（机械电子工程专业论文）基于无线传感器网络的温度监控系统.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文手两斐近年来，随着无线通信技术和传感器技术的飞速发展，无线传感器网络越来越得到广泛的应用，特别是在环境监测、智能家居、工业监控等领域的应用。基于无线传感器网络的温度监控系统用于对冬季室内供暖状况进行远程监控，并及时调整供热锅炉运行参数，达到节能减排的目的。本文回顾了构建无线传感器网络系统的各种协议和支撑技术。通过对数据采集网络的应用场景进行分析，设计了一种典型的多层次网络模型。模型分为三个层次：由p c 机和监控软件构成的监控中心；由中心控制节点构成的主网和由路由节点、中继节点、底层传感器节点构成的传感器子网；各部分协调工作完成温度数据采集和监控任务。系统设计包括无线传感器网络节点硬件设计、无线传感器网络的管理和监控软件设计三部分。节点硬件电路设计主要包括d s l 8 8 2 0 数字温度传感器模块、基于i a 4 4 2 1 的无线通信模块、单跳传输距离可达到l k m 以上的射频信号功率放大模块、m c u 模块和串口通信模块。无线传感器网络的管理包括自适应选择路由路径的路由协议、具有严格校验格式的数据通信协议和无线数据传输数据加密算法。无线传感器网络的路由路径可以是多跳的，网络拓扑结构也可以根据环境需要进行更改。无线温度采集系统监控软件对采集的温度数据进行分析、处理和存储，并具有趋势曲线图显示、数据列表显示和报警设置等功能。基于无线传感器网络的温度监控系统在大庆测井公司进行部署，网络运行状况稳定，系统能够很好的实现远程楼宇内温度的实时采集和监控，证明了路由协议和节点设计的合理性。系统的应用使锅炉管理人员了解供热状况更加及时并为锅炉的控制提供了依据，同时改善了锅炉控制滞后的现状，节约了能源，具有很大推广价值。关键词：无线传感器网络；路由协议；温度采集；锅炉；监控哈尔滨工程大学硕+ 学位论文a b s t r a c ti nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw 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 ds e n s o rt 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 ) h a sb e e nm o r ew i d e l yu s e d ，e s p e c i a l l yi na r e a ss u c ha se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，i n t e l l i g e n th o m ea n di n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki su s e df o rr e m o t em o n i t o r i n gi n d o o rh e a t i n gs i t u a t i o ni nw i n t e ra n da d j u s t i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fh e a t i n gb o i l e rt i m e l y ，s oi tc a na c h i e v et h ep u r p o s e so fe n e r g y s a v i n ga n dr e d u c i n ge m i s s i o n s v a r i o u sp r o t o c o l sa n ds u p p o r tt e c h n o l o g i e so ft h ec o n s t r u c t i o no faw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a p p l i c a t i o ns c e n eo ft h ed a t ag a t h e r i n gn e t w o r ki sa n a l y z e da n dat y p i c a lt i e r e dn e t w o r km o d e li sd e s i g n e d t h em o d e li sc o m p o s e do ft h r e el e v e l s ：t h ec o n t r o lc e n t e rc o n s i s t i n go ft h ep ca n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e ；t h em a i nn e t w o r kc o n s i s t i n go ft h ec e n t r a lc o n t r o ln o d ea n dt h es e n s o rs u b n e t w o r kc o n s i s t i n go ft h er o u t i n gn o d e ，t h er e l a yn o d ea n db o t t o ms e n s o rn o d e s t h r o u g hc o o r d i n a t i o no ft h ea b o v e - m e n t i o n e dv a r i o u sp