（系统分析与集成专业论文）皮托管风速测量系统的设计.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 风是气象要素中最活跃的要素之一，风速的测量作为流速测量领域一个重 要部分，与人们的日常生产、生活密不可分。在现代社会面临的人口、资源、 环境、灾害等问题突出的情况下，人们对气象信息的需求日益增长，对气象预 报和服务的要求也越来越高，因此对风速的测量也越来越需要满足气象预报要 求的准确率、精细化和时效性。 自动气象站将各种气象数据的自动采集、传输和计算机数据处理融为一体， 很好的满足了经济社会的不断发展对气象预报提出的高要求。目前，各种新技 术如嵌入式技术、无线传感器网络技术等不断的被应用到自动化气象站中，特 别是z i g b e e 技术以其短距离、低功耗、低成本、通用性强等特点为无线传感器 网络的实现提供了新的解决方案。 本文在比较了几种不同测风技术的基础上，选择了以皮托管作为探头的测 风方式，然后通过分析z i g b e e 技术及无线传感器网络结构，构建了基于z i g b e e 的自动气象站无线传感器网络模型。 针对自动气象站中快速响应高精度测风的要求，提出并研究设计了基于无 线传感器网络的风速测量装置，完成了系统的硬件和软件设计。整个系统作为 自动气象站无线传感器网络中的一个传感器节点，由数据采集模块、数据处理 模块、无线收发模块和电源模块构成。与其他气象要素测量模块协同同步从传 感器获取信息，并以无线方式传输至协调器节点，协调器节点再通过串口与上 位机进行通信。 系统以无线通信模块j n 5 1 2 1 - m 0 1 为核心，构建了与测风有关的包括差压、 气压、温度等气象要素的采集系统。软件设计采用模块化的程序设计方法，实 现了各传感器数据采集、与上位机的通讯及l c d 显示等功能。 将基于z i g b e e 的无线传感器网络技术应用于自动气象站，从而使得自动气 象站中的风速测量仪器具有自动化、网络化、智能化和远程控制化，这大大减 轻了人工观测的工作量、提高了工作效率，也进一步提高了自动气象站的测量 精度。整个装置在精度、功耗、成本、抗干扰等方面有着较大的优势。 关键词：z i g b e e ，自动气象站，风速测量，皮托管，无线传感器网络 i 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew i n di so n eo ft h em o s ta c t i v ee s s e n t i a lf a c t o r sa sam e t e o r o l o g i c a l e l e m e n t a sa l li m p o r t a n tp a r to fm e a s u r i n gf l u e n t ，m e a s u r i n gw i n dv e l o c i t yh a ss e ta c l o s er e l a t i o nw i t hp e o p l e so r d i n a r yl i f e i nt h ec a s eo fp o p u l a t i o n ，r e s o u r c e s ， e n v i r o n m e n t ，d i s a s t e r , a n ds u c hp r o m i n e n ts i t u a t i o n st ot h em o d e r ns o c i e t y , t h e r ei sa g r o w i n gd e m a n do nw e a t h e ri n f o r m a t i o n ，a n dt h e r ei sa l s oah i g h e rr e q u e s to nt h e w e a t h e rf o r e c a s ta n ds e r v i c e t h e r e f o r et h em e a s u r e m e n to fw i n dv e l o c i t ys h o u l d s a t i s f yt h er e q u e s t so f t h ea c c u r a n c y , f i n er e f i n e m e n ta n dt i m e se f f e c t i v e n e s sb e t t e r t h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nm e r g e st h ea u t o m a t i cg a t h e r i n g ，t r a n s m i s s i o na n d c o m p u t e rd a t ap r o c e s s i n go f e a c hk i n d o fm e t e o r o l o g i c a ld a t ai n t oo n eo r g a n i cw h o l e ， w h i c hs a t i s f i e st h eh i 曲r e q u e s to nw e a t h e rf o r e c a s tp r o p o s e db yt h eu n c e a s i n g d e v e l o p m e n ti n t h ee c o n o m i cs o c i e t y