（农业电气化与自动化专业论文）温室WSN节点恶劣环境性能测试平台的研制.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本课题研究目的是构建测试w s n 节点在温室内工作性能的系统，目前国内专门用于 这种测试的平台比较少见。现代温室环境具有高温高湿的特点，本研究意义在于通过模 拟温室内恶劣环境来测试w s n 节点性能受其影响的程度和老化的状况。根据现有温湿度 控制算法分析研究出新的控制策略来提高控制精度也有必要。 文中详细论述了测试平台的系统组成，软件硬件设计和设备选型。测试平台工作时， 温度湿度传感器感知测控平台的温度或湿度信号，信号经1 2 位a d 转换后送至微处理器 c 8 0 5 1 f 4 1 0 处理，通过模糊自整定p i d 算法控制输出。平台加热和加湿功能是通过p w m 输出控制双向晶闸管，进而控制p t c 加热器和超声波加湿器实现；制冷和除湿功能采用 输出开关量驱动继电器装置实现。通过上位机的监控软件可以对平台定温定湿控制，利 用数据库可以将期望温度、湿度，实际温度、湿度以及时间等数据进行记录和分析。 研究和分析了适用于测试平台的几种常用的控制算法，将其进行比较和选择，发现 p i d 控制在一般过程对象控制中可以得到比较好的效果，但该算法是建立在确切得知被 控对象特性或特性不变的情况下，所以用这种算法控制系统存在很多困难。根据系统特 性，通过研究模糊控制理论，结合p i d 算法设计了基于模糊推理的自整定p i d 控制器。 上位机采用v b 6 0 开发监控软件对整个平台的数据进行监控，通过对上位机设定，可以 进行手动或自动操作以实现相应功能。 w s n 节点恶劣环境测试平台组装完成，并进行了测试，对得到的数据进行了分析， 结果表明测试平台工作状态稳定，达到了设计要求。 关键字：温室无线传感网络模糊p i d 算法单片机测试平台 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t sad e v e l o p m e n to fw s nn o d et e s tp l a t f o r mo nh a r s he n v i r o n m e n ti n g r e e n h o u s e t h ea i mi st oc o n s t r u c tat e s t i n gp l a t f o r mw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fh i g ht e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y p r e s e n t l y ，s u c hat e s t i n gp l a t f o r mi sr e l a t i v e l yr a r e t h ed e s i g n so fp l a t f o r ma r e b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fw s nn o d e t h ep l a t f o r mc a ns i m u l a t et h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ye n v i r o m e n ti ng r e e n h o u s ea n dp r o v i d et h ep e r f o r m a n c et e s t i n g f u n c t i o n t os t u d yn e w s t r a t e g i e st oi m p r o v et h ec o n t r o lp r e c i s i o ni sa l s on e c e s s a r y t h ed e s i g n so ft h es o f i w a v ea n dh a r d w a v eo ft h ep l a t f o r ma l ep r i m a r i l yd i s c u s s e di nt h e p a p e r t h et e s t i n gs y s t e mc o l l e c t st h et e m p e r a t u r ea n dt h eh u m i d i t yo ft h ep l a t f o r ma n dt h e n s e n tt h ea n a l o gs i g n a l st ot h em i c r o p r o c e s s o rc 8 0 51f 410t od i s p o s eb ya da n do u t p u t c o n t r o l l e dt h r o u g hf u z z ys e l f - t u n i n gp i da l g o r i t h m t h ep t ch e a t e ra n du l t r a s o n i ch u m i d i f i e r p o w e ra r ec o n t r o l l e db yt h ep w mo u t p u t t e dt h r o u g hf u z z ys e l f - t u n i n gp i da l g o r i t h m t h e r e f r i