a r t sc a nc o m p l e t et h et e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gt a s k s t h es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：w s nn o d eh a r d w a r ed e s i g n ，w s nm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n gs o r w a r ed e s i g n t h en o d eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nm a i n l yi n c l u d e sd s18 8 2 0d i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do ni a 4 4 21 ，p o w e ra m p l i f i e rm o d u l ew h i c hs i n g l e - h o pt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ec a nr e a c hm o r et h a nlk m ，m c um o d u l ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e w s nm a n a g e m e n ti n c l u d e st h er o u t i n gp r o t o c o lt h a tc a nc h o o s et h er o u t i n gp a t ha d a p t i v e l y , t h ed a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t has t r i c tc h e c k i n gf o r m a ta n dt h ed a t ae n c r y p t i o na l g o r i t h mf o rw i r e l e s s哈尔滨工程大学硕士学位论文t r a n s m i s s i o n t h er o u t i n gp a t ho fw s nc a l lb em u l t i - h o p ，a n dt h en e t w o r kt o p o l o g yc a na l s ob ec h a n g e di na c c o r d a n c e 、析t l le n v i r o n m e n tn e e d s m o n i t o r i n gs o f t w a r eo fw i r e l e s st e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e mi su s e df o rc o l l e c t i n gt e m p e r a t u r ed a t af o ra n a l y s i s ，p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，a n di ta l s oh a sm a n y - o t h e rf o u n t i o n ss u c ha st r e n dc u r v ed i s p l a y ，d a t al i s t i n gd i s p l a y ，a l a r ms e t t i n ga n ds o0 n t h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw s nh a sb e e nd e p l o y e di nt h el o g g i n gc o m p a n yo f f i c ei nd a q i n ga n dr u n n i n gs t e a d i l y r e a l - t i m et e m p e r a t u r ec o l l e c t i o na n dl o n g r a n g em o n i t o r i n go fb u i l d i n g sw e r ea c h i e v e db yu s i n gt h es y s t e m i tp r o v e dt h a tt h er o u t i n gp r o t o c o la n dn o d ed e s i g na r er e a s o n a b l e t h es y s t e mw a sa p p l i e dt oa l l o wm a n a g e r st ou n d e r s t a n dt h eb o i l e rh e a t i n gs i t u a t i o nt i m e l y ，p r o v i d et h eb a s i sf o rb o i l e rc o n t r o l ，i m p r o v et h el a g g i n gs i t u a t i o no fb o i l e rc o n t r o la n de c o n o m i z et h ee n e r g y , s oi th a sag r e a tp r o m o t i o nv a l u e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ；r o u t i n gp r o t o c o l ；t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n ；b o i l e r ；m o n i t o r i n g哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出；并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。