a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yk i n d so fn e w t e c h n o l o g i e ss u c ha se m b e d d e 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 ka p p l i e di nt h e a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n s p e c i a l l y , z i g b e eh a sp r o v i d e dt h en e ws o l u t i o nf o rt h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks i n c ei th a st h ec h a r a c t e r i s t i e so fs h o r td i s t a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dl o wc o s t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ep i t o tt u b ew i n dv e l o c i t ym e a s u r e m e n ti nt h eb a s e o fc o m p a r i n gs e v e r a ld i f f e r e n tw i n dv e l o c i t ym e a s u r e m e n t s ，t h e nc o n s t r u c t st h e m o d e lo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko fa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nb a s e do nz i g b e e t h r o u g ha n s l y s i n gt h ez i g b e et e c h n o l o g ya n dt h e a r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k a i m i n ga t t h e r e q u i r e m e n to ff a s t - r e s p o n s eh i 9 1 l - p r e c i s i o n w i n dv e l o c i t y m e a s u r e m e n ti nt h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n dd e s i g n s aw i n dv e l o c i t ym e t e r i n gi n s t r u m e n tb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，a n df i n i s h e s t h eh a r d w a r ea n ds o t f w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e mw h i c hi sc o n s i s to fd a t ag a t h e r i n g ， d a t ap r o c e s s i n g ，w i r e l e s sr e c e i v i n g ，d i s p a t c h i n ga n dp o w e rs o u r c ea sas e n s o rn o d eo f t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n c o o p e r a t i n gw i t ho t h e r m e t e o r o l o g i c a le l e m e n ts u r v e ym o d u l e s ，t h i ss y s t e mg a i n sd a t af r o ms e n s o r sa n d t r a n s m i tt h e mt ot h ec o o r d i n a t o rn o d eb yw i r e l e s st r a n s m i t t i n g f i n a l l y , t h e i i c o o r d i n a t o rn o d ec o r r e s p o n d sw i t ht h ep cb ys e r i a lp o r t s t h i ss y s t e mc o n s t r u c t sag a t h e r i n gs y s t e mo fd i f f e r - p r e s s u r e ，b a r o m e t r i c p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eb a s e do n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e j n 5121 - m 01 i n t h em e a n t