（系统分析与集成专业论文）基于wsn的透射式能见度检测系统的硬件设计.pdf

目录 目录 i f irl li ii ii ilitii iifli y 18 915 0 0 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 能见度测量原理与方法比较2 1 2 1 能见度定义2 1 2 2 目测法测量原理3 1 2 3 器测法测量原理。5 1 3 国内外能见度仪的研究现状8 1 4 主要研究内容。9 第二章无线传感器网络与z i g b e e 技术1 1 2 1 无线传感器网络简介。1 1 2 2z i g b e e 技术概述1 2 2 2 1z i g b e e 协议架构及规范。12 2 2 2z i g b o e 中的设备1 5 2 2 3z i g g e e 网络拓扑1 6 2 3z i g b e e 在交通气象检测中的应用1 7 2 4 本章小结l8 第三章能见度检测系统设计分析1 9 3 1 系统设计分析1 9 3 2 硬件设计平台选择与分析2 1 3 2 1 节点的选择与设计2 l 3 2 2 无线收发芯片c c 2 4 3 0 。2 2 3 2 3 模数转换芯片a d s l 2 1l 2 3 3 3 光学器件选择与分析2 5 3 3 1 光源选择2 6 3 3 2 光电探测器选择2 7 3 4 软件设计平台选择与分析3 l 3 4 1 主机节点工作流程3 1 3 4 2 接收机节点工作流程3 2 3 5 本章小结。3 3 第四章能见度测量系统的硬件设计3 4 4 1 光路设计与安装3 4 4 2 主机电路设计3 6 4 2 1 主机外围电路设计3 6 4 2 2 发射光源的调制设计。3 9 4 2 3 存储电路设计4 0 4 2 4 串行通信电路设计4 0 南京信息工程大学硕士学位论文 4 2 5l c d 显示电路设计4 1 4 3 接收机电路设计。4 2 4 3 1 接收机主控电路设计4 3 4 3 2 光电检测电路设计4 3 4 3 3 温度检测电路4 6 4 3 4 模数转换电路设计4 9 4 4 电源设计5 0 4 5p c b 设计与系统测试。5 1 4 6 本章小结5 3 第五章数据采集与处理5 4 5 1 系统开发环境5 4 5 2 数据通信可靠性测试5 5 5 2 1 组网测试与入网测试5 5 5 2 2 通信可靠性测试。5 6 5 3 能见度检测结果分析。5 7 5 3 1 数据处理5 7 5 3 2 能见度检测与分析5 7 5 4 本章小结5 9 第六章总结和展望6 0 6 1 总结6 0 6 2 展望6 0 参考文献6 2 致谢6 5 硕士在读期间发表的论文清单6 6 附录6 7 摘要 摘要 交通气象测量要素包括风向风速、雨量、气压、温湿度、能见度、雪深等， 能见度是影响交通安全的最主要因素。高速公路因能见度差引起的交通事故问 题日益突出。智能交通系统中通常将能见度等天气信息通过光纤网传入高速公 路管理控制中心，对车辆等进行实时调控并决定是否关闭高速公路以降低事故 发生率。采用有线方式时需要较长的电缆与较高的电缆布设成本，并且易受雷 电以及人为的破坏。 随着通信技术与监测、控制技术的融合，无线通信以及无人值守方案在很 多领域都得到了广泛的应用。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 ) 以无线方式将网络覆盖区中检测数据发送到数据汇聚节点或主机。本文在系统 阐述大气能见度检测理论的基础上，提出了一种新型基于无线传感器网络的透 射式能见度测量方法。系统以c c 2 4 3 0 为控制、数据处理及通信核心，由测量 节点和无线通信模块组成，包括发射模块、接收模块、信号处理模块等。采用 硅光电池，检测反映能见度状况的光信号。同时，利用无线传感器网络进行通 信，以实现主机节点和接收机节点之间通信和控制信号的相互传输，从而实现 对高速公路能见度的实时监测。由于半导体激光器和光电探测器受温度变化影 响明显，电路设计中加入温度检测模块，以实现温度补偿，减d , n 量误差。 本论文将无线传感器网络技术与透射式测量原理合理结合。透射式测量原 理实现了对高速公路能见度变化的精确检测；无线通信的解决方案在降低整个 系统造价的同时保证了系统通信的可靠性。本设计同时保留部分微处理器的i o 接口，用于满足系统进一步的功能扩展，使得本系统更具有灵活性和适应性。 