（电力电子与电力传动专业论文）基于无线传感器网络的变频增氧测控系统的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 嘲 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名： 桎荔 沙f 年6 月i 3 日 翮魏房、3 孝析 仍l 年6 月侈日 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。 学位论文作者签名：柱荟 日期：劲1 年6 月1 3h 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着智能监控技术的发展，无线通信技术对水产养殖的重要性越来越受到业 界的重视。为了提高水产养殖的自动化水平，避免水中溶解氧过低导致鱼类死亡， 本文采用无线传感器网络技术和变频调速技术，提出了一种基于无线传感器网络 的变频增氧测控系统的设计方案。 无线溶解氧智能测控装置主要由无线传感器网络技术、传感器测控节点和变 频增氧控制装置等部分组合而成。本文首先介绍了无线传感器网络和z i g b e e 技 术的相关知识及国内外的发展现状。然后通过分析系统设计的要求和目标，提出 了无线传感器网络的整体设计方案和选取了合适的控制策略。接着对系统的软硬 件设计作了详细的论述，在监控系统的硬件部分，搭建了以c c 2 4 3 0 无线收发模 块为核心的硬件平台，设计了传感器模块、无线通信模块、串口通信模块和液晶 模块等一些重要的电路；软件设计部分，裁剪开发应用z i g b e e 协议栈，用c 语 言编写了各层功能实现的程序和串口通信协议，然后使用v b 语言实现了上位机 监控界面设计。在软硬件平台完成的基础上，以室内小型鱼池为例搭建了实际的 水产养殖测控系统，建立了溶解氧监控系统的数学模型，利用s i m u l i n k 软件设 计了p i d 控制器并给出仿真结果，完成基于p i d 的变频增氧控制装置和无线溶 解氧智能控制系统的设计。 最后对系统进行测试，并对测试结果作出总结和分析。测控系统以无线传感 器网络技术为核心，增强了控制系统的可靠性和安全性，同时结合现代变频调速 技术实现了增氧机的节能安全运行。整个系统具有很强的自组织和自恢复能力， 实现水产养殖多环境因子的自动调节和实时远程监控，且控制精度高，通信可靠， 其应用前景广阔。 关键词：无线传感器网络，z i g b e e ，p i d 控制，变频增氧，c c 2 4 3 0 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sm o r ec o n c e m e do nt h ei m p o r t a n c et oa q u a c u l t u r e t o i m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e lo fa q u a c u l t u r e ，a n dp r e v e n tf i s hk i l l sc a u s e db yl o w d i s s o l v e do x y g e n ，ak i n do ff r e q u e n c y - c o n v e r s i o na n do x y g e ni n c r e a s i n gm o n i t o r i n g s 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 k ( w s n ) w a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r w i r e l e s si n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gs y s t e m i s c o m p o s e db yw s nt e c h n o l o g y , m o n i t o r i n gn o d e s ，f r e q u e n c y c o n v e r s i o nd e v i c ea n ds oo n t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e s t h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g ea n dp r e s e n ts i t u a t i o no fw s na n dz i g b e et e c h n o l o g y a f t e ra n a l y z i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dg o a l ，ak i n do f c o n t r o l l i n gs t r a t e g ya n da t o t a ld e s i g nt o p o l o g yb a s e do nw s na r eg i v e n i nh a r d w a r e p a r to fm o n i t o r i n g n e t w o r k ，i tb u i l d st h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nw i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i pc