线通讯模块,工作中心频率:
2.4GHz;系统协议:
ZigBee;数据速率:
250kbps;灵敏度:
-93dBm。
实际的现场传输距离根据不同模块的发射功率和接收灵敏度而不同,经多次试验传输距离在500米至700米的模块性价比最高。
电源采用LDO,非常适合低噪声、低功耗放大器和数据转换器,因为它们提供可实现更高信号保真度的低纹波电源轨。
温度传感系统框图如下所示,温度传感器用于测量温度,在工业和商业应用中用途广泛。
测量温度使用的是RTD(耐高温器件)、热敏电阻或热电偶。
温度传感系统框图
RTD和热敏电阻利用了电阻根据温度变化的特性,以测量元件间的压降并计算温度。
热电偶是两个不同金属物间的结点,此结点会生成与温差相关的电压,这就是塞贝克效应。
应将环境温度加到计算出的温差中,以测量实际温度。
环境温度的测量过程称为冷端补偿。
信号调节/信号采集和处理:
温度传感器的输出范围非常小,因此必须在处理前放大信号以防止引发错误。
信号链必须精确处理有噪音的小信号。
温度传感器前端将输入多路复用器、高阻抗PGA和高分辨率Σ-Δ调制器全部集成在单芯片模块上。
低噪声截波稳定型PGA可根据传感器输出的大小提供所需的增益调节功能。
高端产品还集成了系统诊断和故障监控等功能。
MCU中还可以实施更高级别的系统校准。
模拟/数字处理–A/D转换模块提供12位的分辨率,为降低成本采用SPI接口与低功耗MCU(430系列)联系。
时钟芯片系列是基于PLL的低成本、高性能、模块化可编程时钟合成器、乘法器和除法器。
它们最多可从单输入频率中生成9个输出时钟。
借助独立的可配置PLL,可在系统内针对任何时钟频率(最高可达230MHz)对每个输出进行编程。
采用ZigBee低功耗无线通讯模块,工作中心频率:
2.4GHz;系统协议:
ZigBee;数据速率:
250kbps;灵敏度:
-93dBm。
实际的现场传输距离根据不同模块的发射功率和接收灵敏度而不同,经多次试验传输距离在500米至700米的模块性价比最高。
电源采用LDO,非常适合低噪声、低功耗放大器和数据转换器,因为它们提供可实现更高信号保真度的低纹波电源轨。
无线传感器节点硬件线路板
2、设计制作具有随机移动路由功能的Zigbee无线通讯模块。
Zigbee无线通信模块是无线传感器网络内部节点通信的主要功能模块,它是嵌入式节点实现自组网的基础。
采用TI公司专门为无线传感器网络设计生产的射频芯片CC2530设计射频通信模块。
它是一款高性能、低功耗2.4G射频处理芯片,内部集成了基带处理以及硬件CSMA功能,通过SPI通信接口可以实现对其控制实现数据的收发,非常适合无线传感器网络应用。
本模块外围电路主要包括与CPU接口电路、射频芯片外围电路、天线阻抗匹配电路等。
所选择的基于CC2530的无线模块,其框图如上所示,具有以下无线特点:
2.4GHzIEEE802.15.4兼容的RF收发器
优良的接收灵敏度和鲁棒特性
可编程输出功率高达4.5dBm
极少的外部元件
低功耗
3、应用WLAN技术和自行研制的Zigbee设备组成无线传感器网络系统。
(系统型号:
ZDWS—0B)
针对环境及结构状态监测,设计了一种通用无线传感器网络硬件平台,该硬件平台由若干传感器节点、具有无线接收功能的Sink节点及一台计算机构成。
无线传感器节点分布于需要监测的区域内,执行数据采集、处理和无线通信等工作,Sink节点接收各传感器的数据并以有线的方式将数据传送给计算机。
a)ZigBee网络设备类型及拓扑结构:
ZigBee有3种拓扑结构和2种物理设备:
星形结构(Star)、簇状结构(Clustertree)和网状结构(Mesh)。
在ZigBee的3种网络拓扑结构中,都可以使用FFD,它可以作为ZigBee网络的协调者、路由的选择器、网络的设备终端;而RFD简单功能设备只适用于作终端设备。
网络协调器主要完成网络初始化及网络的拓扑更新,传输网络信标、管理网络节点及存储网络节点信息,提供关联节点之间的路由信息,存储节点数据设备等。
路由器必须加入ZigBee网络,才能发送、接收或者路由数据,加入后能够允许其他路由器和终端设备加入网络。
终端设备加入ZigBee网络后才能接收或者发送数据,不能允许设备加入网络,必须总是通过它的父节点发送和接收数据,不可路由数据。
ZigBee网络结构图
b)ZigBee无线网络自组网原理:
ZigBee网络由协调器启动来实现自组网功能。
ZigBee网络也叫做ZigBeePAN。
当协调器首次启动的时候,它将在多个信道上执行能量扫描,当能量扫描结束后,协调器扫描剩下的安静信道。
这时候,协调器发出一个广播,单跳信标要求。
任何附近协调器和路由器将通过发送信标帧到协调器响应到信标要求。
信标帧包含关于PAN信息,包含PAN识别符,和是否设备允许加入。
一旦协调器完成能量和PAN扫描,它分析所有收到的信标,并尝试启动一个没有被占用的PANID和信道,这个PANID是唯一的。