i m e ，t h es o f t w a r ed e s i g nh a sr e a l i z e dt h ed a t aa c q u i s i t i o no f v a r i o u ss e n s o r s ， c o m m u n i c a t i o nw i t hp ca n dl c dd e m o n s t r a t i o nb yu s i n gm o d u l a rp r o g r a m m i n g m e t h o d a p p l i n gt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e do nz i g b e ei n a u t o m a t i cw e a t h e r s t a t i o ne n a b l e st h ew i n dv e l o c i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n th a v et h ea u t o m a t i o n ，n e t w o r k ， i n t e l l i g e n ta n dr e m o t ec o n t r o l ，w h i c hr e d u c e st h em a n u a lo b s e r v a t i o nw o r kl o a d ， r a i s e st h ew o r k i n ge f f i c i e n c yg r e a t l ya n di n c r e a s e st h ea u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n p r e c i s i o nf u r t h e r i nt h ee n d ，t h ew h o l ei n s t r u m e n th a sab i gs u p e r i o r i t yo np r e c i s i o n ， p o w e rc o n s u m p t i o n ，c o s ta n da n t i j a m m i n g k e yw o r d s ：z i g b e e ，a u t o m a t i cw e a t h e rs t m i o n ，w i n dv e l o c i t ym e a s u r i n g ，p i t o tt u b e ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i 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： 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。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协 议) 学位论文作者签 指导教师签名： 签字日期：丝止耻 签字日期：2 1 f 里：! 兰 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在1 7 世纪，托里拆利奠定了差压式流速计的理论基础，这可以说是流速测量的里程碑 u 】。在当今世界，流速仪表更是出现在工业生产、日常生活的每个角落，它与国民经济、 工业生产、科学研究和环境保护息息相关。而随着工业自动化的飞速发展，人们对流速的 测量要求也日益提高。 风是气象要素中最活跃的要素之一，风速的测量作为流速测量领域一个重要的部分， 与人们的日常生产、生活已密不可分。古时候的人们就利用风吹芦苇的弯曲程度以及随风 飘扬的旗帜来估计风速的大小；现代科技的发展更促使其广泛地应用在航天航空、科研实 验、现代农业及气象科学等重要领域【2 】。 在现代社会面临的人口、资源、环境、灾害等问题突出的情况下，人们对气象信息的 需求日益增长，对气象业务发展尤其是气象预报和服务的要求也越来越高。气象观测是气 象预报服务的基础，由于经济社会的不断发展对气象预报提出了更高的要求，人们也越来 越关注气象预报、预测的准确率、精细化程度和时效性。 以往人工对气象要素的观测受到环境、地形等诸多因素的限制，自动气象站的产生不 仅代替了传统的手工操作，提高了工作效率，而且增加了偏远、环境恶劣地区的气象资料 密度，同时减小了人为误差。将气象数据的自动采集、传输和计算机数据处理融为一体的 自动气象站满足了经济社会的不断发展对气象预报提出的高要求，采用了新技术来增加观 测的可靠性，一方面，它的建立解决了无人值守的问题，但是另一方面，如果没有有线通 信的辅助，在戈壁、沙漠、高山等环境恶劣地区的气象数据仍旧不能实现自动传输。 随着现代通信技术的发展，无线通信技术被广泛应用于自动气象站，无线传输技术的 应用，可以解决长途线路铺设的代价，同时免去人工干预，解决无人生活地区采集气象数 据的问题，大大减少了人力资源的投入。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 研究的背景和意义 气象仪器和观测方法指南将自动气象站( a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n ) 定义为这样 一个站，即利用仪器自动地进行观测和发送或记录观测数据，并根据需要，直接或通过一 个编报站将观测数据转换成电码形式t 3 1 。