g e r a t i o na n dd e h u m i d i f a c a t i o nf u n c t i o n sa r ec o n t r o l l e db yt h em u l t i - w a ys w i t c hr e l a y d r i v e ro u t p u t s t h ep l a t f o r md e s i g n e dm a yb ec o n v e n i e n t l ys e tf i x e d - p o i n tr u nt h r o u g hp c m o n i t o ri n t e r f a c e ，r e c o r da n da n a l y s i st h ed a t ao fe x p e c t e do ra c t u r et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y b yu s i n gd a t a b a s e i n t h i sp a p e rp i da l g o r i t h mi sm a i n l ys t u d i e d ，a n a l y s i ss e v e r a lc o m m o n l yu s e dc o n t r o l a l g o r i t h m sa n dc h o i c et h es u i t a b l ec o n t r o la l g o r i t h m p i dc o n t r o li ss u i tf o rt h ep r o c e s so f g e n e r a lm o d e l ，b u t t h i sa l g o r i t h mi sb a s eo nk n o w ne x a c ts h a r a c t e r i s t i c so r u n c h a n g e d p r o p e r t i e so fm o d e l ，s ot h e r ea l em a n yd i f f i c u l t i e st o u s ep i dt oc o n t r o ls y s t e m b a s e do n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a t f o r ms y s t e m w es t u d yt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dt h ed e s i g nf u z z y r e a s o n i n gs e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e rc o m b i n ew i t hp i da l g o r i t h m v b 6 0i su s e dt od e v e l o p t h ee n t i r em o n i t o i n gs o f i w a v eo ft e s t i n gp l a t f o r mt om o n i t o rt h er e a l t i m ed a t aa n dm a n u a l l yo r a u t o m a t i c a l l yc o n t r o lf u n c t i o n sc a nb eo p e r a t e db yt h ep cm i n i t o i n gs o f l w a v e t h i st e s t i n gp l a t f o r md e s i g n e di n t h i sp a p e rh a st h ef e a t u r eo fw i d e rt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yt e s t - r a n g e ，p o r t a b l ed e s i g n ，s m a l li ns i z e ，s i m p l eo p e r a t i o n ，s t e a d yw o r ks t a t ea n d s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y k e y w o r d s ：g r e e n h o u s ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s f u z z yp i da l g o r i t h ms i n g l e c h i p m i c r o p r o c e s s o r t e s tp l a t f o r m l l 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 不保密团。 学位论文作者签名： 稻、嗍 签字日期：即年6 月同 孰如 瓦净 尸吼叩 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，均己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。 