作者( 签字) ：i 泵协晗日期：0 9 年芗月1 日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者( 签字) ：啄嗡噙导师( 签字) ：馏建。之日期：护弓年弓月，2 日听年广月，l 日哈尔滨工程大学硕+ 学 = 7 = 论文第1 章绪论1 1 课题研究的目的和意义本课题是大庆油田合作项目，主要实现对办公楼冬天供暖状况的实时监测。通过在办公楼内安装基于无线传感器网络的温度采集节点来测量楼内各点温度，并以无线多跳的方式发送到供热锅炉房的数据中心，用户可以通过上位机软件查询需要的数据，改变了采用人工寻访或从回水温度估算供热情况的粗放式供热方式，方便锅炉房能够及时准确地了解供热状况并对锅炉燃烧参数做出调整，从而实现节能减排的目的。目前，在工业现场数据采集和无线温度采集系统中，要使用大量的基于不同物理机制的传感器，且监控和采集的对象多而分散。传统的使用线缆直接连接实现信号传输的方式，将严重限制数据采集点的安放灵活性，设备布线困难。为达到实时、无人值守、不需重新布线的目的，所选用的传感器应该是有源的、准实时、低功耗和便于安装的。因此，通过无线通信的方式传递数据是一种较为理想的选择，它与有线方式相比主要有成本低、携带方便、布线安装简便等特点，特别适用于远程多点无线数据传输系统的实现。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者羽。无线传感器网络具有组网快捷、灵活等优点，具有很高的研究价值和十分广阔的应用前景。本文构建的基于无线传感器网络的多跳无线网络由一个连接p c 机的中心控制节点、路由节点、中继节点和无线传感器节点构成。中心控制节点通过r s 2 3 2 的连接方式实现与p c 机控制系统的通信，并向各节点发出带有地址和路由路径的轮训指令；路由节点和中继节点负责执行路由路径并转发数据；无线传感器节点负责采集室内温度信息，并将数据进行严格地加密后按1哈尔滨工程大学硕士学位论文照路由路径发送给中继节点或路由节点；由p c 机无线温度采集系统监控软件控制节点对各无线传感器节点进行轮询，并获取数据，轮询路径可以是多跳的。无线温度采集系统的开发有效地解决了低成本、远程数据采集的可行性和安全性等问题，对于无线传感器网络技术在环境监控领域的运用有着重要的参考价值。1 2 无线传感器网络的研究和发展现状1 2 1 无线传感器网络的特点无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源受限制的全分布系统，采用多跳对等通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自适应等智能属性刚。典型无线传感器网络系统结构如图1 1 所示。传感器节点图1 1 典型无线传感器网络系统结构无线传感器网络是由一组以自组织方式运行的按需随机分布的集成有传感器、数据处理模块和通信模块的微型传感器构成的，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信息获取者。它是没有任何中心控制的自组织网络，依靠节点问的相互协作( 在事先设计好的各种协议的支持下) 在移动的复杂多变的无线环境中自行组网。借助于多跳转发技术来弥补无线设备的有限网络是一种不需要依赖现有固定通信网络基础设施的、能够迅速展开使用的网络体系，网络节点能够动态地、随意地、2哈尔滨丁程大学硕士学位论文频繁地进入和离开网络。所以它组网灵活性强、支持移动性、易于迅速展开、系统整体能力强( 采用分布式网络结构，一个节点或者少数节点的被毁坏不会导致整个系统的瘫痪) 、系统成本低d 1 。无线传感器网络具有以下特点：( 1 ) 传感器节点的通信能力有限。传感器网络中的传感器传输速率低1 ，通信距离近j 一般只有几十到几百米a 由于传感器往往工作在环境恶劣地区，更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电、潮湿、水浸等自然环境的影响，一方面造成传感器间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现故障、甚至损坏嘲。( 2 ) 传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限。随着传感器节点的微型化，在设计中大部分节点的能量靠电池提供，其能量有限，而且由于条件限制，难以在使用过程中给节点更换电池，所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命册；另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计算和数据存储，因而对于无线传感器网络的研究者们提出了挑战，它们必须设计简单有效的路由协议等，来适用于无线传感器网络。