关键词：交通气象、能见度、透射式、光电检测、c c 2 4 3 0 、z i g b e e a b s t r a c t a b s t r a c t n l em e a s u r i n ge l e m e n t so ft h et r a n s p o r t a t i o nm e t e o r o l o g yc o n s i s to fw i n dd i r e c t i o n , w i n dv e l o c i t y , p r e c i p i t a t i o n , p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , v i s i b i l i t y , a n ds oo n 啊1 ev i s i b i l i t yh a st h em o s ti m p o r t a n ti m p a c to nt r a f f i cs a f e t y , t r a 伍ea c c i d e n t sc a u s e d b yt h ep o o rv i s i b i l i t yo n t h eh i g h w a y si sb e c o m i n gs e r i o u sn o w a d a y s 田ki n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m su s u a l l yt r a n s m i tt h em e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n ss u c ha s v i s i b i l i t yt oh i g h w a ym a n a g e m e n tc o n t r o lc e n t e r st h r o u g ht h eo p t i c a ln e t w o r k s ，s o t h a tt h er e a l - t i m ec o n t r o lt ot h ev e h i c l e sc a nb eu n d e r t a k e n a n dt h eh i g h w a y m a n a g e m e n tc o n t r o lc e n t e r sm a k et h ed e c i s i o nt h a tw h e t h e ri ti sn e c e s s a r yt os h u t d o w nt h eh i g h w a yt or e d u c et h ea c c i d e n tr a t ea c c o r d i n gt ot h ew e a t h e r i n f o r m a t i o n s i ft h ec a b l en e t w o r k si su s e d , i tn e e d sv e r yl o n gc a b l e sa n dh i g hc o s to f c a b l el a y i n g ，w h i c hi se a s i l yd e s t r o y e db yt h u n d e ra n dh u m a n b e i n g s a st h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t i o no ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ， c o n t r o l l i n gt e c h n i q u e sa n dm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n d t h eu n a t t e n d e ds o l u t i o n sa r eu s e dm o r ea n dm o r ei nm a n yf i e l d s t h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ( w s n ) t r a n s m i t st h ed e t e c t e dd a t a sf r o mt h ew i r e l e s sc o v e r a g e da r e at ot h e d a t aa g g r e g a t i o nn o d e so rt h eh o s tc o m p u t e r si nw i r e l e s sw a y s t h i sa r t i c a lf i r s t e l a b o r a t e st h et h e o r yo ft h em e a s u r i n go ft h ea t m o s p h e r i cv i s i b i l i t y , a n