学位论文作者签名：力如、嗍 日期：1 引肛日 江苏大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的来源与研究目的和意义 本课题来源于国家“8 6 3 ”高技术发展计划资助项目“温室新型变结构自组织无线传 感网络测控系统研究”( 项目编号：2 0 0 6 a a l 0 2 2 5 8 ) 。 目前通过配置智能化无线传感器网络，对环境信息待测参数的无线传感处理分析来 达到检测目的，这一技术已经应用到国防军事，工农业生产等各个领域。利用无线传感 器网络实现数据传输是解决温室环境测控系统通信问题的有效方法【l 】。但温室高温高湿 的特点对无线传感网络节点的性能会产生较大影响，需要开发一种针对测试无线网络节 点性能及其老化情况的平台。其测试的关键是无线传感节点的性能及寿命的测试问题。 无线传感网络节点的使用寿命不仅与节点电池的寿命和节点软硬件设计有关，还与温室 环境的变化有关，恶劣的环境会对节点的使用寿命造成很大影响，可能会大大缩短其使 用期限。本平台研制目的就是为了测试无线传感网络节点在不同温度湿度条件下的工作 状态及其寿命，开发一种对温度湿度控制精度较高的测试平台。目前在国内用于温室无 线传感网络节点测试的试验平台鲜有见到，因此温室wsn 节点恶劣环境测试平台的研 制对温室无线传感网络节点的研制开发具有重要意义。 现今各类气候试验箱，恒温恒湿箱的温湿度通常需要严格的控制才能满足各类实验 的需要。但常常因为温湿度传感器测量正确性低，测量设备成本高而无法满足快速准确 的要求。开发这样较高精确度和较低成本的测试平台有利于开展wsn 节点恶劣环境性 能的测试功能。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 最早的环境试验设备是在天然条件下进行的，这种试验不需要特殊的设备，但受天 然环境条件的影响很大，试验时间长、重现性差。为了正确验证产品环境适应性和可靠 性，各国纷纷投入可观的人力和财力研制出能模拟天然环境条件的试验设备。自从1 9 2 1 年德国西门子公司研制出世界上第一台湿热试验箱，英国美国同本也先后开始研制和生 产环境试验设备【2 1 。 江苏大学硕士学位论文 环境试验用温度、湿热设备平台的工作原理有多种。目前温度控制使用最多的是通 过压缩机制冷气体，电热丝加热升温，使箱体内气体循环降温。相对湿度是通过对箱体 底部的蓄水槽体鼓风加热气化加湿，压缩机分路冷冻去湿来调节。设备通常由试验室、 制冷机组和控制系统组成。试验室内包含样品区，空气调节通道。空气调节通道中有加 热丝、蒸发器、加湿器、风机，在通道出口有干球和湿球温度传感器。其工作原理为： 将样品放入样品区，在操作面板给定试验条件( 温度湿度) ，控制系统发出指令启动风 机工作，根据试验的温度和湿度设定值，控制加热器、蒸发器和加湿器工作。风机在设 备运行后一直工作，控制系统根据传感器测量反馈得到样品区内的实际温度和湿度，用 一定的调节规律控制加热器、加湿器和制冷机等部件的工作，从而到达试验要求的温度 和湿度3 1 。 目前温湿度控制平台追求既要保持一定的控制精度，又要做到无超调，无欠调。当 前国际上做的较好的主要是德国和日本，还有我国台湾，其控制精度也能达到0 2 。c ，具 有较强的技术实力。国内现在能达到的温度最高精度约是0 3 。c - - 0 54 c o ) ，湿度为2 r h 。 温度控制范围从7 0 一1 8 0 不等，湿度为2 0 r h 一9 8 r h 。高档的控制系统还配有智 能微电脑液晶显示界面，可以实时显示温湿度及曲线显示p j 。 几十年前机械制造行业就出现了温湿度环境试验设备的生产，其制冷、加热基本技 术已经渐渐成熟。随着工业技术的进步和发展，很多新的应用技术不断引入到环境试验 设备中，如计算机技术、模糊控制理论，多箱同步运行等，因此现在市场上的相关产品 性能差别比较大。各个生产厂家生产产品的工作原理，所用技术，甚至结构、材料等都 有很多相似之处。由于环境试验设备“多非标、多品种、小批量”的生产方式的制约，产 品质量可靠性成为一个大家关心的问题。 温湿度环境试验箱按功能可分为单功能类和多功能类。单功能的例如只能调节温度 的试验箱，多功能的例如三综合试验箱。对于做不同功能用的试验箱，人们对其考虑的 侧重点也不一样。例如三综合试验箱常常用于产品部件或组件和环境应力筛选试验，此 时设备的强制除湿能力和附加空气干燥系统的可能性是用户应该重点关心的项目。如果 有的用户想利用三综合试验箱作环境试验( 如湿热试验) ，则温湿度场均匀度的可调整性 则是必须考虑的因素。 环境试验箱参数( 温度、湿度等) 的精度指标都是在空载状态下检测的结果，一旦 置入被试验件后，对试验箱工作腔内环境参数的均匀性将产生影响，试验件占有的空间 2 江苏大学硕士学位论文 越大，这种影响也就越严重。箱壁的温度与箱壁附近流场的温度相差可能达到2 3 ( 视箱壁的结构和材料而定) ，因此距箱壁1 0 0 m m 左右的空间是不可利用的。 温度、湿度试验箱按工作控制方式分恒定试验箱、交变试验箱两种情况。普通的高 低温试验箱一般指的是恒定高低温试验箱，其控制方式为：设定一个目标温度，试验箱 具有自动恒温到目标温度点的能力。恒定温湿度试验箱的控制方式也类似：设定一个目 标温度、湿度点，试验箱具有自动恒温到目标温度、湿度点的能力。高、低温交变试验 箱具有设定一条或者多条高低温变化循环的程序，试验箱有能力根据预置的曲线完成试 验过程，并且可以在最大升温、降温速率能力的范围内，精确控制升温、降温的速率， 即可以根据设定的曲线的斜率控制升温、降温速率。同样，高低温交变湿热试验箱也具 有预嚣温度、湿度曲线，并且根据预置进行控制的能力。 