( 3 ) 无线传感器网络的拓扑结构易变化，具有自组织能力。由于无线传感器网络中节点节能的需要，传感器节点可以在工作和睡眠状态之间切换，传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者添加新的传感器节点到网络中，这些情况的发生都使得无线传感器网络的拓扑结构在使用中很容易发生变化。此外，如果节点具备移动能力，也必定会带来网络的拓扑变化。基于网络拓扑结构的可变性，无线传感器网络具有自组织、自配置的能力喁1 。( 4 ) 数据传输方向性强。在传感器网络中，数据传输具有很强的方向性。通常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚。3哈尔滨t 程大学硕十学位论文无线传感器网络的随机布设、自组织和环境适应能力强等特点使其在军事、环境监测、智能交通、医疗设备、智能家居等各个领域和其他商业领域都有广阔的应用前景和很高的应用价值。( 1 ) 军事领域。通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量廉价的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据。在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时j 传感器网络作为整体仍能够完成观察任务。( 2 ) 环境监测。无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便。通过密集的节点布置，可以对微观环境因素进行监测，例如：监测森林火灾、降雨情况、空气污染、水污染、土壤污染、监测海洋、大气和土壤的成分，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径。( 3 ) 智能交通。通过布置于道路上的速度传感器，可以监测行车速度、交通流量等信息，发现违章时能够及时报警和记录，为现代化的交通管理提供了新的解决方案。( 4 ) 医疗应用。传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。无线传感器网络的医疗应用包括对人类生理数据的无线监测、在医院中对医护人员和患者进行追踪和监控、医院的药品管理等。( 5 ) 智能家居。通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境。可见，无线传感器网络有着广泛的实际用途，不仅在军事领域、环境监测方面有着重要的实用价值，而且和人们的日常生活紧密相关。1 2 2 无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络不同于传统数据网络的特点，给无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，主要有恤1 1 1 ：( 1 ) 低能耗4哈尔滨t 程大学硕十学位论文在无线传感器网络的应用中，要求网络中节点的平均能耗比现有无线网络( 如b l u e t o o t h ) 中节点的能耗更低。因为通常传感器节点都是长期在无人值守的环境下工作，所以为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。这就要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。( 2 ) 低成本组成无线传感器网络的节点数量众多，单个节点的价格将极大地影响系统的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一种重要方法是减少系统管理与维护的开销，无线传感器网络中的节点规模很大，人工的管理与维护开销很大，因此需要无线传感器网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指在没有人工干预的条件下，网络中的节点能够监测到其他节点的存在并共同组成一个具有一定功能和结构的网络系统；自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复。( 3 ) 网络拓扑传统的星型结构包含一个主节点，一个或多个从节点。在通信时，主节点与从节点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。星型结构适合在一些小规模网络中使用。在无线传感器网络系统中，节点规模很大，节点间以一种对等、多跳的方式通信，系统的动态性很强。需要设计一种适合无线传感器网络通信特点、低开销、便于维护的网路拓扑结构。( 4 ) 数据安全无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但同时会带来严重的安全问题。由于低成本的限制，一些无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制，入侵者通过频率扫描的手段可以很容易地捕获无线传感器网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击，这些手段包括以较高的能量广播报文，通知周围节点其通信链路质5哈尔滨丁程大学硕士学位论文；i ；宣- 量良好，使邻近节点选择伪装节点来转发报文，而伪装节点收到报文后直接丢弃，或伪装节点持续唤醒周围节点，通过阻止节点休眠来耗尽其能量。