c 2 4 3 0 ， d e s i g n i n g s o m e p r i m a r yc i r c u i t s ，s u c h a ss e n s o rc o n d i t i o nc i r c u i t s ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i u c u i t s i ns o f t w a r ep a r t ，c u t t i n ga n d d e v e l o p i n gz - s t a c kr e a l i z et h ef u n c t i o n so fe a c hl a y e ra n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n tw i t hcl a n g u a g e ，a n dd e s i g nm o n i t o r i n gi n t e r f a c ew i t hv bl a n g u a g e b a s e d o nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，t h ea c t u a l m o n i t o r i n gs y s t e mi sb u i l t t h e n ， m a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa lea l s og i v e n f u r t h e r m o r e ， p r o p o s et h ef r e q u e n c y - c o n v e r s i o nc o n t r o lt e c o n o l o g yb a s e do np i da n df i n i s ht h e d e s i g no fw i r e l e s si n t e l l i g e n c em o n i t o r i n gs y s t e m a tl a s t ，t h et e s t sa r ec a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t sa r ea l s oa n a l y z e d t h es y s t e m t a k e sw 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 ya sac o r et oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo fs y s t e m ，a n dc o m b i n i n gw i t hf r e n q u e n c y - c o n v e r s i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v e t h es a f eo p e r a t i o no fa e r a t o r t h eo v e r a l ls y s t e mh a sh i g h s e l f - o r g a n i z a t i o na n d s e l f - r e c o v e r ya b i l i t y , r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n to fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ， a n dh a sh i g hp r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti sb r o a d 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 ，z i g b e e ，p i dc o n t r o l ，f r e n q u e n c yc o n v e r s i o n a n do x y g e ni n c r e a s i n g ，c c 2 4 3 0 江苏大学硕士学位论文 目录 摘：! 要i a b s t r a c t l i 目 录一i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究目的意义1 1 2 无线传感器网络简介2 1 2 1 无线传感器网络概念2 1 2 2z i g b e e 技术简介2 1 2 3z i g b e e 技术的特点3 1 3 无线传感器网络的国内外研究现状及发展趋势4 1 3 1 国外研究现状4 1 3 2 国内研究现状4 1 4z i g b e e 技术的研究应用状况5 1 5 本文主要内容6 第二章系统的设计方案8 2 1 引言8 2 2 系统的整体结构一8 2 2 1 布局结构8 2 2 2 协调器节点设计9 2 2 3 传感器节点设计9 2 2 4 控制节点设计1 0 2 2 5 组网设计l l 2 3 控制策略选择1 1 2 3 1p i d 控制基本原理l l 2 3 2p i d 控制器的参数整定1 4 2 4 ，j 、结1 6 第三章系统硬件电路设计1 7 3 1 硬件系统设计概述1 7 3 2 传感器模块设计l8 3 2 1 溶解氧和温度测量电路18 3 2 2 增氧机工作状态检测电路2 1 3 3 无线通信模块设计2 3 3 3 