自动气象站是测量温度、湿度、风速、风向、气 压、雨量等气象要素的气象仪器，一般用于增加地面气象观测的次数和提高观测可靠性。 各种新技术如嵌入式技术、以太网通讯技术、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 ，w s n ) 技术等不断的被应用到自动化气象站中，使得自动气象站中的气象数据采集 系统具有自动化程度高、多功能、多参数、模块化、标准化及全天候工作能力，能够准确、 及时的自动采集和处理各种气象和环境数据。其中基于嵌入式微机的高度智能化模块，有 很强的可扩展性和较高的可靠性，根据实际需求，可以配接不同种类的传感器和通讯载体 及模块化的软件包，这完全符合中国气象局自动气象站观测规范的技术标准。 无线传感器网络是由许多无线传感器节点协同组织起来的，这些微型节点具有无线通 讯、数据采集和协同合作的能力，可以应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域、 一些临时场合等。无线传感器网络节点可以随机或特定地布置在目标环境中，它们之间的 通讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任 判4 1 。在自动气象站中使用无线传感器网络技术，可以将传统的自动气象站转向以信息和 软件为中心的现代自动气象站观测模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制 的测量仪器来减轻人工观测的工作量、提高了工作效率，而且减少了观测人员的主观误差。 在众多无线传感器网络技术中，z i g b e e 技术以其设备成本低、组网自组织、节点布置 灵活、数据传输安全可靠、电池寿命长等独特的优势展现出广阔的应用前景。z i g b e e 无线 传感器节点可以收集包括温度、空气湿度、气压、风速和雨量等气象信息，然后将这些信 息由无线传感器网络传送到数据处理中心。 自动气象站中对风速要素的测量，可以独立为一个智能模块，配接测风相关的传感器 和通讯载体，它同样基于z i g b e e 技术的数据无线传输，与其他气象要素测量模块协同同步 从传感器获取信息、高效地处理信息、并以无线方式准确地传输至上位机信息控制系统。 鉴于以往对风速的检测存在着一些困难： ( 1 ) 气流的稳定性较差，对仪器仪表的反应速度、信号的瞬时捕捉能力要求较高； ( 2 ) 被测介质状态( 压力、温度) 变化范围宽广； ( 3 ) 高精度的仪表普遍存在价格偏高、结构复杂、维护困难等缺点： ( 4 ) 仪表校验设备庞大、复杂； 2 南京信息工程大学硕士学位论文 本课题研究的自动气象站中的风速测量模块，作为一个理想的风速测量装置需要解决 上述的检测困难，应该实现以下要求： ( 1 ) 检测仪表携带方便，不受测量地点的限制； ( 2 ) 输出信号不受流体介质物理性的影响； ( 3 ) 抗干扰能力强； ( 4 ) 仪表测量范围宽，线性好； ( 5 ) 可靠性高，维护简单，价格适中。 1 3 常见的风速测量技术 对风速的检测是气象、环境监测的重要内容，风速测量应该具有实时、精确、简单可 靠等特点。目前几种常见的风速测量方法包括：机械式测量、皮托管测量、热膜热线测量、 激光多普勒测量和超声波测型5 1 。 1 3 1 机械式测量 机械式测量主要有螺旋桨式和风杯式风速计，一般应用于气象环境监测和管道风速测 量。基本原理是流动气体带动桨叶或风杯旋转，其转速与风速呈一定的关系，通过测量旋 转速度来测量风速大小。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录 6 1 。 机械式测量仪器的结构简单、使用方便，而且对环境适应性强。但是其机械装置因为 具有移动部件而易磨损，体积较大，需要经常维护。在测量数据的准确性方面，由于其滞 后性和机械摩擦阻力较大，要求有启动风速，也比较适合精度要求较低的场合。 机械式测量适用于中低段平均风速的测量。一般仪器的性能指标可以达到：0 6 4 0 m s 的量程，测量精度达到2 ，分辨率达到o 1 m s 。 1 3 2 皮托管测量 皮托管测量风速的方法为一种间接测算法，通过皮托管和差压计联合测定出风速。实 际测量时，使气流方向垂直于皮托管的管口，测得该位置的动压与静压之差，然后通过风 速与压差的关系式求算出相应的风速值。 使用皮托管( 压力值) 计算风速需要测出流体的密度，而流体的密度随温度的变化而变 化，故对温度的测量要求比较严格。首先应根据估算的压力范围选择合适量程的皮托管， 3 南京信息工程大学硕士学位论文 皮托管全压接头接压力传感器的高压端，静压接头接压力传感器的低压端，进风、出风温 度在风管横截面中心稳流区测量。 皮托管测量构造简单，安装迅速，测量时也不受气体紊流的影响。但是测量含尘气体 时，会存在皮托管管口容易堵塞的现象，也不能测量含腐蚀性物质的气体。 皮托管测量高流速气体效果比较理想，在低风速段的测量精度则比较低。 1 3 3 热膜热线测量 热线热膜风速计( h w f a ) 发明于2 0 世纪初叶，曾经推动了流体力学的发展和湍流研究 的进步。它是一种以热线或者热膜为探头的流速测量仪器，由探头、信号和数据处理系统 构成。探头按结构分为热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。它是利 用通电的探头在气流中的热量散失强度与气流速度之间的关系来测量流速的。 