环境试验箱可以采用不同的控制算法。控制算法策略的历程可以分为以下几个阶段： 5 0 年代末起到7 0 年代为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期1 1 i j j 既是经典控制理论应用 发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期；7 0 年代至9 0 年代为第二阶段，即 现代控制理论阶段；9 0 年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶劂如j 。第一阶段以经典 控制理论为主要控制方案，在诸多控制系统中，以单回路结构、p i d 策略为主，同时针 对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如达林顿算法、s m i t h 预估器、根轨迹 法等。这阶段的主要任务是稳定系统、实现定值控制。第二阶段以现代控制理论为基础， 以微型计算机和高档仪器为工具，对复杂现象进行控制。这阶段已出现了大量的先进控 制系统和高级控制策略，如消除因模型失配而产生不良影响的预测控制，克服对象时变 和环境干扰等不确定影响的自适应控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化， 以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。第三阶段控制方法主要朝着综合化、智能化方 向发展。比如近年来出现的人工智能控制理论等。智能控制理论中，专家系统、神经网 络、模糊控制系统是最有潜力的三种方法。专家系统在工业生产过程、故障诊断和监督 控制以及检测仪表有效性检测等方面获得成功应用；神经网络则可为复杂非线性过程的 建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上；模糊系统不仅有行 之有效的模糊控制理论为基础，而且能够表达确定性和不确定性两类经验，并提炼成为 知识进而改善已有控制。应用经典控制理论的前提是建立在频率法和根轨迹法基础上的， 特别适用于单输入单输出系统。而现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时变系统 的问题，它以状态空问法为主要方法，分析和设计系统的，其目的是为了寻找最优控制 江苏大学硕士学位论文 规律使系统的性能达到最优【6 】。这两种方法在精确数学模型的自动控制系统中发挥了巨 大的作用，并取得了令人满意的控制效果。 经典控制理论和现代控制理论，都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。实际 系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特 点。这罩的关联性不仅包含过程对象中各物理参数之间的耦合交错，而且包含被控量、 操作量和干扰量之问的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确 定性；非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性。由于被控对象的这种复杂性，决 定了控制的艰难性。传统控制方法绝大多数是基于被控对象的数学模型，即按照建模控 制优化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前的建模理论和方法已有 长足的长进，但仍有许多过程和对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，使我们不得不 对被控对象进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上， 控制效果自然会大打折扣，因此，用传统的控制手段进一步提高控制对象的质量遇到了 极大的困难，传统控制方法面临着严峻的挑战。 专家系统是具有专门领域专家水平的知识，并能像专家一样工作的智能程序系统。 它应用人工智能( a i ) 技术，根据人类专家提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家的 思维过程来解决那些需要专家才能解决的复杂问题。其主要优点是层次结构、控制方法 和知识表达上的灵活性较强，既可以符号推理，又允许模糊描述演绎。但灵活性同时带 来了设计上的随意性和不规范性，而且控制知识的获取、表达和学习，以及推理的有效 性也是难点。 智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。9 0 年代 以后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家系统、 传统p i d 控制与智能控制的结合等。这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景1 7 l 。 神经网络的主要特点是具有并行机制、模式识别、记忆和自学习能力1 8 l 。神经网络建 模以非传统表达方式和固定的学习能力实现系统输入输出的映射，并在短时间内得到迅 速发展。尤其在传统建模方法难以对非线性系统的建模有所突破的形势下，神经网络更 表现出其巨大的潜力。但神经网络作为智能控制器要有大量的训练样本，训练周期过长， 这给运用单片机控制带来了困难。 模糊控制作为智能控制的一个重要分支9 j f l 0 】。