1 无线芯片选择2 3 3 3 2 无线收发模块c c 2 4 3 0 2 3 3 3 3 无线芯片c c 2 5 9 1 一2 5 3 3 4c c 2 4 3 0 和c c 2 5 9 1 接口设计一2 6 3 4 串口通信模块设计2 7 3 4 1c c 2 4 3 0 与上位机接口2 7 3 4 2c c 2 4 3 0 与变频器接口2 8 3 5 外围设备控制2 9 3 6 液晶模块设计3 0 3 7 本章小结3 1 1 1 i 江苏大学硕士学位论文 第四章系统软件协议设计：3 2 4 1z i g b e e 协议栈概述一3 2 4 2 物理层3 3 4 3 媒介访问控制层3 6 4 4 网络层规范与实现4 0 4 4 1 网络层规范4 0 4 4 2 网络层功能实现_ 4 1 4 5 应用层规范及实现4 5 4 5 1 应用层规范：4 5 4 5 2 应用层实现4 7 4 6 串口通信协议设计51 4 7 上位机监控界面设计5 3 4 8 本章小结5 6 第五章无线溶解氧智能测控技术5 7 5 1 水产养殖鱼池的测控系统搭建5 7 5 2 基于变频器调速方式的增氧数学模型建立一5 8 5 3m a t l a b1 方真一6 l 5 4 基于p i d 参数的溶解氧变频智能控制技术6 3 5 5 无线溶解氧智能测控系统6 4 5 6 本章小结6 6 第六章系统应用与功能测试6 7 6 1 系统构建6 7 6 2 对长条形鱼池的无线传感器网络拓扑结构设计6 9 6 3 系统功能测试7 0 6 4 本章小结7 3 第七章总结与展望7 4 7 1 本文工作总结7 4 7 2 未来工作展望7 5 参考文献7 6 致 射8 0 在校期间发表的论文一8 l i v 1 1 课题研究目的意义 第一章绪论 近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，传统的池塘水产养殖逐 渐向工厂化水产养殖方式过渡。只有通过自动监测养殖水域的环境，控制各种 生理环境因子满足养殖生产的最佳生长范围，才能减少养殖风险和达到高产、 稳产的目的。通过综合分析和评价影响鱼类生长的多环境因子，认为水中的溶 解氧是影响鱼类生长的最关键因素。 溶解氧是指溶解于水中的分子态氧，是水生生物生存不可缺少的条件。只有 水中的溶氧量达到一定值后，鱼类才能维持生命，且在一定的范围内，鱼类对饲 料的利用率和生长速度都会有所提高。溶氧量下降到一定值后就会对鱼类生长造 成不良的影响，过低时甚至会导致鱼类大量死亡。目前测量水中溶解氧的测控仪 有很多，但是多数测氧设备只测不控，而且价格昂贵；或者一些设备操作复杂， 通讯距离短，不能实现远距离自动监控。而且多数池塘养殖仍然采用传统的设备 和技术，依据人为经验来判断水体是否缺氧，并控制增氧机是否开机，开机的时 间长短也是通过经验来控制，这种方式不但增氧不及时，劳动强度大和费时费力， 而且不能保证鱼类在适宜的溶氧量下生长，同时在增氧机的使用上也比较费电， 造成养殖成本增加。 为了提高鱼类产品的质量和产量，降低养殖成本和提高水产养殖的自动化水 平，本文提出了基于无线传感器网络的变频增氧测控系统的设计方案。利用无线 传感器网络技术设计了一个能够在线测量和控制温度、溶解氧等参数的水产养殖 监控系统，实时监测水中的溶氧量和温度，根据溶解氧的实际变化情况，通过变 频器自动控制增氧机的工作，保持鱼塘的溶氧量和温度在适宜鱼类生长的范围 内。该系统利用无线传感器网络技术实现了鱼塘环境因子的实时远程监测，采用 现代变频技术实现了增氧机的节能安全运行。整个系统具有很强的自组织和自恢 复能力，实现水产养殖多环境因子的自动调节，达到了测氧增氧自动化的目的， 具有重要的研究意义和市场价值。 江苏大学硕士学位论文 1 2 无线传感器网络简介 1 2 1 无线传感器网络概念 随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日 益成熟，低成本、低功耗和多功能的微型传感器的大量生产成为可能。这些传 感器的微小体积内通常集成了信息采集、数据处理和无线通信的功能。无线传 感器网络就是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电形成的一 个多跳的自组织网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域里 被检测对象的信息并发送给读者【l l 2 1 。 无线传感器网络的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，最早开始研究这项技术的 是美国军方。迄今为止，无线传感器网络的发展大致经历了4 个阶段1 3 j ：第一 代传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，采用具有获取简单信息信号能力的传统 传感器，通过点对点传输和连接传感控制器而构成传感器网络；第二代传感器 网络，传感器具有获取多种信息信号的综合能力，利用r s 2 3 2 、r s 3 8 4 等串并 接口与传感控制器相连构成综合多种信息的网络；第三代传感器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和2 1 世纪初，智能传感器采用现场总线连接传感控制器，后 称局域网络，形成智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，采用 自组织无线接入网络，用大量的具有多信息信号获取能力、多功能的智能传感 器，与传感控制器连接构成无线传感器网络。 