h w f a 的基础是无限长圆柱体在无限大流场中的热对流理论，1 9 1 4 年k i n g 推导出了热 对流耗散和流动速度之间的关系： h = ( 彳+ b u ) ( 五一7 0 ) ( 卜1 ) h ：对流热耗散；a ，b 为常数。 u ：流动速度； t s ：热线或热膜的工作温度 t o ：环境温度。 根据热平衡原理，热产生应该等于热耗散： 露b = ( i 一7 0 ) ( a + b q u ) ( 1 2 ) i s ：加热电流； r s ：工作电阻 根据上式方程可以建立恒温和恒流两种测量形式。2 0 世纪5 0 年代以前的风速计大多 是恒流式风速计；随着电子技术的发展，恒温风速计反应快，热滞后效应小的优点得到发 挥，替代了恒流式风速计。 热线热膜风速计体积小，对流场干扰小；适用范围广；频率响应高，可高达i m h z 。但 是同时也存在着热线容易断裂，在测量高风速时由于热耗散快，需要更多能量来维持温度， 这就以电池的寿命为代价，所以热膜和热线式风速计更适合低风速测量。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 4 激光多普勒测量 激光多普勒测速技术( 简称l d a 或l d v ) 自2 0 世纪6 0 年代初开始应用于测量液体流 速，之后被用在大气风速测量中。它是一种对流动无干扰、测定确定点速度的技术。 它的基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上，检测微粒散射光 的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度。 按多普勒效应，当光源照射到运动物体上时，若物体与光源之间存在相对运动，物体 散射光的频率与光源发出的频率不同，称为多普勒频移，频移量与相对运动速度有关。图 1 2 为多普勒频移示意图， 百 fj 图1 1l d v 测量原理图 设固定激光器发出的入射光( 单色光) 频率为矗的激光束照射到随流体一起运动的微 粒p 上，微粒成为一个散射中心。由于微粒与光源存在相对速度矿，微粒散射光与入射光 发生第一次频移。若用固定的光接收器接收微粒散射光，由于微粒与接收器之间，存在相 对度一y ，接收器接收到的频率五是微粒散射光发生第二次频移后的频率。从入射光到接 收器接收到的散射光之间的总频移，称为多普勒频移。通过对频移量的检测可以测量出散 射粒子的运动速度，从而测量出流速。 激光多普勒测速仪的优点包括以下几个方面： ( 1 ) 它是一种非接触式测量，因而对流场无干扰； ( 2 ) 空间分辨率高，满足点测量的要求； ( 3 ) 测量精度高，可达o 1 1 ，而且不需要定期校正，可用于校正其他测速仪器； ( 4 ) 动态响应好，可进行实时测量： ( 5 ) 能判别流动方向，且测速范围从0 0 5 ur n s 到1 0 0 m s 均可测量。 可是由于价格昂贵，该技术还不能普遍化。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 5 超声波风速测量 超声波是频率在2 0 k h z 以上，入耳察觉不到的声波，具有定向性好、反射性强等优点， 超声波传感器被广泛应用于非接触性检测。 根据信号检测原理，超声波风速测量大致可分为速度差法( 包括直接时差法、时差法、 相位差法) 、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法【7 1 。 波束偏移法利用超声波束在气流中的传播方向随流速变化而产生偏移来反映风速，低 风速时灵敏度很低，适用性不强。 噪声法( 听音法) 是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过 检测噪声表示流速或流量值。方法简单，设备价格便宜，但准确度低。 相关法是利用相关技术测量流量，此方法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与 流体温度和浓度等无关，测量准确度高，适用范围广，但相关仪器价格贵，线路比较复杂。 多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的多普勒频移来 确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。 由于直接时差法、时差法、相位差法的基本原理都是通过超声波脉冲顺流和逆流传播 时速度之差来反映流体流速，故又统称为传播速度差法。目前使用最广泛的方法是速度差 法。 与常规的风杯或旋翼式风速仪相比，这种测量方法的最大特点在于整个测风系统没有 任何机械转动部件，属于无惯性测量，故能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分，结合 现代计算机技术，对于提高风资源的合理利用有重要作用。 超声波风速测量技术的优点包括：( 1 ) 测量范围广，在理论上没有测量上限，且不要 求有启动风速；( 2 ) 对测量环境要求不高，适应范围广；( 3 ) 精度高，目前国内外的产品 能达到1 的测量精度。 1 4 国内外研究现状 自上世纪九十年代以来，自动气象站在欧美及亚洲各个国家得到了迅速发展，其中拥 有自动站数量最多的有美国、德国、意大利、法国、芬兰、日本和韩国等。迄今，美国已 建立了1 7 0 0 多个自动地面观测系统，这些系统分布在美国的各个州，每1 5 分钟提供一次 观测资料，以加强对灾害性天气的监测和预报；日本建成了1 3 1 6 个自动观测站；韩国建成 4 0 0 多个测量5 要素( 温度、风向、风速、雨量、湿度) 的中尺度自动站，站距平均为2 0 0 公 6 南京信息工程大学硕士学位论文 里，观测气象资料通过地面专线收集，对灾害性天气都得到了很好的监控预警作用。 