模糊控制是控制理论和模糊数学相结 合的产物，它采用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、 4 江苏大学硕士学位论文 模糊关系、模糊推理等工具，得到的控制表格进行控制。模糊控制是使用语言规则，不 需要掌握过程的精确数学模型。因为对于复杂的控制系统很难得到精确数学模型，而语 言方法却是一种很方便的近似。操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这 些模糊条件语言很容易加入到过程的控制环节。采用模糊控制，过程的动态响应品质优 于常规的p i d 控制，并对过程参数的变化具有很强的适应性。 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，其结构简单实用，对模型误差鲁棒性好， 可靠性高而得到广泛应用。但在实际生产现场传统的参数整定方法繁杂和积分饱和等问 题常使得常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，参数整定非常困难，同时温湿 度控制具有很强的惯性，滞后性和耦合关系，使用常规p i d 控制往往效果不好。因此， 寻找一种更好的控制算法来实现对此类系统的控制具有现实意义。近几年来，智能控制 与常规p i d 控制相结合，形成了所谓智能p i d 控制，这种新型控制器已经引起人们的普 遍关注和极大兴趣，比如模糊控制、神经网络控制结合等是目前智能控制研究中最为活 跃的领域】。新型智能p i d 控制应用到本课题研究的测试平台是本论文的重点。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题的主要研究内容如下： 1 介绍目前w s n 的一些关键技术，分析无线传感网络的工作原理，论述典型w s n 节点软硬件设计，分析温室影响w s n 节点功耗，丢包率等性能的因素。 2 结合温湿度测控过程的特点，对被控对象进行理论分析，提出用于温湿度过程控 制的纯p i d 控制、加入s m i t h 预估器的p i d 控制、模糊控制、参数自整定模糊p i d 控制 方法和方案的选择。并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。 3 结合w s n 温湿度测试平台对控制器的要求，设计一个智能温湿度控制器，包括 总体方案设计、硬件电路设计和软件设计。规划上位机的监控软件及数据库。 4 最后进行测控系统的数据采集和性能分析。 1 4 系统研制简介及完成情况 分析了适用于大惯性大滞后系统的常用控制算法，并进行了比较和控制方案的选择。 设计了模糊p i d 控制器及对几种控制算法的仿真分析。完成了温湿度传感器和设备的选 型，设计和制作了多路传感器数据采集电路和控制输出电路，完成了试验平台的设计组 江苏大学硕士学位论文 装，上位机的监控界面和数据库设计与实现，设计了测试平台的测控系统的总体软件， 并实现了整机系统调试和试验测试。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章测试平台系统工作原理及设备选型 2 1 测试平台的工作原理 2 1 1 无线传感网络技术及w s n 性能分析 近年来随着通信技术、嵌入式计算技术、微机电系统技术和传感器技术的飞速发展， 具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现，这些微型传感器通过组网 构成传感器网络。这种传感器网络能够协同实时监测、感知和采集网络分布区域内的各 种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送给需 要这些信息的用户。2 0 世纪9 0 年代以来，在国外无线传感器网络已在环境、军事监控得 到了应用，同时在农业、地震与气候预测、地下深水以及外层空间探索等许多方面都具 有广阔的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是2 1 世纪最 重要的技术之一。 近十几年来，我国农业在社会信息化、知识经济的推动下，己接受并引入了信息技 术，在农业信息化的道路上起步迈进。在国外已进入“信息时代的现代农田精耕细作技 术 时代，但目前在我国国内的现代温室种植领域却主要还是手工或简单自动机械手段， 使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。 如果采用了传感器和无线传感网络技术，大型温室将可以逐渐地转向以信息和软件为中 心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器 可能收集包括土壤湿度、氮浓度、p h 值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些 信息和采集信息的地理位置经由无线传感网络技术传送到中央控制设备供农民决策和参 考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机 部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿 着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过 多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传 感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相 7 江苏大学硕士学位论文 对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网 络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节 点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。 