1 2 2z i g b e e 技术简介 近年来在无线个域网( w p a n ) 技术发展的领域中，各种无线技术竞相发 展，并且这些不同技术的产品既相互竞争又相互补充。z i g b e e 就是在无线技术 迅速发展的环境中产生的，与其他通信技术相比，它并不是追求高速率和远距 离，而是针对特定的智能建筑、智能家居、环境监测以及工业自动化的某些特 定控制的需求，锁定只以几十k b p s 的速率和几米到几十米的距离实现无线组网 通信的能力，然后再实现其他微功耗、低复杂度和低价格等技术要求，既而诞 生了新的无线技术一乃g b e e 【4 】【5 】。“z i g b e e 一词源自于蜜蜂群在发现花粉位 置时，通过跳z i g z a g 形舞蹈来告知同伴以传递所发现新食物源的位置、方向和 距离等相关信息。因此，z i g b e e 网络技术是模仿蜜蜂通过跳舞传递信息的方式， 2 江苏大学硕士学位论文 通过网络节点之间信息的传递，将信息从一个节点传输到远处的另一个节点【6 】。 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低成本、低功耗、低复杂度、低数据速 率的无线网络技术，工作于全球统一且无需申请的免费频段2 4 g h z 。它是一种 介于蓝牙和无线标记技术之间的技术方案，是一种双向传输的无线通信标准， 传输速率为1 0 - 一2 5 0 k b s ，传输距离为1 0 - 7 5 m ，主要用于中短距离无线连接， 提供传感器网络接入，能够满足各种传感器对数据输入和输出控制命令和信息 的要求，使系统网络化和无线化。它依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的 传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式 通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，依次传递，以构成一个 或多个无线传感器网络，通信效率非常高 7 1 。 1 2 3z i g b e e 技术的特点 z i g b e e 技术是一种近年来新兴的短距离无线网络通信技术，它具有以下 特点【8 】： ( 1 ) 数据传输速率低：z i g b e e 根据不同的工作频段，其数据传输速率会 有所不同，但都处于较低的速率，只有1 0 2 5 0 k b s ，专注于低传输应用。 ( 2 ) 功耗低：z i g b e e 技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节普 通五号电池可使用6 个月到2 年，省去了充电或频繁更换电池的麻烦。 ( 3 ) 网络容量大：一个z i g b e e 的网络最多可包含2 5 5 个网络节点。若是 通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个z i g b e e 网络节点。 ( 4 ) 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，而且z i g b e e 协议免收 专利费，因此大大降低了成本。 ( 5 ) 时延短：针对时延敏感的应用作了优化，z i g b e e 的通信时延以及从 休眠状态激活的时延都非常短。一般时延都在1 5 3 0 m s 。 ( 6 ) 有效范围大：有效范围为1 0 - - - 7 5 m ，具体依据实际发射功率的大小和 各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。 ( 7 ) 优良的网络拓扑能力：z i g b e e 设备具有无线网络自组织、自愈能力， z i g b e e 网络可以通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种组网方式。组网 方式灵活，并可通过节点设备的加入和退出使网络呈现动态变化的特点。 ( 8 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 3 江苏大学硕士学位论文 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照的频段。而不同频段可使用的信道分别是1 6 、 l 和1 0 个，在中国采用免申请和免使用费的2 4 g h z 频段。 ( 9 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 一1 2 8 加 密算法。 1 3 无线传感器网络的国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国外研究现状 无线传感器网络技术已经成为当前国际上备受关注的、多学科的新兴前沿 研究热点领域。1 9 9 9 年，著名的美国商业周刊将无线传感网络列为2 l 世纪最 具影响的2 l 项技术之一。2 0 0 1 年，m i t 技术评论( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 在预 测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的1 0 大新技术之一。2 0 0 3 年， 美国商业周刊又在其“未来技术专版 中发表文章指出，传感器网络是全球未 来的四大高新技术产业之一【9 】。 近几年自组织无线传感器网络在美国国防部高级规划署、美国自然科学基 金委员会和其他军事部门的资助下，美国科学家对无线传感器网络所涉及的各 个方面进行了深入的研究【1 0 1 。2 0 0 2 年，美国因特尔公司发布“基于微型传感器 网络的新型计算发展规划彦。