总之，保障无线传感器网络的安全是十分重要的，迫切需要提供符合无线传感器网络特点的简捷有效的安全机制。( 5 ) 实时性无线传感器网络应用大多有实时性要求。其中一些应用具有不明确的实时要求，例如，目标在进入监测区域后，系统需要在个很短的时间内对这一事件做出反应。反应的时延越短，就认为系统的性能越好。一些应用具有明确的实时要求，如车载控制系统需要每1 0 m s 读一次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，可能导致交通事故；而无线传感器网络的超大规模、动态变化以及易受干扰的特点给实时设计提出了很大的挑战。( 6 ) 智能性无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感知环境变化，通过节点问的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。在无线传感器网络系统中，单个节点不是很重要，整个网络的协作最重要。无线传感器网络系统是以数据为中心的，它与物理世界密切相关，而且高出错率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要设计新的工作模式。1 2 3 国外无线传感器网络的研究及发展现状无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期，美国的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工大学和康奈尔大学等几所大学已经进行了无线传感器网络基础理论和关键技术的研究，许多著名公司也纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。1 9 9 5 年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划 ，预计n 2 0 2 5年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传6哈尔滨工程大学硕士学何论文感器技术、控制技术及处理技术并运用与整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统2 1 。2 0 0 1 年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，成倍地提高单一传感器的能力，使作战指挥员能更好、更快地做出决策，从而改进未来战斗系统的生存能力引。2 0 0 2 年，美国加州大学伯克利分校i n t e l 实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部署了用来监测岛上海鸟生活习性的无线传感器网络，它们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近l o 种类型的传感器，系统通过自组织无线网络，将数据传输到1 0 0 m p 的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器进行分析研究引。2 0 0 3 年，美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，并联合加州大学伯克利分校、南加州大学等，展开了“嵌入式智能传感器”研究项引1 2 1 ，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是美国国情咨文中有关i n t e r n e t 2 最主要的远景规划之一。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。该系统通过在鞋、家具及家用电器等家中用具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。2 0 0 5 年美国b e a 系统公司为提高美军的电子战能力而研发的“狼群 地面无线传感器网络系统是一个典型的无线传感器电磁信号监测网络，它具有多功能电子战能力，不仅可以监听地方雷达和通信，分析地方的网络和系统的运动，还可干扰敌方发射机或用算法包来渗透敌方的计算机q 。2 0 0 6 年美国军方成功地测试了由无线传感器网络组建的枪声定位系统。它是将节点安置在建筑物周围，按照一定的程序组建成网络进行突发事件的的检测，经鉴定其精度可达l m ，反应时间短于3 秒，为救护、反恐提供了有7哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文力的辅助手段。采用无线传感器网络，可以让大楼、桥梁及其他建筑物能够感知并汇报自身的状态，从而让管理部门按照优先级来进行一系列的维修工作，例如，将具有温度、湿度、压力、加速度、光度等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无须拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测5 1 。英国一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个警告系统，它们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面，通过监测灯光的亮度是否改变，测量物品是否遭受到震动等因素，来确保展览品的安全。