目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。 无线传感器网络节点一般是由微传感器、信号调理、a d c 微处理器、软件、电源、 无线通信以及天线等部分组成。传感器完成数据采集，a d c 完成模拟到数字信号的变换。 被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式c p u 。数据通信传 输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。无线传感器网络节点的软件包括操 作系统、通信软件、应用软件。操作系统借助协议的通信软件负责网络内邻居节点的自 发现、自组织，以及数据的安全透明传输，而应用软件完成数据的处理加工。 无线传感器网络节点中信号流向可以表示为如图2 1 所示。 数 物 传 信字 理 口 信通天 信 感 1 了 卜_ 线 口 器 调d号信 丐 理 处 理 图2 1 无线传感网络节点的信号流图 物理信号经过传感器转换为电量，由信号调理电路进行预处理后送人a d 进行数 字化变换。数字信号通过数字信号处理后通过射频通信发射。 这里基于m s p 4 3 0 f 1 3 5 和c c 2 4 2 0 组成的无线传感器网络节点进行分析。无线温室 监控系统由监控中心、可移动汇集节点和传感器节点组成，无线传感网络采用超低功耗 单片机m s p 4 3 0 f 1 3 5 和c c 2 4 2 0 无线局域网的现场数据采集系统，网络节点组成主要包 括处理器及外围电路模块，无线通信模块，传感器及信号处理模块和电源模块1 1 2 】，如图 2 2 所示( 电源模块除外) 。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 2w s ni 西点的结构框图 节点的工作原理是这样的：对于被唤醒的w s n 传感器节点，首先对通信信道进行空 闲检测，向汇聚节点发送加入网络的关联请求命令，然后接收汇聚节点确认帧；接收信 息采集命令；收到信息采集超帧的信标帧后与汇聚节点进行时间同步，根据g t s 时槽分 配安排自身任务；进行采集相关信息任务并封装成数据包，准备工作结束后进入休眠状 态，同时等待自己的通信时槽到来；最后向汇聚节点发送数据帧和接收汇聚节点确认帧。 信息发送成功，再次进入休眠状态。 w s n 节点的工作环境是具有高温高湿特点的温室，其环境因子包括温度、湿度、c 0 2 c 0 2 、光照、风速等。其中温湿度因子的恶劣程度会影响w s n 节点的工作性能和使用寿 命。w s n 节点在温室恶劣环境下受温湿度影响的性能测试主要包括3 个方面：功耗、传 输距离、丢包率。 依据自由空间传播时的无线通信距离公式如式2 2 所示： 【嬲】( 扭) = 3 2 4 4 + 2 0l gd ( k m ) + 2 0l gf ( m h z ) 1 5 】 ( 2 2 ) 可见无线通信损耗与工作频率和传播距离都有关。其中【l o s 】为传输损耗，d 为传输 距离，厂为工作频率。一般而言，随着通信距离的增大设备节点的复杂度、功耗以及系 统成本都在增加【16 1 。 丢包率是衡量通信指标的常用参数，是表征接受质量的主要指标。其计算方法如下 式： 凡= n e ( 2 - 3 ) 其中n e 为出错或丢失的数据包，为传输数据包总数。丢包率的测试前提是发射机 的数据源不间断发送到接收端，接收端接受检查收到的数据是否有传错或丢失的数据包。 当然丢包率和发射功率、传输速率及传输距离有关。如果将节点发射功率增加，可以降 低通信的丢包率，或使其稳定在一允许的目标值上。 9 江苏大学硕士学位论文 节点丢包的原因是由于无线介质的不可靠性，或是节点能量消耗了较多后发送出的 帧不会总能到达目的端。总的具有如下三种不同的数据传输场景：成功的数据传输，数 据帧丢失，确认帧丢失。 2 1 2 测试平台工作原理 本测试平台采用压缩机制冷湿空气，p t c 电阻加热器加热，超声波加湿器加湿方式， 利用p w m 控制双向晶闸管来控制升温和加湿，通过排气自然去湿。采用l m 3 5 集成温 度传感器，h m l 5 0 0 l f 湿度传感器，通过必要的信号处理电路由c 8 0 5 1 f 4 1 0 自带的1 2 位 a d 转换后接入单片机采集数据。测试平台由工作室，加热室，制冷室以及加湿装置构 成。工作室由两个电磁阀控制加湿、排气通道。测试平台工作时为了满足w s n 节点测试 时的多个参数需要，工作室温度和湿度可以保持在一个设定的温度和湿度值上，这两个 数值的大小可由用户通过上位机r s 2 3 2 通讯对其进行设定。在上位机的监控画面可以得 到实施采集的温湿度值信息，各控制输出执行单元的实时状态，通过上位机手动控制平 台的输出单元执行相应功能。在自动状态下测控板采集的数据一方面由r s 2 3 2 串口送到 上位机作监控，同时在测控板上通过模糊自整定p ，d 控制算法进行判断和运算，得到相 应的控制量后控制输出。 