dt h e n p r o p o s e sa n e wt r a n s m i s s i o nt y p em e t h o do fm e a s u r i n gt h ev i s i b i l i t yb a s e do nt h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t l l i ss y s t e mu s e st h ec h i pc c 2 4 3 0a st h ec o r eo fc o n t r 0 1 d a t ap r o c e s sa n dc o m m u n i c a t i o n i tc o n s i s t so ft h em e a s u r i n gn o d e sa n dt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gt r a n s m i t t i n gm o d u l e ，r e c e i v i n gm o d u l ea n ds i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l e i nt h em e a s u r i n gn o d e ，t h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r2 c r l 13 3i su s e d t od e t e c tt h eo p t i c a ls i g n a lw h i c hr e f l e c t st h ev i s i b i l i t ys t a t u s m e a n w h i l e ，t h e c o m m u n i c a t i o ni sc a r r i e do u tb yt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st ot r a n s m i tt h e c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls i g n a l sb e t w e e n 也eh o s tn o d ea n dt h er e c e i v i n gn o d e s o t h er e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ev i s i b i l i t yo ft h eh i g h w a y si sr e a l i z e d t e m p e r a t u r e d e t e c t i o nm o d u l ei sa d d e dt or e a l i z et h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt or e d u c et h e m e a s u r i n ge r r o r sb e c a u s et h el a s e rs e m i c o n d u c t o ra n dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o rh a v e f u t u r e so ft e m p e r a t u r ea f f e c t e do b v i o u s l yb yt h et e m p e r a t u r e t h ei n n o v a t i o no ft h i s a r t i c a li st h a ti tf i r s tc o m b i n e st h et r a n s m i s s i o nt y p e m e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y n l et r a n s m i s s i o n 南京信息工程大学硕士学位论文 t y p em e a s u r e m e n tp r i n c i p l er e a l i z e s t h ef u l l m o n i t o r i n go ft h ec h a n g e so ft h e h i g h w a yv i s i b i l i t y t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns o l u t i o nr e d u c