2 0 0 4 年初，第一届“无线传感器网络论坛”在德 国首都柏林举行，有1 2 0 名机械电子、微电子和信息传输方面的专家出席论坛。 2 0 0 4 年3 月，日本总务省成立“泛在传感器网络( u b i q u i t o u ss e n s o rn e t w o r k ) 调查研究会。此外，国外的一些著名大学如加州大学伯克利分校、麻省理工大 学、加州大学洛杉矶分校和康奈尔大学等也先后开展了关于无线传感器网络基 础理论和关键技术的研究工作，例如：加州大学伯克利分校的p i c o r a d i o 项目， 专注于信道选择、冲突避免的媒介访问层协议；麻省理工大学的i t a m p s 项目， 利用节点簇算法尽量降低功耗；加州大学洛杉矶分校的w i n s 网络，几乎涵盖 了从信号处理到网络协议的所有研究【1 1 】。 1 3 2 国内研究现状 国内在无线传感器网络的领域起步的比较晚，但目前己经越来越受到重 视。中国现代意义的w s n 网络及其应用研究首先被记录在1 9 9 9 年发表的中国 4 江苏大学硕士学位论文 科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中【1 2 1 。 2 0 0 1 年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，共同推进传感器网络的研 究。从2 0 0 2 年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的 课题。2 0 0 4 年，中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究 项目。2 0 0 5 年，国家自然科学基金将传感器网络中的基础理论和关键技术列入 计划【1 3 】。2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术 确定了3 个前沿方向，其中2 个与无线传感器网络研究直接相关。同年，国家 自然科学基金将水下移动传感器网络的关键技术列入重点研究。最值得一提的 是，中国工业与信息化部在2 0 0 8 年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重 大专项中，第6 个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化 是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进w s n 网络技 术在应用领域的快速发展。2 0 1 0 年“十五 计划和远景规划中也将w s n 列 为重点发展的产业之一1 1 4 j 。 1 4z i g b e e 技术的研究应用状况 随着无线通信技术的发展，基于z i g b e e 技术的无线传感器网络得到了国际 上许多著名的大学和公司的广泛关注。2 0 0 0 年1 2 月，美国电子和电气工程协 会i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力开发一种低成本、低功耗、低速 率的无线连接技术。2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司发起了成立z i g b e e 联盟，他们提出的z i g b e e 技术被确认为i e e e8 0 2 1 5 4 标准。2 0 0 2 年1 0 月， 日本三菱、美国摩托罗拉、飞利浦等公司加入z i g b e e 联盟，现在联盟内部有 1 8 0 多个成员企业，2 0 0 6 年中国的华为公司也加入了该联盟i l5 。2 0 0 3 年， i e e e 8 0 2 1 5 4 标准获得通过，并且在2 0 0 4 年推出了z i g b e e 技术规范v 1 0 版本，这是第一个z i g b e e 规范公开版本，与2 0 0 5 年6 月开放下载，内部文件 编号为r 0 6 ，现称为z i g b e e 2 0 0 4 1 1 6 1 。 2 0 0 6 年1 0 月，z i g b e e 联盟通过了z i g b e e 2 0 0 6 规范，这是第二个z i g b e e 规范公开版本，与2 0 0 7 年1 月开放下载，内部编号为r 1 3 ，现称为z i g b e e - 2 0 0 6 1 1 7 l 。 2 0 0 7 年1o 月，z i g b e e 联盟通过了z i g b e e 一2 0 0 7 规范，这是第三个z i g b e e 规范公开版本，与2 0 0 8 年1 月开放下载，内部编号为r 1 7 ，现称为z i g b e e 2 0 0 7 江苏大学硕士学位论文 或z i g b e ep r o 【1 8 1 。 目前国外的芯片有c h i p c o n ( 现已被t l 收购) 的c c 2 4 2 0 、c c 2 4 3 0 、c c 2 4 3 1 、 c c 2 5 3 0 、c c 2 5 3 l 、c c 2 4 8 0 等，飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 的m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 ，j e n i c 的j n 5 1 2 1 ，e m b e r 的e m 2 5 0 、e m 2 6 0 。