2 1 3 测试平台温湿度场的分析 ( 1 ) 湿空气性质： 由于空气和水蒸气组成的混合气体称为湿空气。由于湿空气中水蒸气的含量很少， 分压力很低，可视为理想气体，所以湿空气是一种理想混合气体，遵循理想混合气体的 性质。但是它与一般理想混合气体又有一个重要区别。由于湿空气中的水蒸气分压力达 到饱和压力时将引起部分蒸汽的冷凝，湿空气中蒸汽的含量将随之改变，因此湿空气有 一些特殊性质。存在结露现象：湿空气在定压下降温到与水蒸气分压力相对应的饱和温 度时所出现的冷凝现象称为结露，而结露时的温度称为露点f 脚，因此水蒸气分压力相对 应的饱和温度即露点温度。跟据其湿空气中水蒸气是否达到饱和状态，分为饱和湿空气 和未饱和湿空气。特定情况下成分的描写：为了适应湿空气中水蒸气的含量可能发生变 化而干空气含量又往往不变的特殊情况，而且为了能表征出湿空气中所含水蒸气的量偏 离饱和的程度，对于湿空气的成分的描写通常不采用理想混合气体的质量成分，容积成 1 0 江苏大学硕士学位论文 分与摩尔成分，而惯用绝对温度、相对温度缈及含湿量彩等参数描掣5 4 1 。 ( 2 ) n 试平台几种典型空气处理过程： 测试平台的工作过程包括几个典型过程。等湿加热过程：电加热是等湿增焓升温过 程；等湿冷却过程：冷却降温( 表面温度低于空气温度但高于空气露点温度) 是等湿减 焓降温过程；减焓减湿过程：当空气减湿排气时空气含湿量降低，且减少水带走了少量 的液体热，故焓值降低；等焓加湿过程：当加湿时，水吸收超声波能量汽化后进入原湿 空气，使空气在失去部分显热量的同时增加了潜热量，而且增加了含湿量，使空气的焓 略有增加基本保持不变。 ( 3 ) 温湿度调节的说明 实现高温、高湿只需要往空气中喷水蒸汽或雾化的水珠，进行加湿。而低温低湿难 于控制，因为此时的绝对含湿量很低，有时比大气中的绝对含湿量低很多，需要对箱体 内流动的空气除湿，使空气变得干燥。考虑到实验条件限制，本测试平台不设专门除湿 系统，湿度范围为5 0 r h 9 0 r h 。因为相对湿度是与温度直接相关的，在湿度指标 后面应该注明相应的温度范围或给出最低露点温度。对于同样的绝对含湿量，温度越高， 相对湿度就越小。 温度场内温度分布实际上是不均匀的。在保温容器电加热器中加热空气时，通过电 加热器上的热辐射会使容器壁的温度超过气体的平均温度。从理论上来讲，电热元件上 的辐射热等于气体吸收的辐射热加上介质与容器壁间的传导热。如果容器壁温度过高， 会引起温度测量的准确度，所以温度传感器的取样点必需要和容器内壁有良好的热绝缘 隔离并远离容器壁安装。 按照环境试验设备国家标准的要求，在研发此类设备时应注意以下几点：合理选择 设备温湿度范围及控制精度；注意受试品的体积、重量及挡风横档对设备主性能的影响； 设备安置场所的环境条件以及适当选择试验的严酷性1 1 7 1 。 2 2 测试平台的设备选型 根据平面热交换公式1 1 8 1 ： d 1 ：a x a t x k 。 蚁 式中：q -交换热量( w ) ( 2 - 4 ) 江苏大学硕士学位论文 爿箱体外面积( m 2 ) 。 r箱体内外温差度( k ) k 隔热材料热传导率( w m k ) a x隔热材料厚度( m ) 测试平台箱体外部尺寸为0 8 o 8 x0 6 = 0 3 8 4 ( m 2 ) ，按最大负荷考虑，假设测试平台 置于1 0 c 环境下，丽其内部所需要稳定的温度为1 0 0 。c ，所以a t = 11 0 。c 。隔热材料的热 传导率为0 0 3 5 w m 2 ，根据公式得出从平台箱体表面损失的热量为： o：了a xa t x k ：坠型燮：2 9 5 7 ( w ) 蜮0 0 5 而为了能够使箱体内的空气在1 0 分钟内从一1 0 。c 增加到1 0 0 。c ，必需增加功率q 2 ， 箱体的内部体积为：0 6 x 0 6 x 0 4 = 0 1 4 4 ( m 2 ) ，空气的比重为, o o ，= 1 2 k g m 3 ，比热为 c 匆护= 1 0 0 4 j k g 。c 。所以加热功率q 2 为： q ：丝：p o , ，v c a i r a t ：堕坐娑型：3 1 8 ( ) ff1 0 x6 0 。 所以按照理想情况下选择的加热功率或制冷功率均要大于q - + q z = 6 1 3 7 ( w ) 。 2 2 1 加热器的选型 现在工业用加热器有电磁加热器、红外加热器、电阻加热器和微波加热器等，其中电 阻加热器占大部分。在电阻式加热器中，p t c 型热敏电阻，即j 下温度系数热敏元件作为 新的电子发热元件，具有自动控制温度的特点，在家用电器和工业设备中得到了广泛应 用【1 9 】。随着高科技的迅速发展，这种材料的应用范围同益扩大，许多新型的p t c 力i j 热器 不断出现，表面型p t c ) j n 热器具有良好特性。p t c i j i ：i 热器主体部件的p t c 特性及加热器的 热设计极其重要，尤其对于大功率p t c j i 热器，在一定范围内，同- - p t c 元件高的发热功 率及高的加热器表面温度极大程度取决于加热器的热酬2 0 】。所以大功率p t c 高温加热器 均采用片式，在一定范围内可通过采用增大应用p t c 元件的面积，降低热阻及强化传热 来实现。考虑到良好性能及较低的成本，我们采用表面型p t c i j n 热器作为测试系统的加 热装置。