近期，还有更多的军事、民用、学术项目开始了无线传感器网络的开发和研究，j t l ：ls e n s o r w e b s 计划、n e s t ( n e t w o r ke m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ) 、u a m p s 等。1 2 4 国内无线传感器网络的研究及发展现状我国近几年也加快了无线传感器网络研究步伐，中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、中科院计算所、软件所、电子所和合肥智能所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、浙江大学、国防科技大学和中国科技大学等院校在国内较早地展开了无线传感器网络的研究。中科院上海微系统研究所凭借其在微系统和微机电系统技术方面良好的基础，从1 9 9 8 年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，并且已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发，他们的很多工作都是与c d m a 和g p s 技术相关，从某种程度上说己经超越了无线传感器网络技术的范畴。中科院计算所( 宁波) 成立了专门的项目组，开发了自己的系列节点，配套协议栈以及网络管理软件，以提供一个实验和研究平台。中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感和控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少。8哈尔滨t 程大学硕士学位论文浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室 ，联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。2 0 0 7 年无线传感器网络控制实验室设计了一个多跳无线轮询网络，应用于敦煌微气象环境检测，主要负责对莫高窟内温度、湿度以及二氧化碳浓度进行检测。目前我国无线传感器网络的研究取得了二定的成就，支撑无线传感器网络的关键技术研究也取得了一定的进展，如无线通信技术、芯片集成技术的成熟和进步。但从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外还有差距，研究内容多数还停留在理论阶段，开发出的硬件和软件系统以实验目的为主，仍然缺少对整个系统的创新性研究。无线传感器网络作为未来世界的重要技术有着广阔的应用前景，但要想让它真正融入到人们生活的每个层面，还需要我们开展更多、更全面的研究工作。1 3 课题研究的主要内容本文研究了一种基于无线传感器网络技术的无线温度采集系统，该系统通过制定多跳路由的通讯协议实现了传感器的组网，并且对传输的数据进行了加密，达到了远距离无线安全通讯的要求，具体研究内容如下：( 1 ) 无线温度传感器网络节点硬件电路的设计及软件编程；( 2 ) 无线温度传感器网络路由协议、数据通信协议、加密方法的研究与设计；( 3 ) 基于p c 的监控程序软件设计。9哈尔滨t 程大学硕十学何论文第2 章无线温度采集系统方案设计2 1 系统方案设计目标系统的设计目标是构建一个无线温度采集网络，实现远程楼宇内温度数据的采集和监控。该系统要求传感器节点在监测范围内构成网络，采集需要的室内、室外温度数据，并能以无线多跳的方式传输给监控中心，用户可以利用上位机监控软件查询需要的数据，并可以给传感器网络发送查询指令。根据系统应用现场工作环境的要求，提出了以下主要技术指标：( 1 ) 监测环境：监测冬季办公楼区( 有树木遮挡) 内1 1 栋建筑的楼内及室外温度，其中包括1 个锅炉房，7 栋办公楼，1 栋公寓楼及2 个车库；( 2 ) 无线通信距离： l k m ( 1 1 栋楼分布在距离锅炉房一公里的范围内) ；( 3 ) 最大容纳采集点：4 0 9 5 个；( 4 ) 温度测量精度：o 5 ；( 5 ) 测温范围：- 4 0 + 1 2 5 ；( 6 ) 系统响应时间：5 s ；( 7 ) 工作电压：a c 2 2 0 v 1 0 。2 2 系统方案设计原则构建远程温度采集网络时需要考虑数据的传输方式、通信的质量、数据安全、是否便于安装和成本等问题。因为要将系统应用到多个办公楼和锅炉房之间，所以还要考虑周围恶劣的环境所带来的干扰。本设计主要从以下几个方面来考虑：( 1 ) 远程数据传输方式远程数据传输方式有很多，需要根据系统应用的实际环境和工况来确定数据传输方式。由于系统要求应用在办公楼区内，其应用环境较复杂，要做到布点容易、安装简单、易于操作，需要采用无线的方式传输数据。1 0哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文( 2 ) 无线通信质量被测现场的周围环境比较复杂，存在墙体和树木等物体带来的干扰，所以系统需要选择有效的无线收发模式来克服传输距离和障碍物干扰的问题，以确保无线通信质量。( 3 ) 数据安全性应用射频技术的无线数据传输j 存在安全性阿题：在公共频段下数据的传输处于公开状态，任何人都有可能接收到系统发出的数据，因此数据在发送之前要进行严格的加密，接受数据时要进行严格的校验和解密，以确保数据安全。( 4 ) 低成本低成本是节点设计的基本要求，这是大规模无线传感器网络广泛进入实际应用的必要前提。2 3 远程数据采集方案选择运程数据采集可以运用有线和无线两种数据传输方式，有线的远距离数据传输方式有很多，其中应用较多的方法是电力载波、网线传输和电话线传输等。