此外，如德州仪器 ( t i ) 、h o n e y w e l l 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、三菱( m i t s u b i s h i ) 、西门子( s i e m e n s ) 、三 星( s a m s u n g ) 及飞利浦( p h i l i p s ) 等国外公司都在推出自己的z i g b e e 芯片。国外 在z i g b e e 产品的开发也走在前列，韩国s k t e l e c o m 公司应用e m b e r 公司提供 的z i g b e e 无线技术推出新的数字智能家庭服务，美国c o m p x s 公司已经使用 c o m p x s 与日本冲电气工业共同开发的z i g b e e 单芯片收发i c 成功研究出了可 在电脑外设上使用无线通信规格z i g b e e 的u s b 适配器， i n d e s i t 公司推出了 z i g b e e 技术智能洗衣机，该款洗衣机采用了飞思卡尔公司的“z i g b e e ”模块。 目前，中国大陆地区已经有多家企业加入了联盟，包括促进者级别的华为 技术有限公司，参与者级别的深圳金勃实业有限司，采纳者级别的曼博科技有 限公司、锐拔科深圳有限公司和北京技术有限公司【1 9 】。很多大学和研究所也纷 纷开始了z i g b e e 产品的研究，其中有中科院、清华大学、武汉大学、山东大学 等等。清华大学、黑龙江大学和哈尔滨工业大学分别在传感器数据管理系统、 时钟同步与定位等方面展开了研究工作。 国内目前像深圳市无线龙电子有限公司和天津市三纬电气有限公司已经 推出z i g b e e 开发系统，北京赫立讯公司推出的无线定位方案也开始在煤矿行业 打开了市场，还有深圳金图旭昂公司、北京h e l i c o m 公司和中科院计算所宁波 分所等都有相关产品，均对无线传感器网络的研究推广做出一定的贡献【2 0 1 ，但 更多的公司是在已有芯片的基础上进行二次开发，或直接使用其它公司的产品。 1 5 本文主要内容 本课题来源于江苏省科技攻关项目( 总线化智能多参数高精度检测与控制仪 表) ，研制了一套基于无线传感器网络的变频增氧监控系统。全文共分为七章， 内容具体安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了本课题研究的目的和意义，然后介绍了无线传 感器网络和z i g b e e 技术的概念及国内外研究现状和发展趋势，最后简要介绍了 6 江苏大学硕士学位论文 本文的内容安排。 第二章详细介绍了系统整体的结构设计方案，选取和分析本课题采用的控 制策略的原理和参数整定方案。 第三章描述了系统硬件电路的各个组成部分，主要包括网络节点核心芯片 c c 2 4 3 0 的应用电路，传感器调理电路，串口通信电路等。 第四章主要研究设计系统软件协议的实现方法，详细介绍了z i g b e e 协议栈 及其实现，最后详细介绍了串口通信协议和上位机监控界面设计。 第五章建立了基于变频调速方式的增氧数学模型并给出了仿真结果，然后 介绍了基于p i d 参数的变频溶解氧控制技术，完成了无线溶解氧智能控制节点 的设计。 第六章给出了实际系统的构建方案和系统功能测试的结果，并对测试结果 进行了分析。 第七章主要是对全文进行总结，以及对未来工作的展望o 7 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章系统的设计方案 为了确保养殖水域的水质指标满足水产养殖的需求，和达到高产节能、提 高效益的目的，工厂化水产养殖需要采用水质监控系统实时监控各种水质参数。 根据大量的调查研究可知，影响水产养殖环境的重要参数主要有：溶解氧、水 温、p h 值、盐度、浊度等。针对水产养殖监测区域的特殊性，可能需要监测很 大的区域，工作人员很不方便亲自到现场，可是检测点距离现场越近，得到的 参数数据就越准确和可靠，也就更有利于作进一步的研究。因此，无线传感器 网络成为了最好的选择，实现对水产养殖环境因子的实时监测，并针对参数采 用了一定的控制策略。 2 2 系统的整体结构 2 2 1 布局结构 无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地检测、感知 和采集节点部署区的各种参数信息( 如光强、温度、湿度等物理现象) ，并对这 些信息进行处理，然后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察 者。基于z i g b e e 的无线传感器网络有3 种网络拓扑结构：星型、网状型、树型。 z i g b e e 网络负责环境数据的采集，它由z i g b e e 协调器、z i g b e e 路由器和z i g b e e 终端设备组成。每个网络必须有一个z i g b e e 协调器，负责发起网络并对其管理 和维护，包括对新加入的设备分配网络地址、节点的加入和离开、网络的安全 密钥的分发更新等。根据水产养殖监测系统的特点，系统采用如图2 1 所示结 构，网络内部分为若干个小的星形网络，这样可以从不同位置监测感知对象， 得到更多准确的信息，每个星形网络定义为一个组。星形网络的中心节点就是 z i g b e e 路由器，通过将终端设备上传的信息整合处理，再将数据发送给z i g b e e 协调器。 8 江苏大学硕士学位论文 勰渊器豫跏 驹糖辫宙器糟踟 。貔融崩糍设备一 t r l f d 藏鼢 冠登一 罐型一 漩 、貉 图2 1 基于z i g b e e 的无线传感器网络图 2 2 2 协调器节点设计 协调器节点是“启动 一个z i g b e e 网络的设备，是系统的控制中心，主要由 无线射频模块、微控制器、键盘和液晶显示组成( 本文中无线射频模块和微控制 器是集成在一起的，臣1 c c 2 4 3 0s o c ) ，其结构框图如图2 2 所示。