（电力电子与电力传动专业论文）基于无线传感器网络的水环境多参数监测系统的研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a ct a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ta n dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ew 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 y ，t h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sb e c o m ea p o p u l a ra n da d v a n c e dr e s e a r c hf i e l dr e c e n ty e a r s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss h o w sl a r g ep o t e n t i a li naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha s ， m i l i t a r y ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m e d i c a ls a n i t a t i o n ，s m a r ts p a c e s i tw a st h e p r o m i s i n gt e c h n i q u ei nt h e2 1 s tc e n t u r y t h r o u g ht ot h er e s e a r c ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kd e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o n ， t h et e n d e n c ya n dt h ew a t e re n v i r o n m e n tm u l t i p a r a m e t e rm o n i t o rc h a r a c t e r i s t i c ，t h i s a r t i c l ep r o p o s e daw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km o n i t o rs y s t e ms o l u t i o n ，w h i c hf a c e st ot h e w a t e re n v i r o n m e n tm u l t i - p a r a m e t e rw i r e l e s sm o n i t o ra p p l i c a t i o n ，a n a l y z e dt h es y s t e m d e s i g ng o a la n dt h ef u n c t i o n ，p o i n t e do u tt h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g nr e q u e s ta n dt h e p r i n c i p l eo fd e s i g n d e p e n d e do nt h es c i e n c ea n dt e c h n i q u ep r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e “i n t e l l i g e n tm u l t i - p a r a m e t e rh i g h p r e c i s i o nd e t e c t i n ga n dc o n t r o li n s t r u m e n tb a s e do n b u s ”i n2 0 0 6 ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h es i l i c o nl a b sc 8 0 51f 310 p r o c e s s o ra n dt ic c 2 4 2 0r a d i of r e q u e n c yc h i p ，d e s c r i b e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r me a c h f u n c t i o nm o d u l ei nd e t m l ，r e a l i z e da n di m p r o v e dt h ep r o t o c o lo fs i m p l i c i t ia n di e e e 8 0 2 15 4 z i g b e eo nt h ep l a t f o r m ，a n df i n a l l yc a r r i e do nt h et e s t t ot h es y s t e m t h e o v e r a l ls y s t e mt 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 e ，w h i c hs t r e n g t h e n s t h es y s t e mf l e x i b i l i t y , t h em a i n t a i n a b i l i t ya n dt h ee x t e n d i b i l i t y m e a n w h i l et h es y s t e m m o d u l a t i o na n dt h eo p e ns t y l es t r u c t u r ee n a b l et h es y s t e mt oh a v ea g o o dp r o b a b i l i t y a p p l y i n gt 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 yi n t h ew a t e re n v i r o n m e n t m u l t i p a r a m e t e rm o n i t o ri n v o l v e st ot h es e n s o rt e c h n o l o g y ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， t h ec o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo nm a n yk i n d so ft e c h n o l o g i e s s of a r , a l o n gw i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yu n c e a s i n gp r o g r e s s ，i ta l s oi nu n c e a s i n g l y c o n s u m m a t e s ，a n dt h ep r o s p e c te s p e c i a l l yi 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 ，w a t e re n v i r o n m e n tm u l t i p a r a m e t e r m o n i t o r ，t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，s i m p l i c i t i ，i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e i i i 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。 一躲瘌，瑚 签字慨节彭月勿日 导师签名： 赳墨缉 签字日期：如7 年f 月d 日 l 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。 学位论文作者虢聊，步髟 日期：知矽年月办e l 江苏大学硕士学位论文 1 1 无线传感器网络简介 第一章绪论 近年来，随着传感器技术、嵌入式技术、现代网络和无线电通信技术的飞速 发展，出现了具有感知、计算存储和无线通信功能的微型传感器。当大量的微型 传感器通过无线通信的方式连接在一起，就形成一个多跳的自组织无线传感器网 络系统。无线传感器网络技术【1 1 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 正日益走向成熟， 它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器组成，其目的是协作地感知、采 集和处理网络覆盖区域中的环境信息，并发送给观测者。传感器是由电源、感知 部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件等几部分构成。感知对象是待检 测的目标，可以是温度、湿度、光强、压力等。无线传感器网络将逻辑上的信息 世界和客观上的物理世界融合在一起，改变了人类和自然界的交互方式。人们可 以通过传感器直接感知客观世界，从而极大的扩展了现有网络的功能和人类认识 世界的能力。 传感器网络的发展大致经历了四个阶段2 】： 第一代传感器网络：2 0 世纪7 0 年代。采用基本的点对点方式传输采集的数据， 具有简单的信息获取能力； 第二代传感器网络：具有获取多种信息的综合能力，采用串并接口与传感控 制器相连，能完成简单的数据传输和命令控制的功能； 第三代传感器网络：2 0 世纪9 0 年代后期。智能传感器采用现场总线连接构成 局域网，对监测区域进行有效、可靠的监测，但总体成本较高，实施比较复杂； 第四代传感器网络：以无线传感器网络为标志，正处于研究开发到发展成熟 的阶段。 1 1 1 无线传感器网络的特点 目前常见的无线网络包括蓝牙、a dh o c 网络、无线局域网等，与这些网络相 比，无线传感器网络具有以下特点【3 】【4 】： ( 1 ) 网络规模大 为了获取准确信息，在监测区域通常布置大量传感器节点，传感器节点数量 江苏大学硕士学位论文 可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模具有如下优点：通过不同空 间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高 监测的精确度，降低对单个节点的传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使 得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测范围，减少盲区。 ( 2 ) 自组织能力强 通常情况下传感器节点是放置在没有基础设施的地方，这样就要求传感器节 点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议 自动形成监测数据的多跳无线传输。此外，传感器节点在使用过程中，部分节点 会由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有些节点为了弥补失效节点，增加监测 精度而加入到网络中，这样无线传感器网络中的节点个数就在动态地增加或减少， 从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织要能够适应这种网 络拓扑结构的动态变化。 ( 3 ) 成本低 虽然一个大型传感设备可能要用许多的传感器节点来替代，但由于大型传感 设备在体积、可靠性、测量精度方面有严格的限制，因此，无线传感器网络的设 备成本仍然远远低于传统的大型传感设备。此外，由于无线传感器网络具有很高 的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作，大大降低了使用 和维护的成本。 ( 4 ) 动态性网络 无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素和电能耗尽 造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变 化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具 有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有 动态的系统可重构性。 ( 5 ) 网络可靠性强 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜达到的区域，传感器节点可 能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的 破坏。