国内生产自动气象站的厂家主要有：天津气象仪器厂、长春气象仪器研究所、长春气 象仪器厂、上海气象仪器厂、江苏省无线电科学研究所有限公司等。这些厂家已先后研制 出了用于多个不同行业的自动气象站，总的说来，它们测量的气象要素一般都包括气压、 气温、湿度、风速、风向这些基本量，采用的方法一般是通过各气象传感器将被测气象要 素转换成电信号，再经电子处理电路( 通常是微处理器) 输出存储与显示。 目前，在国外利用皮托管测量原理生产气象测量用风速及风向传感器的厂家很多，例 如，丹麦的d a n t e e 公司，美国的t s l 公司，日本的村田制作所s k 株式会社等，其风速测 量范围为1 - 6 0 m s ，误差为0 5m s 。国内生产的风速传感器的指标与国外相当。 1 5 本论文的研究内容 本文以国家气象部门制定的地面气象观测规范中对风速测量仪的性能指标作为系 统需求的依据，在研究了无线传感器网络系统结构以及z i g b e e 协议结构的基础上，利用 j e n n i c 公司生产的j n 5 1 2 1 - m 0 1 无线通信模块设计了基于z i g b e e 的以皮托管为测风探头的 风速测量装置。该装置作为自动气象站气象观测区域中的一个风速测量系统，承担了自动 气象站无线传感器网络中的传感器节点角色。本文的主要工作概括为以下几个部分： 第一章介绍了风速测量的应用背景和意义、国内外发展概况以及几种常见的风速测量 技术。 第二章介绍了无线传感网络系统结构、z i g b e e 技术特点，并在此基础上构建了基于 z i g b e e 的无线传感网络模型。 第三章介绍了皮托管测风原理，并依据此原理设计了系统的总体实现方案，包括系统 的总体构架以及系统硬件器件的选择。 第四章设计了系统的硬件平台，重点进行节点的硬件设计，包括节点的结构设计及硬 件电路设计。 第五章在j e n n i cc o d e b l o c k s 集成开发调试环境下，利用j e n n i cz i g b e e 堆栈设计了 系统的软件平台，主要包括传感器节点和协调器节点的应用程序设计。 第六章是全文总结，并对进一步的研究设计进行了展望。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及无线传感器网络分析 无线传感器网络( w s n ) 【8 】被认为是2 l 世纪最重要的技术之一，可以使人们在任何时间、 地点和环境下获得所要监测的信息。它是由部署在监测区域内大量传感器节点组成，通过 无线方式形成的一个多跳自组织网络系统，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，并发布给观测剖1 0 】。 w s n 的拓扑结构有多种，常见的有星形结构和网状结构。星形结构的w s n 由专用中心 服务节点来负责处理整个网络的数据传输和网络的运行；网状结构的w s n 可以实现网络各 传感器节点之间点对点的传输。显然网状结构的鹳n 的结构更可靠，但网络的结构也更复 杂，成本也较高。 由于w s n 并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗。所 以一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准具有迫切的需求性。z i g b e e 技术以其高通信效率、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点很好 地适应了这个需求。 z i g b e e 是一个由可多到6 5 0 0 0 个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平 台，十分类似现有的移动通信的c d m a 网或g s m 网，每一个z i 豳e e 网络数据传输模块类似 移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间 的距离可以从标准的8 0 米到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个z i g b e e 网络还可以 与现有的其它的各种网络连接。 2 1 无线传感器网络系统结构 骼n 通常包括传感器节点、汇聚节点和中心控制节点。传感器节点监测的数据沿着其 它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，经过多跳传 输后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达中心控制节点。观测者通过中心控制节 点对w s n 进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。无线传感器网络系统结构如 图2 1 所示。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 传感器节点 图2 1 无线传感器网络系统结构 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。传感器 节点的软硬件技术是无线传感器网络研究的重点。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强。