e st h ec o s to ft h e w h o l es y s t e m , w h i l ee n s u r e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es y s t e m r e s e r v e ss o m em i c r o p r o c e s s o ri oi n t e r f a c e st om e e tt h ef u l t h e re x t e n s i o n so f f o n c f i o n s ，w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r ef l e x i b l ea n dm o r ea d a p t a b l e k e y w o r d s ：t r a n s p o r t a t i o nm e t e o r o l o g y ，v i s i b i l i t y ，t r a n s m i s s i o n ，p h o t o e l e c t r i c d e t e c t i o n 、c c 2 4 3 0 、z i g b e e 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 能见度( v i s i b i l i t y ) 【l 】是首先为了气象目的而定义的通过人工观测定量的估计值。能见 度反映了大气浑浊的一定程度，是表征近地表大气污染程度的一个重要参量。低能见度对 航海、航空、陆上交通等交通运输和电力供应、军事活动以至于市民的日常生活都会产生 非常重大的影响。 我国内地从上世纪8 0 年代初期开始高速公路建设。随后，各地大规模的高速公路建设 陆续展开 3 1 。高速公路事业的发展有效地带动了公路沿线地区的经济发展与繁荣，方便了 人们的出行和货物的流通。然而，高速公路交通事故发生率和死亡率的不断上升也给人们 的生命财产安全和经济的繁荣稳定带来许多不利影响【3 】。 在现代交通条件下，影响交通运输的各种因素中，天气条件是重要因素。恶劣的天气 是造成延误飞机起降甚至取消航班、火车误点甚至中断、高速公路封路以及轮船停航的主 要原因，此外恶劣天气还会引发大量的交通事故、影响交通基础设施的建设和使用寿命。 在我国大部分地区引起恶性交通事故的天气现象中，雾是最主要因素之一。浓雾使司 机人员产生严重的视程障碍，使其可见距离变小、能见度降低，这是浓雾造成交通安全危 害的最根本原因。浓雾引起的低能见度对交通安全影响甚大，由浓雾引发的低能见度天气 造成的交通事故屡见报端。正如许多有关高速公路大雾重大交通事故的新闻报道那样：搿交 通事故的主要原因是能见度低，速度过高，车间距过小等等”。低能见度差造成重大车 辆损失和人员伤亡，导致高速公路限速或关闭，延误行车时间，造成了巨大经济损失。因 此，对高速公路的能见度状况进行全天候实时全程监测，对消除由低能见度引起的交通事 故，有着非常重要的意义。 受江苏省产学研前瞻性项目“基于手机平台的交通气象检测及信息分发关键技术研究” 的资助，开展了基于w s n 的透射式能见度测量系统的研究。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 能见度测量原理与方法比较 1 2 1 能见度定义 能见度是指视力正常的人在当时的天气条件下，能从背景中分辨出目标轮廓物的最远 距离。对于移动目标而言，又可分为消失距离和发现距离。消失距离是指当目标物向远离 观测者的方向移动时，观测者最终看到景象逐渐模糊直至在背景中消失瞬间的位置与观测 者之间的距离。发现距离是指当目标物从极限远处背景中向观测者的方向移动时，最初被 观测者发现的位置与观测者之间的距离f 4 一。 由此可见，能见度概念与它的使用情况有关。对飞机飞行员而言，关注的是“跑道视 程( r v r ) 一。即飞行员在最常使用位置能观察到跑道示踪物( 如跑道标记或跑道信号灯) 的最大视觉距离：对于汽车司机而言，最关心的则是汽车尾灯的“尾光能见度”，即汽车尾 光的发现距离；而常规气象观测关心的是消失距离n 5 1 。 为使大气能见度有一个统一的衡量指标，1 9 5 7 年世界气象组织建议采用气象光学视距 ( m e t e o r o l o g i c a lo p t i c a lr a n g e ，m o r ) 来衡量大气光学状态。气象光学视距m o r 是指由 白炽灯发出的色温为2 7 0 0 k 的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5 所通过的路 径长度h 6 ，7 1 ，若。