电力载波刀是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，最大特点是不需要重新架设网络，利用原有电线网络，进行数据传递。但是电力线载波通讯因为有以下缺点：( 1 ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；( 2 ) 三相电力线问有很大信号损失( 1 0d b 一3 0 d b ) ；( 3 ) 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同，耦合方式有线地耦合和线中线耦合。线一地耦合方式与线中线耦合方式相比，电力载波信号少损失十几d b ，但线地耦合方式不是所有地区电力系统都适用；( 4 ) 电力线存在本身固有的脉冲干扰。1 】哈尔滨t 程大学硕十学何论文利用网线或电话线可以实现远距离数据传输，但待测办公区内有些待测点周围没有网线和电话线覆盖，例如：车库，设备维修室等，这使得网络的全面布置很难完成。无线的远距离数据传输方式主要有无线传感器网络、g s m 短信、g p r s 、数传电台、卫星通信和w i f i 等。在无线数据传输时，由于发射功率的制约，传感器节点的通信距离多数在1 0 0 米以内，这就限制了传感器的部署范围引。为了扩展使用范围，很多远距离无线通讯方式应运而生。表2 1 从传输速率、可靠性、时延、通信费用等方面对远距离无线通信方式的性能进行了比较。表2 1 远距离无线数据传输方式的比较通信方式无线传感器网络g s m 短信g p r s数传电台卫星w i f i通信距离可扩展至数公里全球漫游全球漫游6 公里全球5 0 米传输速率2 5 0 k b p s2 6 k b p s 2 1 5 v ) ；4 倍频锁相环( p h a s el o c kl o o p ，p l l ) ；3 1k h z 内部振荡器。外设特点：灌电流拉电流峰值为2 5m a 2 5m a ( p o i 汀b 和p o r t c ) ；4 个可编程外部中断；4 个输入电平变化中断；2 个捕获比较p w m ( c c p ) 模块；3 个增强型捕获比较p w m ( e c c p ) 模块；2 个主控同步串行端口( m a s t e rs y n c h r o n o u ss e r i a lp o r t ，m s s p ) ，支持共4 种模式下的3 线s p i x m 以及1 2 c t m 模块的主控和从动模式；两个增强型可寻址u s a r t 模块，支持r s 4 8 5 、r s 2 3 2 和l i n1 2 ；多达1 5 路通道的1 0 位模数转换器模块( a d ) ；2 个带输入复用的模拟比较器。具备这些功能使得p i c l 8 f 6 5 j 1 系列单片机成为许多高性能、低成本应用的理想选择。3 3 2 无线通信模块的选择与电路设计现有无线采集系统中，大部分采用专用的无线数传模块来实现无线通信。无线数传模块通信距离较短，一般在1 0 0 m 左右，如果将其安放在环境复杂2 0哈尔滨工稃大学硕七学位论文的办公楼内，受墙体影响信号衰减较严重，而且无线数传模块存在数据安全问题，即使采用多跳的方式也很难实现远距离的有效通信。本文研究设计的由射频芯片、功率放大器和射频开关组成的无线通信模块通过使用功率放大器，可达到l k m 以上的通信距离，实现了数据的远程传输，无线通信模块结构如图3 - 3 所示。图3 3 无线通信模块结构图天线3 3 2 1 无线通信模块的组成与工作原理无线通信模块主要由射频芯片i a 4 4 2 1 、功率放大器p a 2 4 6 0 、射频开关h w s 3 1 4 和天线组成。射频芯片i a 4 4 2 1 负责数据的无线收发，即将数据转化为射频信号；功率放大器p a 2 4 6 0 负责将从i a 4 4 2 1 中发出的射频信号进行放大，然后通过天线发射出去：射频开关h w s 3 1 4 与功率放大器p a 2 4 6 0 并联，通过控制h w s 3 1 4 的通断可以实现无线收、发信号的切换。发送数据时，功率放大器p a 2 4 6 0 电源接通，射频开关h w s 3 1 4 断开，信号经功率放大器放大后发射出去；当处于接收状态时，关闭功率放大器p a 2 4 6 0 电源，打开射频开关h s w 31 4 ，数据信号通过天线直接传入无线收发芯片i a 4 4 2 1 进行处理。3 3 2 2 无线通信模块的硬件电路设计i a 4 4 2 1 是i n t e g r a t i o na s s o c i a t e s 公司推出的射频收发二体芯片。i a 4 4 2 12 1哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文是全集成的一颗单晶片低功耗，多频道的f s k 收发器，工作在无须申请注册的4 3 3 m 、8 6 8 m 、9 1 5 m 频段。芯片的工作电压为2 2 3 8 v ，采用低功耗模式，待机电流为0 3 衅，采用f s k 调制模式，发射功率为5 8 d b m ，接收灵敏度为1 0 9 d b m ，内置时钟输出，可省掉m c u 的晶振。i a 4 4 2 1 具有高数据传输速率，数字信号的传输速率可达1 1 5 2 k b p s ，模拟信号的传输速率可达2 5 6 k b 西s 。i a 4 4 2 1 收发器是一个很有弹性、低成本、高集成度、在生产中无需统调的产品。