传感器节点往往采用随机部署，另外，由于监测区域环境的限制以及传感 器节点数目巨大，不可能人工“照顾 每个传感器节点，网络维护十分困难甚至 2 江苏大学硕士学位论文 不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗 取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 用户使用传感器网络查询事件，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通 告给某个确定编号的节点。网络在获得指定时间的信息后汇报给用户。这种以数 据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。传感器网络数 据综合处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术，所以通常说传感 器网络是一个以数据为中心的网络。 一 1 1 2 无线传感器网络的应用前景 无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、智能家居、环 境监测和预报、城市交通、仓库管理等各种领域。随着无线传感器网络的深入研 究和广泛应用，其必将逐渐深入到人类生活的各个领域【5 1 。 ( 1 ) 军事应用 传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和容错性高的特点，因此 非常适合在军事上应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、目 标的定位、战场评估等功能。传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分 准确的目标定位，从而为打击目标提供精确的制导。利用生物和化学传感器，可 以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报，有利于正确防范和实施有效的 反击。 ( 2 ) 智能家居 在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络和i n t e m e t 连接到一起，将会 为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统， 可完成对家电的远程监控，按照自己的意愿提前完成同常的家务等。 ( 3 ) 环境监测 随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。传感器网 络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、家禽环境状况。 基于传感器网络的a l e r t 系统中就有数种传感器被用来监测降雨量、河水水位和 土壤水分，并以此预测爆发山洪的可能性。类似地，传感器网络可实现对森林环 境监测和火灾报告，传感器节点被随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森 江苏大学硕士学位论文 林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将 火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。 ( 4 ) 其他方面的应用 在医疗护理方面，传感器网络可用于检测患者人体的各种生理数据，并将这 些数据及时反映给医生，供病情诊断。在空间探索方面，借助航天器在外星体撒 播一些传感器网络节点，可以对星体表面进行长时问的监测。这种方式成本很低， 节点体积小，相互之间可以通信，也可以和地面基站进行通信。 1 2 无线传感器网络国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 无线传感器网络是目f j i 国外研究的热点之一【6 】【7 1 。美国商业周报和m i t 技术评 论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 l 世纪最有影响的 2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一。近几年来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。欧洲于2 0 0 4 年初在德 国首都柏林举行了第一届“无线传感器网络论坛 ，有1 2 0 名微电子、机械电子 和信息传输方面的专家出席论坛。 1 2 2 国内研究现状 我国在这一领域的研究工作起步较晚，但目前已越来越受重视【8 】。国家发改委 办公厅下发的关于组织实施下一代互联网示范工程2 0 0 5 年研究开发，产业化及 应用试验的通知中，已将传感器网络( i p v 6 、无线传感器网络节点等) 及家庭网 络( 面向数字家庭的网络处理器芯片及家庭网关等) 列为了支持的重点。我国的 一些高校与研究机构也积极开展无线传感器网络的相关研究工作。国内的研究内 容具体包括无线传感器节点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、 覆盖控制技术等。我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、 合肥智能研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学、北京邮电 大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展这方面的 研究。2 0 0 5 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 发展趋势 目前对无线传感器网络各方面的研究已经全面展开，但要建立一个运转良好、 鲁棒性好的无线传感器网络还面临着诸多挑战，而且由于一些独特的特性，无线 传感器网络的设计方法与现有无线网络的设计方法有很大不同。例如，由于传感 器网络中的传感器节点分布密集，所以需要大范围的数据管理和处理技术。其次， 无线传感器网络节点一般部署在人类难以到达和接触的区域，这就使传感器网络 节点的维护面临着很大的挑战。 网络协议也是很重要的问题【9 】。网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳 的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路 由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的媒体访问控制子层( m a c ) 用来共 享底层的物理信道、控制节点的通信过程和工作模式。