表示大气消光系数，则其数学表示形式为： m o r ：! l i l 上0 - 0 盯0 0 5 能见度用气象光学视程m o r 表示，m o r 只与大气透明度有关，不随白天、黑夜天空 光强背景的变化。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，能见度 较差。 对于点光源啼1 ，有 t l r = i 1i n 志( i - 2 ) ， 从而， m o r ：r i n 0 7 一0 5 ( 1 - 3 ) m i 4 r z e r 2 式( 1 3 ) 对指导研究汽车灯光安全视距提供了重要的理论依据。 2 第一章绪论 1 2 2 目测法测量原理 要研究高速公路的能见度检测问题，首先要明白能见度的方法和测量原理，弄清影响 能见度测量的主要因素。能见度的探测方法主要有“目测法”和“器测法”两大类。交通 气象检测中，能见度的监测通常指采用“器测法”来测量能见度，但在实际工作中，“目测 法”常用来作为“器测法”的补充来对比试验或验证并发现器测能见度偏差。 早期的能见度观测以目测为主。目测法观测能见度时，对目标物的分布、周围观测环 境等要求较高，需要视野开阔，无遮蔽物遮挡等。不同的观测者感知的能见度除了与所处 环境、大气物理光学状态有关外，还与个人的视力、视角、状态及多种因素有关。日常观 测中，在对能见度精度要求不是很高的情况下，可按表1 1 中的经验标准来判断能见度。 表1 1 常见的判断空中能见度的经验标准 天空蓝色越深，能见度越好 天空的颜色 天空呈黄色、白色或浑浊不清，有浮尘、烟层、霾等，能见度不好 天空中发红( 水成物粒子多) ，能见度差 早晨或傍晚太阳呈红色，说明空中水汽凝集物或尘埃多，能见度不好 白天太阳呈白色、不刺眼，说明空气中尘埃多，能见度差 日月星辰的颜色 月亮呈红色或淡黄色、或星光黯淡，表明空中有浮尘或霾，能见度差 月亮皎洁星光明亮，能见度好 云块结构云块结构越清晰，能见度越好 其它 雨后天空能见度好，久晴不雨则能见度差。 目测法是一种由人眼从背景中分辨出最远距离的观测方法，起决定作用的是亮度差异。 视觉对比度c ，也叫视反差，反映了目标物与背景亮度的差异，其数学表达式为： c = ( 1 - 4 ) 式中k 表示目标物亮度，l b 表示背景亮度。当人眼恰好不能从背景中分辨目标物时的 c 值称为对比阈值，用表示。当c 时，物体可辨；c 时，物体不可辨。由此可知， 观测者估计能见度时，并不只取决于所理解的或应当理解的目标物的广度测定的和尺度的 特征，还取决于观测者的对比阀值【4 5 1 。 能见度“目测法”采用目标能见距离和灯光能见距离分别表示白天气象能见度和夜间 气象能见度。以下通过讨论能见度“目测法”的数学定义，以便更好地指导“器测法一测 3 南京信息工程大学硕士学位论文 高速公路能见度的研究。 l 、白天气象能见度 白天气象能见度( m e t e o r o l o g i c a lv i s i b i l i t yb yd a y ) 定义为：相对于雾、天空等散射光 背景下观测时，一个安置在地面附近的适当尺度的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距 离【5 9 1 。 白天沿水平方向面向天空目测远处地面目标时，由于太阳直射光、云层以及地面漫射 的影响，大气中的气溶胶粒子发生吸收、散射效应降低了目标物与背景之间的对比，从 而减小了目标物能被看见的的距离。1 9 2 4 年，k o s c h m i e d e r 建立了从很近处看到的地平天 空下的目标物的亮度对比之间的关系，即后来的k o s c h m i e d e r 定律。k o s c h m i e d e r 定律的数 学表示为【5 ，6 刀： c = e 一 ( 1 5 ) 式中，c 为视觉对比度；o 为大气消光系数：d 是观察者距离目标物的距离。 若目标物恰好可见，则视觉对比度恰好达到眼睛的对比阈值，正常人眼睛的视觉反 应阈值为0 0 2 、0 0 5 ，气象观测多取s = 0 0 2 ，用能见度v 替换d ，则有： 占=p一叮7(1-6) 也即： 珞：一坐：一3 9 1 2 盯仃 ( 1 7 ) 由上述讨论可知，影响能见度的因子除人的主观因素外，主要还与目标物和背景的亮 度差异以及大气物理特性有关。此外，由于人眼对波长九的敏感性并不一致( 对九卸5 s u m 的绿光最为敏感) ，不同波长的光对大气的穿透性也有所不同1 5 , 6 , s 1 ，因此，在修正能见度理 论公式时，波长九也是应考虑的因子之一根据波长对能见度测量结果的影响，式( 1 7 ) 的 波长订正公式可表示为 = 半意) 。( 1 - 8 ) q 是与v 蠢有关的波长修正因子，其取值一般如下： q = 1 6 能见度非常好 q - - ! 