选用p t c 力i j 热片作为加热源是因为p t c 力i j 热片有如下特点：p t c j j n 热片可以自动 恒温，不需要温度控制系统，将p t c 力i j 热片直接通电即可；p t c ) j i i 热片在无液体或不送风 情况下可以长时间干烧，p t c j n 热片不会损坏；使用寿命长，j 下常环境下使用，寿命可 江苏大学硕士学位论文 j 上1 0 年以上；工作可靠，利用p t c 力i i 热片内部特性控温，永远不会超温；工作电压非常 宽，：j 工作电压变化2 倍时，表面温度的变化非常小；多个p t c i j h 热片一起使用时，可并 联成较大功率的加热器。 2 2 2 制冷器的选型 测试平台的制冷系统足关键部分之一。一般来说，试验设备的制冷方式有机械制冷、 钠助液氮制冷以及半导体制冷。机械制冷采用蒸气压缩式制冷，该制冷方式是人工制冷 f 1 应用广泛而又经济的制冷方式之一。蒸气压缩式制冷形式有：单级制冷、多级制冷和 复舜式制冷方式，它们主要由压缩机，冷凝器，节流机构和蒸发器组成。半导体制冷器 址根掘热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换 为热能。半导体制冷器的用途很多，可用于制作便携冷藏保温箱、冷热饮水机，也用于 电了器件的散热。它的工作特点是一面制冷，一面发热。半导体制冷器要求散热条件要 ；c f ，l 面且价格也比较高，不容易达到大功率制冷的要求。 蒸气压缩式制冷循环是在制冷设备中应用最为广泛的一种制冷循环，它适用于各类 制冷设备，这样的制冷机设备更加紧凑，而且能够得到比较宽的制冷温度范围，在普通 制冷温度范围内有着较高的工作效率。按照各类制冷压缩机工作原理可以将它们分为速 度和容积型。速度型压缩机由旋转部件连续将角动量转换给蒸气，再将该动量转为压 力；容积式压缩机通过对运动机构做功，以减少压缩式容积，提高蒸气压力来完成压缩 功能。 蒸气压缩式制冷机根据工作原理和使用条件的不同有单级压缩制冷循环、多级压缩 制冷循环和复叠式循环等不同的组合表现形式。其系统主要包括蒸发器、冷凝器、压缩 机和毛细管四大部件，各部件主要是通过质量流动使各部件的参数联系起来【2 ，用管道 将它们连接成一个密封系统。其工作原理是这样的：制冷剂液体在蒸发器内以低温与被 冷去 j 对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入， 经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气 冷却，凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物， 进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸 入，如此周而复始，不断循环。其流程图见图2 3 。 江苏大学硕士学位论文 蝈 一删j 一 j 抛霄 图2 3 蒸汽压缩式制冷系统流科图 目前常见的家用空调和电冰箱的制冷原理是完全一样的，属于蒸气压缩式制冷。冰 箱的蒸发器安装在冷冻或冷藏室中，压缩机、冷凝器、毛细管安装箱壳的外面。现设计 的w s n 节点性能恶劣环境测试平台是模拟温室环境，温度低温只要达到一1 0 c 即可，采用 单级制冷即可满足要求，同时考虑制冷功率，本测试平台系统采用家用电冰箱作为制冷 源。 2 2 3 加湿器的选型 目前市场一e 的加湿器有很多种类，主要有超声波加湿器、纯净加湿器、离心式加湿 器、高压喷雾式加湿器和电加热式加湿器五种类型。超声波加湿器其原理是电路产生 超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶瓷振子会产生轴向机械共振变化， 这种机械共振变化再传输到与其接触的液体，使液体表面产生隆起，并在隆起的周 围发生空化作用，由这种空化作用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使 液体表面产生有限振幅的表面张力波。这种张力波的波头飞散，使液体雾化，同时 产生大量的负离子。超声波加湿器的优点是加湿强度大、加湿均匀、加湿效率高，且使 用寿命长、湿度自动平衡、无水自动保护。纯净加湿器加湿技术则是加湿器领域刚刚采 用的新技术。纯净加湿器通过分子筛蒸发技术除去水中的钙镁离子，通过水幕洗涤空气， 在将空气加湿的同时净化空气，再经风动装置将湿润洁净的空气送到室内，从而提高环 境湿度。新一代纯净加湿器多采用模糊控制，随温度、湿度变化而自动调节加湿量，价 格较高。离心式加湿机作为第一代产品存在时间较长，离一1 1 , 式加湿机是利用叶轮旋转时， 把流过的水甩入空气中细化而达到加湿的。高压喷雾式加湿装置是通过把水加高压，喷 1 4 三_ l 一 江苏大学硕士学位论文 人空气中破碎而加湿。这种加湿装置加湿量大，但设备较大、噪音较大以及能耗高，使 其应用领域受到限制。电加热式加湿器是技术最简单的加湿方式，它利用发热体将水加 热至沸点，产生水蒸气释放到空气中。其缺点是能耗较大，不能干烧，安全系数较低， 加热器上容易结垢。 超声波加湿器主要由电加热器、加湿罐、蓄水罐、超声波加湿模块、调功器、电磁 阀及液位传感器等组成如图2 4 所示【2 2 1 。超声波d n t , 最模块是本装置的核心模块，它由大功 率压电陶瓷材料制成的高频振荡器即换能器( 又称加湿振子) i n 激振电路组成。换能器安装 在水槽底部，直接与水接触，在激振电路作用下，换能发生高频振动产生超声波，水在 超声波作用下产生直径几微米的均匀雾状水粒逸出水面。这种雾状水粒表面积很大，极 易在周围环境中汽化。 试验 图2 - 4 超声波加湿器 超声波加湿与其它方式加湿相比，具有无噪音、能耗低、设备体积小、价格低，能 方便地对湿度进行更精确、迅速的控制，并且能用于带压力的环境，因此非常适用于在 空调环境及实验设