它连接w s n 与i n t e r n e t 等外 部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布中心控制节点的监测任务，并把 监测区域传感器节点采集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功 能的传感器节点，有足够的能量供给以及更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能 而仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 2 2z i g b e e 简介 z i g b e e 这个词源自于蜜蜂跳z i g z a g 形状的舞蹈来通知其他蜜蜂有关花粉位置等资讯， 以达到彼此沟通讯息的目的【1 1 1 ，故以此作为新一代无线通讯技术的命名。z i g b e e 先前亦被 称为“h o m e r fl i t e ”、“r f e a s y l i n k ”或“f i r e f l y ”无线电技术，目前统一称为z i g b e e 。 z i g b e e 技术并不是完全独有、全新的标准，它的物理层、m a c 层采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 ( 无 线个人区域网) 协议标准，并且在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高 层应用规范c a p i ) 则由z i g b e e 联盟进行了制赳1 2 】，体系结构如图2 2 ： 9 南京信息工程大学硕士学位论文 竺竺竺 用户 至亘 二二兰三三丑一一一一一一一一 三三 i e e i e8 舵胚4 二二二三 一一一一一一一一 图2 2z i g b e e 体系结构 根据i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，z i g b e e 的工作频段分为3 个频段，这3 个工作频段相 距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方 式和传输速率不同。它们分别为8 6 8 1 旺i z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中2 4 g h z 频段上，分为1 6 个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频段，且该频段为免付款、免申请的无线 电频段，该频段上的数据传输速率为2 5 0 k b p s ：另外两个频段为8 6 8 9 1 5 湖z ，其相应的信 道数分别为1 1 0 个，传输速率分别为2 0 4 0 k b p s 。 z i g b e e 标准专注于低速传输应用，不适用于语音、视频之类的大数据量的传输，它仅 仅传输一些采集到的应变、温度、湿度之类的数据，所以对传输速率的要求不是很高。表 1 显示了目前几种网络标准之间的比较。 表1 几种网络标准比较 g p r s g s mw i f ib l u c t o o t h z i g b c e 市场名 c d m a8 0 2 1 1 b8 0 2 1 5 18 0 2 1 5 4 范围广阔w e b ，e m a i l 应用重点电缆替代品检测、控制 声音数据图像 系统资源 1 6 m b +l m b +2 5 0 k b +4 k b 3 2 k b 电池寿命( 天) 1 70 5 51 71 0 0 1 0 0 0 + 网络大小l3 076 5 0 0 0 带宽( k b s ) 6 4 1 2 8 +1 1 0 0 0 +7 2 02 0 2 5 0 传输距离( 米) 1 0 0 0 +1 1 0 01 1 0 +1 - 1 0 0 + 优点覆盖面大，质量好速度、灵活性价格便宜、方便可靠、低功耗、低价 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 2 3z i g b e e 技术特点 1 、数据传输速率低：1 0 i ( b 秒 2 5 0 i ( b 秒，专注于低速率传输。 2 、低功耗：在低功耗待机模式下，两节普通5 号电池可使用6 2 4 个月，免去了充电 或者频繁更换电池的麻烦。 3 、低成本：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本。而且z i g b e e 协议 不收专利费。目前，z i g b e e 芯片的成本大约在3 美元左右，z i g b e e 设备成本的目标是要在 l 美元以下。随着半导体集成技术的发展，z i g b e e 芯片的体积将会变得更小，成本也会降 得更低【14 1 。 4 、网络容量大：一个z i g b e e 的网络最多包括有2 5 5 个z i g b e e 网络节点，其中一个是 m a s t e r 设备，其余则是s l a v e 设备。若是通过n e t w o r k c o o r d i n a t o r 则整体网络最多可达 到6 5 0 0 0 个z i g b e e 网络节点。 5 、时延短：典型搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入时 延为1 5 m s 。 