3 能见度较好，6 k i n v r 3 0 k r a q = 0 5 8 5 v r 6 k m q = o 2 1 雾 q = o 降雨、降雪、浓雾 4 第一章绪论 在对高速公路的能见度进行监测时，从交通安全的角度考虑，优先考虑低能见度的测 量精度，暂取q = 0 5 8 5 。从而 圪一警= 半( 志) o 湖 ( 1 - 9 ) 根据式( 1 9 ) 可以估算高速公路行驶的安全视距。 2 、夜间气象能见度 夜间气象能见度( m e t e o r o l o g i c a lv i s i b i l i t yb yn i g h t ) 定义为：假想总体照明增加到正常 白天水平，适当尺寸的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离：中等强度的发光体能被 看到和识别的最大距离。夜间能见度也叫灯光能见度。夜间作为能见度标记的发光体能被 看到的距离不仅取决于m o r 和发光体的强度，还取决于观察者眼睛处从其他光源来的照 度1 5 ，9 】。 1 8 7 6 年，a l l a r d 提出从点光源发出的光的衰减随距离和消光系数的关系，这也就是著 名的a l l a r d 定律，它是测量夜间能见度的基础。a l l a r d 定律指出：在消光系数为。的大气 中，光强为i 的光源在距离光源处d 处所产生的照度为e ，e p 5 ，3 ，9 】： e = 三p 一耐 d ( 1 - 1 0 ) 对于点光源，则有 e 2 丽l p卅(1-11) 如果这个点光源恰好能被看见，这就意味着此时的照度刚好达到观察者眼睛的照度阈 值e t ，对应的距离d 即为能见度( 能见距离) v 。 e ? = ；f 确( 1 - 1 2 ) t ，z 式中，e t 不是常数而是背景亮度的函数。在计算当时的能见度值时，若光源的光强已 知，则可根据背景亮度值确定照度阈值。通过能见度仪器确定出。值，便能得到能见度值。 1 2 3 器测法测量原理 膏器测法一主要有散射法、透射法、数字摄像法和激光雷达法等。 l 、c c d 成像法 1 9 世纪4 0 年代，人们开始尝试用照相法测能见度。照相法用相机拍摄黑色目标物， 通过求得照片中目标物与背景的相对亮度比来推算能见度值。照相法由于从拍照到确定相 对亮度比都是手工操作，耗费时间而且难以实现真正定量化，因而并未得到推广应用。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 随着现代c c d 摄像技术的逐渐成熟，“照相法”测能见度再次成为研究能见度的方向 之一。中国科学院周秀骥院士在1 9 9 7 年提出了数字摄像法测能见度的设计思想，即选定几 个在一般天气条件下较明显的、c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 能够分辨出来的目标物作 为探测目标，并测定探测目标的距离、亮度等参数。c c d 通过图像采集卡将目标物的图像 传送到计算机，由计算机对这些图像信息分别进行分析处理，然后代入相关公式进行计算， 得到最终的能见度值 1 1 , 1 2 】。基于数字摄像法的能见度测量仪从1 9 9 7 年开始研制至今，此期 间边实验边完善，仪器的性能指标也不断提高，目前此种能见度仪可以投入使用【3 】。 2 、透射法 5 0 年代中期，国际上出现了“透射型”能见度仪。透射法采用收发端分离的形式，通 过测量发射器和接收器之间的水平空气柱对光的平均消光系数来确定能见度值，如图1 2 所示。发射器提供恒定功率的光源，接收器主要由光电检测器组成，发射器和接收器之间 光束传送的距离称作基线，可从几米到几百米1 3 , 8 j 3 , 1 4 1 。 图1 2 透射式能见度仪 根据b o u g u e r - l a m b e r t 定律，假设f o 为测量初始光强，f 为光传输l 距离经大气衰减 后的光强，l 为发射机镜头到接收机镜头之间的光程，即基线。则 f = f o e - 靠 ( 1 - 1 3 ) 丁= 吾= p 一 ( 1 - 1 4 ) 仃：一- l n t ：竺猃( 1 - 1 5 ) 式中，t 为透射因素。从而可以得到能见度的计算公式如下： 2 面3 9 1 22 砑3 9 1 2 ( 1 1 6 ) 比较( 1 9 ) 式，可得到修正后的能见度方程应为： 第一章绪论 k 2 脊静” m 忉 透射法测能见度的测量机理经典，计算方法简单，不考虑道路的环境条件( 如雨、雪 等) 对测量结果的影响，接收信号强、信噪比高、易实现而值得推广应用 g j o 。式( 1 1 7 ) 也就是本系统测量能见度的最终计算公式。可见要准确测定能见度，必须准确测定l 、f 和f o ，关键是测量f 和f o 。 