路由器和终端设备只要启动,他们会不停的扫描PAN,接收信标,配置以加入任何ZigBeePAN,或者加入带某一PANID的PAN。
协调器或者路由器是否允许新的设备加入主要有两个参数:
加入允许使能和终端设备子节点数。
终端设备依靠它的父节点缓存收到的数据,协调器和每个路由器能支持有限终端子节点,一旦达到协调器或者路由器规定的子节点,将不再允许终端加入。
c)网络地址搜寻及传输模式流程:
ZigBee支持设备地址以及应用层地址,设备地址规定了数据包所通向设备的目的地址,应用层地址指明了一个特别的应用接收器,称为ZigBee终端。
基于802.15.4协议上的ZigBee协议规定了两种地址类型]:
16位网络地址和64位地址。
每个节点加入网络时,节点被分配到一个16位的网络地址。
网络地址对网络中每个节点都是唯一的,但是网络地址是可以改变的;而每个节点64位地址是唯一的,具有永久性。
在网络的数据传输中,数据发送总是被传送至16位网络地址的目标设备。
ZigBee设备在传输数据前,必须在整个网络内发出网络地址搜寻,该数据包含有目标设备的64位地址,只有与数据包中64位地址相匹配的接收端才会向发送器反馈一个数据包,并提供其网络地址,收到反馈时,发送器就可以传输数据了。
传输数据前模块将确保目标节点的16位网络地址和路径已被确定,如果没有发现相匹配网络地址的模块,则会丢弃数据包。
具体示意图如下所示。
网络地址搜寻及传输模式流程图
d)各网络节点参数配置:
无线模块自带Zigbee协议栈的程序,只需要通过程序来改变模块的参数即可实现组网通信。
在本网络设计中,采用多个Xbee-Pro收发模块,分别是一个协调器,一个路由器,还有多个接收模块。
通过X-CTU软件分别对4个XBEE模块的参数进行如表1。
表1各网络节点参数设置
模块类型
ID
NI
JN
SN
协调器CC
WSNLXY
CC
--
0
路由器RT
WSNLXY
RT
1
0
终端R1
WSNLXY
R1
1
2
终端Rn
WSNLXY
Rn
1
2
所有模块的初始目标地址配置如下:
DH(Destinationaddresshigh):
O000H
DL(Destinationaddresshigh):
0000H。
ID为PANID局域网标识符,同一网络下的ID必须相同,协调器的ID必须设定,其他3个模块的ID可以设置为0允许加入任何网络。
NI为节点标识符,可以用来配置远程地址;JN为允许加入网络使能端;SP为睡眠周期,协调器和路由器必须设置为0,持续工作,接收模块可以睡眠;SN为循环周期数,用于计算终端向父节点反馈的时间,大于这个时间终端将会离开父节点寻找新的父节点,计算公式:
T=3SN(SP10)=6
e)组网及软件设计
如表1所示,cC、RT、R1、Rn分别表示协调器、路由器及接收终端1和n。
CC采用Xbee-Pro开发套件中的USB开发模块,并且与X-CTU软件相连,R1为MSP430和XBEE模块组成的传感器节点,Rn为Xbee-Pro开发套件中的RS232开发模块,节点的具体入网流程如上述网络地址搜寻及传输模式流程图所示。
Xbee—Pro模块有两种传输模式:
API模式和透传模式。
利用AT命令设置参数,设置格式如下:
:
ATASCII码命令空格参数(可选)
例如ATDL1IF
在各终端参数设置中,先输入+++,返回oK后成功进入命令模式,然后通过ATDNNI
无线网络节点网络设置相关代码如下:
#pragmavector=UARTORX_VECTOR//利用中断接收数据
_interruptvoidusart0_rx(void)
{while((IFG1&UTXIFG0)_O);//USART0接收缓存有数据吗?
RXCHAR[i]_RXBUF0;
i++;}
uchar*command:
“+++”;
uchar*T0R2_“ATDNR2/n”;
uchar*T0CC_“ATDNCC/n”:
uchar*BACK_“ATCN/n”:
uchar*ACK=“OK”:
strcmp(RX_OK,ACK);//N断发送命令后是否返回OK
PutString(uchar*command);//调用发送程序,进入命令模式
PutString(uchar*TORn);//修改R1的目标地址传向Rn
PutString(uchar*TOCC);//修改R1的目标地址传向CC
PutString(uchar*BACK);//退出命令模式
PutString(uchar*RX_CHAR);//将接收到的数据发送出去
VoidPutString(uchar*RX_CHAR)
{while(*RX_CHAR!
_\O)
{while(!
(IFG1&UTXIFG0));//TX缓存空闲?
TXBUFO_*RX_CHAR++;})//发送数据
f)实验数据结果
节点号
温度(℃)
湿度(
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