6 、网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。 7 、数据安全：z i g b e e 提供了数据完整性检验和鉴权功能，采用a e s 一1 2 8 加密算法， 同时各个应用程序可以灵活确定其安全属性。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种设 备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得【l5 1 。 8 、使用频段为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 、9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免注册频段。 2 4z i g b e e 技术的应用领域 z i g b e e 技术的目标就是针对工业、遥测遥控、自动化等领域的应用，例如灯光自动化 控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用。通常，符合 如下条件之一的应用，就可以考虑采用z i g b e e 技术实现无线数据传输【1 6 】： ( 1 ) 需要数据采集或监控的网点多；( 因为可支持达6 5 0 0 0 个节点) ( 2 要求传输的数据量不大，而要求设备成本低； ( 3 ) 要求数据传输可靠性高，安全性高； ( 4 ) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； ( 5 ) 电池供电； ( 6 ) 地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 7 ) 现有移动网络的覆盖盲区； ( 8 ) 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测、遥控系统； 2 5 基于z i g b e e 的w s n 模型 2 5 1 设备类型 i e e e 8 0 2 1 5 4 把网络中的设备分为全功能设备( f f d ) 和简化功能设备( r f d ) ，f f d 实现 了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的全集，而r f d 则根据特定的应用需要只实现了i e e e 8 0 2 1 5 4 完整 协议的一部分。z i g b e e 协议中根据设备在网络中承担任务的不同，将网络中的设备定义为 z i g b e e 协调器( z c ) 、z i g b e e 路由器( z r ) 和z i g b e e 终端设备( z e d ) 【l 刀0 z i g b e e 协调器( z c ) ：z i g b e e 网络的总控制器，为建立和启动网络这一过程设置参数， 其中包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参数。一个z i g b e e 网络中 只能有一个z c ，必须是f f d 设备。在z i g b e e 网络中，z c 与扮演z r 和z e d 的f f d 没有区别， 只是根据构建网络的需要，z c 这个f f d 承担了控制中心的任务，当网络状态发生变化时， 其他的f f d 也能承担起z c 的任务。 z i g b e e 路由器( z r ) ：远程设备之间的中继器，负责网络内信息帧的路由，能够用来拓 展网络的范围。一个z i g b e e 网络中可以有多个z r ，必须是f f d 设备。在加入网络后，获 得一定的短地址空间。在这个空间内，允许加入子节点并分配地址。 z i g b e e 终端设各( z e d ) ：是整个z i g b e e 网络的子节点，可以是f f d 设备，也可以是r f d 设备。r f d 主要用于非常简单的应用，通常不需要传输大量的数据，往往同一时间只和一 个f f d 关联，所以r f d 可以用最少的资源和存储容量来实现。一个f f d 可以和r f d 通信， 也可以和其他的f f d 通信，而r f d 只能和f f d 通信。 2 5 2 网络拓扑 由于z i g b e e 网络有两种常见的拓扑结构，星型和点对点，如图2 3 所示。每个z i g b e e 网络至少需要一个f f d 实现网络协调功能，而终端设备可以是r f d 设备用来降低系统成本。 星型拓扑结构常由一个f f d 和若干个r f d 组成，该f f d 充当网络协调器功能，其它设备都 只是与协调器通讯，由协调器决定处理所要做的事情；网络拓扑方式基本上使用6 4 b i t 长 地址，此外，协调器可配置1 6 b i t 短地址给设备以节约带宽。短地址的分配是当设备与协 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 调者进行初始关联时取得。 oo o 星型 n 矗c o o r d i n 附 o f f d or f d 图2 3z i g b e e 网络拓扑结构 点对点拓扑方式也有一个f f d 充当协调器，但是其它非协调器的f f d 设备除了可以对 协调器连接外，也可以对在其范围内的r f d 通信，不过r f d 一般不直接和协调器关联。点 对点的拓扑结构也可以升级成更复杂的拓扑方式运作，例如，网状网络拓扑，簇状网络拓 扑等；此类网络可以是无基础架构的无线区域网络，可以是自我建立路径和自我更新，它 也允许使用多种跳跃的方式使任何