3 、散射法 6 0 年代出现了“散射型”能见度仪。散射法通过研究空气中粒子的散射特性，获得消 光系数，进而求取能见度值。按照接收器接收不同方向的散射光，散射仪分为3 种：前向 散射仪、后向散射仪和总散射仪1 1 5 , 1 6 。前向散射仪因其体积小，性能价格比高而应用较广， 如图1 3 所示。 图1 3 散射式能见度仪 测量时，通常把一束光汇聚在小体积空气中，以光度测量的方式确定在充分大的立体 角和并非临界方向上的散射光线的比例，从而确定散射系数。假定测量光源已受到调制且 不考虑其他光的干扰，则这种类型的仪器在白天和夜晚就都能用于测量能见度。 散射法通过求指定体积的大气散射强度来推算大气能见度，提高了测量结果的灵敏度 和稳定性，但测量结果往往仅代表此处的大气能见度，气体取样空间相对较小，因而测量 结果的代表性较差。 4 、激光雷达法 激光雷达是传统的雷达技术和现代激光技术相结合的产物，它以激光作为电磁辐射源， 利用激光进行回波测距和定向，并通过位置、扫描、径向速度以及目标物体的反射特性来 识别物体【嘲。 激光雷达测能见度其原理和后向散射测能见度类似。通过接收器接收数百米以外的激 7 南京信息工程大学硕士学位论文 光回波信号，经数据处理后得到大气消光系数，从而求得能见度值。它不仅能测水平能见 度，而且也能测斜程能见度和垂直能见度。激光雷达式能见度仪由于结构相对复杂，成本 也较高。目前为止，还只限于科研研究和国防领域。 1 3 国内外能见度仪的研究现状 由于各国对于公路、航空、军事和生活等方面的需求，特别是随着高速公路事业的空 前发展，国内外都十分重视气象监测预警系统的研发，并取得了很好的效果和发展前景。 能见度观测仪在国外发达国家的研制起步较早，并以其测量精度高而广泛应用于航海 航空、高速公路、气象等部门的能见度测量领域，但其缺点是价格非常昂贵。 我国从2 0 世纪6 0 年代中期才开始器测能见度的探索，加上各种技术水平落后，往往 停留在实验室或者初步产品阶段。 1 9 7 6 年，吕达仁 7 1 等利用红宝石激光雷达在北京地区测量了水平方向大气平均衰减系 数，并与目测能见度做了比较。随后，1 9 8 0 年，赵燕削3 】等又利用激光雷达进行了斜视能 见度的测量。2 0 0 3 年，空军第一航空学院的施德恒n o 捌等提出了利用激光测量跑道水平及 斜视能见度的原理与方法：通过合作目标的使用，使得能够较简单地实现对斜视能见度的 测量且大幅度地提高了仪器回波信号的幅度与灵敏度；通过引入透射率标尺改善了仪器对 能见度测量的相对误差曲线，提高了能见度、尤其是低能见度的测量精度。2 0 0 4 年，解放 军理工大学的刘伟辉【1 9 1 等进行了透射式机场激光能见度仪的研究，采用太阳能供电和能见 度，背景分时轮换探测技术，使得仪器功耗小、安装和调试方便、性价比高。中国气象科学 研究院大气探测所与南京气象学院( 现为南京信息工程大学) 合作，共同研制了w r 系列 前向散射型能见度探测仪，并在大气探测试验基地进行了外场实验取得的大量实验数据。 2 0 0 6 年由江苏省气象科学研究所( 南京交通气象研究所) 承担并完成的沪宁高速公路江苏 段气象监测系统中，每套监测站都配置了一台改良的w t - 2 型能见度仪，取得了良好的应 用效果【3 1 3 1 。 目前世界公认的几种测量仪器的精度指标已达到w m o ( 世界气象组织) 和i c a o ( 国 际民航组织) 对能见度的精度要求i g 】。国际上能够代表能见度测量水平的几种仪器情况见 表1 2 。 3 第一章绪论 表1 - 2 国内外能见度仪状况 国别公司厂家仪器型号、名称测量原理测量范围 精度基线馓射角 r e l f o r t 公司 c 觚n o 6 1 1 3 前向散射 1 5 4 8 0 0 m 5 2 0 - 5 0 0 0 0 1 4 m 3 n o v a l y n x 公司 8 3 3 0 透射表消光 l o 3 0 0 0 m l o 7 5 1 5 0 m 美国 8 3 4 1 雾探测器后向散射 l 1 0 0 0 0 m1 e g & g 公司2 0 7 前向散射器前向散射 6 0 v 6 1 0 0 m5 2 0 5 0 。 