i a 4 4 2 1 内部集成包括有高频功率放大器( p a ) 、低噪声放大器( l n a ) 、i q 转换混频器、基带滤波器、放大器、i q 解调器例。所需的射频功能都集成在芯片中，外部电路仅需要一个晶振和几颗退藕电容，且对晶振的精度无特殊要求( 具备自动频率控制，可确保收发器自动调整到输入信号的频率) 。i a 4 4 2 1 的主要特性：全集成的( 元器件少，容易设计) 生产中无需统调的快速设置，可编程高精度p l l ，具有快速跳频功能；高速率；直接差动无线输入输出，集成功率放大器；可编程的t x 频率偏差和r x 基带带宽；模拟和数字r s s i 输出；自动频率控制( a f c ) ；数据质量检测( d q d ) ；内部数据滤波和时钟获取；r x 同步格式识别；s p i 兼容串口控制接口：为微控制器提供时钟和复位信号；1 6 位r x 数据f i f o ：两个8 位的t x 数据寄存器；2 2哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文任务周期低功耗模式；标准的1 0 m h z 参考晶振；唤醒定时器；小巧1 6 p i nt s s o p 封装；支持短的数据包( 3 个字节以下) ；r f 参数具备极好的温度稳定性。基于i a 4 4 2 1 的射频电路原理图如图3 4 所示。图3 4i a 4 4 2 1 电路原理图p a 2 4 6 0 是一款由h i m a r k 公司生产的功率放大器，该功率放大器( p a )集成电路可作为射频电路的最终功率放大器使用，可作为手持式设备的应用，工作频段为1 3 0 m h z 到4 8 0 m h z 频段口5 1 ，常被应用在f r s 、g m r s 手机、商业和消费系统、便携式电池供电设备及长途远程控制方面。p a 2 4 6 0 的主要特点：工作电压3 5 v 至6 v ,输出功率+ 3 3 d b m ；效率5 5 ；8 引脚s o p 封装( 5 毫米4 毫米) ；最大电源电压6v ；最大电源电流1 0 0 0m a ；最大输入功率1 0d b m ；2 3哈尔滨t 程大学硕士学位论文工作温度范围5t o1 0 0 ：存储温度范围4 0 t o1 2 5 ；基于p a 2 4 6 0 的射频信号功放电路原理图如图3 5 所示。工3 3 u jr w l1 0 n hw ic 1 ，、 n3。，161一一一!lil一卜伊中v o c 止h 常1 掣常q图3 5p a 2 4 6 0 功率功率放大器电路原理图h w s 3 1 4 是由h e x a w a v e 公司生产的砷化镓微波单片集成电路射频开关。采用一种低成本的s o t - 3 6 3 塑料封装闭。h w s 31 4 有非常低直流功率损耗，一般可作为开关应用于模拟和数字无线通信系统。h w s 31 4 的主要特点：低输入损耗：0 4 5 d b 工作在2 g h z 时；典型输入：+ 3 0 d b m ，电压+ 3 v ；开关时间：5 0 n s ；控制电流：1 0 0 b a 。h w s 3 1 4 电路原理图如图3 6 所示。2 4哈尔滨工程大学硕十学位论文l u v uc 1 6上二g n dl i f e叫卜觋r f iv c l4 2 2 0 pc l 【s ll图3 6h w s 31 4 射频开关电路原理图为了满足发射功率的要求，天线采用吸盘天线，天线输入引脚和p a 2 4 6 0的r f o u t 引脚相连，如图3 5 ，天线频率为4 3 3 m 、阻抗5 0 欧姆、增益5 d b 伫刀，吸盘底座直径9 c m 、天线总高7 0 c m ，采用三芯引线，引线长度3 米。3 3 3 传感器模块的选择与电路设计3 3 3 1 传感器模块的选择温度传感器有很多种，通常有电阻式、热电偶式、p n 结型、辐射型、光纤式及石英谐振型，它们都是采用温度变化引起其物理参数( 如电阻值、热电势等) 变化的原理，属于模拟量温度传感器。随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。温度检测的传统方法是使用模拟传感器，那么一个温度量要经过感温元件、测量电路、放大电路、数模转换电路之后才能得到相应的数字量，设计者需考虑的线路环节较多，相应测温装置中元器件数量降不下来，随之影响产品的可靠性和体积微缩化。与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计，使数字式传感器在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点。考虑到系统测温节点众多的实际情况，系统选择了采用单总线传输模式的d s l 8 8 2 0 数字式温度传感器。数字式温度传感器的应用可以省去a d 转换器电路，简化了温度传感器连接电路，并且提高了测温精度。2 5哈尔滨工稗大学硕士学位论文3 3 3 2 温度传感器硬件电路设计d s l 8 8 2 0 温度传感器是美国d a l l a s 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9 1 2 位的数字值读数方式。d s l 8 8 2 0 在芯片内部集成了温度传感器和模数转换器，处于待机状态的电流小于1 衅，非常适合用于有低功耗要求的场合。d s l 8 8 2 0 无需信号调理和a d 转换电路，这就减少了不少能耗。另外，传感器也有活动和休眠工作状态，休眠状态时消耗很弱的电流。d s18 8 2 0 的主要特性2 引：( 1 ) 工作电压范围：3 0 5 5 v ，