协调器节点通 过无线射频模块接收传感器节点采集的数据，并用液晶显示，同时将收集到的数 据通过串行数据总线传送给上位机，并在上位机上提供一个友好的监控界面。 篇 矧! 壁竺i z i g b e e 无线l a微控制器 秘葫圊 射频模块 、k 8 0 5 1 簪圃 ， !。： 每吲液晶霆示 f 7 i ? 电源单元。1 7 “，“7 i 口一。，一# h jh 。， r。，一一+ 2 2 3 传感器节点设计 图2 2 协调器节点系统框图 终端设备节点，即传感器节点，是数据采集的最前沿，一般具有端节点和路 由的功能，一方面实现对被测对象的参数进行采集，然后将采集到的数据发送出 去；另一方面实现数据的融合和路由，对本身的数据和收到其他节点发送的数据 9 江苏大学硕士学位论文 进行综合，转发路由到网关节点，一般由传感器单元、无线传输单元和电源模块 组成，其结构如图2 3 所示。传感器模块采集被检测对象的一些模拟特征信号， 最多可以采集8 路信号，而且传感单元中的各个传感器是可以同步工作的。微控 制器是节点的控制核心，负责数据的处理和存储；无线收发单元与传感单元通信， 把传感器采集的信息发送出去。 传感器模块 c c 2 4 3 0 一。一+ 一。 一， 一 i 温度传11 温度调l i感器广理电路广 v i 溶解氧 、j 溶解氧调lj 、 微控制器 ，1 z i g a e e 无线 i 传感器 理电路 8 0 5 l 、v - 射频模块 霍尔传1 f 电流调理t -固 i感器广1 电路 厂 ， 彳r唯r r 电源单元 j ，：，g 2 - 2 4 控制节点设计 图2 3 传感器节点系统框图 控制节点主要是由传感器节点和执行机构( 变频器和电磁阀) 组成，保证 水产养殖鱼塘中各个参数在设计要求范围内，其系统框图如图2 4 所示。若某 一参数高于或低于实际的要求，执行机构发生动作控制被控对象，保证实际参 数值跟踪给定值变化。本文主要介绍溶解氧的控制过程，针对溶解氧，该系统 了采用现代变频调速技术，根据实际溶氧量和给定值的差值，利用控制算法求 出控制输出量控制变频器的输出频率，进而调节增氧机电机的转速，实现增氧 机的变频调速，使增氧机有目的和有效率的工作，保证溶解氧值稳定在最佳范 围内。 c c 2 4 3 0 执行机构 图2 4 控制节点系统框图 l o 江苏大学硕士学位论文 2 2 5 组网设计 无线传感器网络具有星型、树状、网状等多种拓扑结构，整个监测系统可 以分成若干个子系统，各个子系统可以根据实际的要求设计网络结构，若干子 系统有机的组合在一起形成一个覆盖整个监测区域的完整系统。 基本的星型网络拓扑结构是一个单跳系统，由一个协调器节点和一个或多 个传感器节点构成，而且传感器节点只和协调器节点通信并且进行双向通信， 在各种无线传感器网络中，这种拓扑结构整体功耗最低，但传输距离有限。 树状拓扑结构是多跳系统，其中传感器节点即可以与路由器节点通信，也 可以与协调器节点进行数据传输和相互传输命令。这种拓扑结构比星型网传输 距离远，但功耗也更大。 网状结构网络是一种多跳的拓扑结构，与树状网络相似，但网络各节点之 间可以实现点对点传输，具有自组织和自愈能力强、传输距离长和可靠性强等 特点，相比功耗也比较大1 2 n 。在实际应用中应综合考虑系统要求，选择一种或 混合型的拓扑结构，保证既能满足实际应用要求，又能降低能耗，节省成本和 延长整个网络的使用寿命。 2 3 控制策略选择 2 3 1p i d 控制基本原理 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单、鲁棒性好和可 靠性高，被广泛用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性 控制系统f 2 2 】。在模拟控制系统中，它根据偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分 ( d ) 进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。p i d 控制器是一 种线性控制器，其系统由模拟控制器和被控对象组成。常规p i d 控制系统原理 框图如图2 5 所示： 江苏大学硕士学位论文 p i d 控制器是根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差进行比例 ( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 线性组合后确定输出控制量u ( t ) 的大小，对被 控制对象进行控制，其控制规律为： 泖叫印，+ 毒j ：e ( t ) d t + t o 割 眩， 或写成传递函数的形式： g = 器卅1 + 去毋) ( 2 2 ) 式中，材( ，) 为调节器的输出信号；p ( ，) 为偏差信号，其值为给定量与输出量 之差；k 尸为比例系数；乃为积分时间常数；为微分时间常数。 一般来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下【2 3 】： ( 1 ) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制 器立即发生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的控制精度。积分作用的 强弱取决于积分时间常数瓦，疋越大，积分作用越弱，反之越强。 ( 3 ) 微分环节：可以改善系统动态特性，反映偏差信号的变化速率，能 够在偏差信号变得太大之