h s s 公司v r - 3 0 1 能见度仪前向散射 3 3 0 0 0 0 0 m 5 2 7 4 2o i m p u l s p h y s i k s k o p o g r a p h i i 消光 l m 0 0 0 0 m1 5 7 5 m 公司 v i d e o g r a p h 后向散射5 0 弓0 0 0 m 德国 a e g d f v l r 散 a e g 公司前向散射 5 0 - 4 0 0 0 0 m5 1 0 - 2 0 0 7 8 0 c r n 3 射仪 m 1 1 r a s 透射表消光 7 一1 0 ( ) o o m1 l m 之0 0 m 芬兰v a i s a l a 公司 f d s l 2 p 前向散射 仪 前向散射 l m 之0 0 0 m 2 0 3 3 0 2 2 0 c m 3 e l e c r n a 公司l y n x 透射表消光7 5 - 2 0 0 0 r n0 5 3 珏4 锄s o m 法国前向散射消 j r i 公司 j i u e v l 0 0 0l 肛1 0 0 0 0 mo 3 - 3 3 光 日本m e i s c i 公司b g l 透射表消光 2 0 5 0 0 m 1 4 主要研究内容 近年来，随着计算机技术、无线通信技术以及自动化技术的应用与发展，现有气象卫 星系统、地面气象观测站等在不久的未来将形成综合观测网络。将各测量节点随机或者特 定地布置在目标环境中，它们之间通过一定的协议自组织起来，方便地获取周围环境的信 息并且相互协同工作完成特定任务，高效地将各要素观测仪器纳入到大系统当中【引，这就 是气象观测无线网络系统化的发展趋势。 本文设计了基于无线传感器网络的透射式能见度仪，由发射模块、接收模块、信号采 集处理模块和电源模块等部分组成。无线传感器网络具有非常多的节点和非常低的功耗， 同时，由于只需要传输采集的数据，对数据传输的要求不是很高。因此z i g b e e 技术非常适 用于能见度检测的无线传感器网络。 本论文的主要研究工作为： 设计光信号的远距离传输光路，对传输的光信号进行扩束、聚焦、滤光等技术处理， 以达到更好的抗干扰能力。 在分析比较光电探测器性能的基础上，设计远距离测量微弱光信号的光电转换传感器 及其检测与调理电路，实现对远距离微弱光信号的准确提取与精确测量。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 由于激光半导体和光敏器件有一定的温度系数，在温度检测与光电检测实验的基础上， 设计了温度检测电路，以实现对激光器件和光敏器件的温度补偿。 设计系统信号的采集与处理硬件单元，实现对系统所需各种信号的实时采集与处理。 进一步控制和调整系统其他部件稳定、正常地工作。 电路设计的基础上，在m u l t i s i m 中进行电路仿真与调试，并最终确定p r o t e l 原理图设 计和p c b 设计。 结合能见度测量的软件系统，完成收发节点之间的，以及整个系统网络之间实时的相 互通信与能见度系统的实验测试。 论文最后做了总结与展望，提出在设计与实验中的问题与不足，提出论文的后续工作。 按照论文提出的研究工作，第二章介绍了无线传感器网络的概况，并介绍了z i g a e e 协 议栈、z i g b e e 中的设备、z i g b e e 网络拓扑以及z i g b e e 在交通气象检测中的应用。第三章 是能见度测量系统设计分析，介绍了系统硬件、软件平台的选择与设计分析以及光学器件 的选择与分析。第四章详细介绍了整个硬件电路图的设计方案，电路中各元件的选择与实 验测试，并对部分电路做了仿真，最后根据原理图完成p c b 设计。第五章结合软件系统， 对硬件部分进行了仿真数据采集测试，验证主机节点和接收机节点的功能。第六章是对本 论文的总结和展望，总结了基于c c 2 4 3 0 的无线传感器硬件节点的性能，提出本论文的后 续工作。 1 0 第二章无线传感器网络与z i g b e e 技术 第二章无线传感器网络与z ig b e e 技术 2 1 无线传感器网络简介 微电子技术、传感器技术以及无线通信技术的不断发展与成熟，推进了无线传感器网 络的发展。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 ) 由许多具有数据采集和处理、 无线通信、协同合作等功能的微型无线传感器节点组成，这些传感器节点可以随机或者特 定地布置在目标环境中，并通过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务瞄2 3 】。 2 0 世纪9 0 年代开始，人们开始了对无线传感器网络的研究，包括芯片设计、硬件平 台的搭建，以及物理、媒体接入、路由层协议以及跨层设计等。由于在国防军事、交通管 理、医疗卫生、环境科学等领域的巨大应用价值，促进了各国政府机构和科研单位对无线 传感器网络的研究。从国外看，美国的很多大学都已开展传感器网络的研究：麻省理工学 院致力于超低能耗的方法和技术、哈佛大学致力于传感器网络中通讯的理论基础研究、加 州大学洛杉矶分校开发了无线传感器网络环境模拟系统等：在其它国家和地区，如欧洲、 日本、澳大利亚等也已经开展了不少关于传感器及传感器网络的研究工作圈。从国内看， 清华大学、西南交大、中科院传感器技术国家实验室等单位也都开始了对无线传感器网络 的研究，并取得了一些初步的研究成果。