在无线传感器网络中，路 由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才 能延长整个网络的生存期。 降低系统能耗也是无线传感器网络发展的一个重要方面，通常一个传感器节 点只能配备有限的电源，在很多应用场合，更换电源是近乎不太可能的。这使得 传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的 寿命是无线传感器网络设计需要首要考虑的问题【l o 】。 无线传感器网络是一个十分活跃的研究领域，最近也出现了一些新的研究动 向，主要体现在面向服务的无线传感器网络应用、无线传感器网络计算和面向无 线传感器网络的软件工程等几方面。 1 3 课题研究的目的与意义 本文以无线传感器网络在工农业水环境监测中的应用研究为背景，针对目前 监测设备中使用有线方式采集传感器数据所存在的安装、维护困难的问题，研究 实现了一种基于无线传感器网络的新型水环境多参数监测系统，它能对水环境中 的各项参数进行实时远程监控。因此，将无线传感器网络和工农业水环境多参数 监测相结合，具有重要的研究价值。 传统水环境监测的系统由布设在监测区域内的传感器设备将采集到的各种环 境参数( 温度，盐度等) ，由模拟量转换成数字量后进行存储、分析，再通过有 江苏大学硕士学位论文 线的方式与其他设备进行通信。这种传统的方式会面临许多问题，当传感器设备 数目增加时，大量连线增加了系统成本和现场安装、维护的困难；对有些场合， 如旋转部件、油库等，往往会限制布线和供电而难以监测数据。如果将传感器网 络技术应用于现场数据采集，将监测点的数据通过无线的方式发送到汇聚节点， 再由汇聚节点通过有线网络发布数据。这样，在传统设备监测系统的基础上，几 乎不需要做任何改动，就可以实现对监测区域的有效监测，同时减少了施工和维 护的成本，具有广阔的应用前景。 1 4 本文的主要工作和组织结构 本文的研究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) ，提出将无线传感器网络技术应用于水环境多参数监测系统的方案。在 分析比较了无线传感器网络常用的开发平台和关键芯片后，选择以c 8 0 5 1 f 3 1 0 微 控制器和c c 2 4 2 0 射频芯片为核心，设计了采集水环境中温度、盐度、p h 值等参 数的无线传感器网络硬件节点，并给出了传感器节点各个功能模块的软件设计。 通过实验，验证了水环境多参数检测模块的检测效果。对适用于无线传感器网络 的s i m p l i c i t i 协议、i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e 协议进行了深入的分析和研究后，实现 了一个水环境多参数检测和监控的完整系统，从而提高了水环境监测系统的灵活 性和可靠性。整个系统具备很好的可靠性和低功耗支持，能提供成本低、见效快、 效率高的数据传输平台，能为水质监测部门提供强有力的监测手段，为今后进一 步研究和实际应用打下了良好的基础。 本文共分为六章，其中第二、三、四、五章为本文的主要工作和成果。全文 内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了无线传感器网络的特点和应用前景，然后介绍了 无线传感器网络的国内外研究现状、发展趋势以及本课题研究的目的和意义，最 后简要介绍了本文的组织结构。 第二章主要介绍了系统总体的设计方案，并对系统设计的原则和水环境多参 数监测系统的特点进行了一些必要的阐述和分析。 第三章描述了系统硬件电路的设计架构，主要包括传感器、微处理器、无线 射频芯片的选择和应用，以及各个功能模块的设计方案。 6 江苏大学硕士学位论文 第四章主要探讨了系统软件协议的设计，详细介绍了s i m p l i c i t l 协议和i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 协议及其实现，接着又详细介绍了串口通信协议和上位机监控界面 的设计。 第五章给出了系统功能测试的结果，以及对测试结果的分析。 第六章主要是对全文进行了总结，并指出了以后可能的研究方向。 1 5 本章小结 本章首先对无线传感器网络进行了简要概述，并阐述了无线传感器网络的研 究现状和发展趋势，综合水环境多参数监测系统及无线传感器网络的特点，分析 了本课题研究的目的和意义，最后给出了本文研究的主要内容和论文组织结构。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 系统总体设计要实现基于无线传感器网络的水环境多参数监测的功能。系统 模块前端的传感器设备用于感知坏境信息，并对其进行采样、转换和处理，然后 通过无线通信模块将处理后的数据信息发送出去，接收端接收到此数据信息，并 将其传送到上位机，最终完成对水环境多参数的监控。 2 1 系统设计原则 设计系统时首先必须保证系统功能的实现，其次才能考虑性能的提升和功能 的扩展。进行系统设计通常要遵循以下几个原则【1 1 2 1 ： ( 1 ) 系统性能指标要求 要保证系统性能，如采样速率、系统分辨率、系统精度等，主要应考虑系统 输入信号的特性，如输入信号的通道数、信号的强弱及动态范围等。此外还需要 充分考虑数据量的大小，数据传输的速率，无线通信的距离，存储器的容量等因 素。 ( 2 ) 系统结构 系统结构是否合理，对系统的可靠性、性价比有直接的影响。首先是硬件、 软件功能的合理分配。原则要尽可能“以软代硬”，只要软件能做到的就不要用 硬件；其次要考虑系统的布局及接口特性。接口特性包括了采用什么样的总线、 数据传输的输出接口( 串口或并口等) 、数据编码格式等。 ( 3 ) 系统抗干扰能力 抗干扰能力是设计系统时所需要考虑的重要因素。由于工作环境的特殊性， 以及系统结构设计、元器件选择等因素，数据将受到来自系统内部和外部的各种 电气干扰，因此提高系统的抗干扰能力，保证系统的可靠性是系统设计的重要方 面。 ( 4 ) 系统功能扩展能力 实现了系统的功能和指标，还需要考虑系统的性能升级和功能扩展。随着研 究的深入，对系统功能和性能的要求也会提高。因此，在设计系统的时候，硬件 和软件应留有一定的扩展余地，例如采样速率可以在定范围内提高。 江苏大学硕士学位论文 2 2 水环境多参数监测系统的特点 水环境多参数监测的特殊性决定了采用多点检测的必要性【1 3 】。为了尽可能得 到更全面、更精确、更实时的有效数据，在监测区域内设置多个检测点，合理安 排每个检测点的参数是很有必要的。综合分析，为了满足监测系统的要求，当部 分检测点出现问题的时候，要可以通过其他检测点继续得到有效数据，从而不会 影响整个区域的监测。 每个检测模块前端都有各种精密的传感器设备获取检测对象各方面的特征信 号，这些信号一般都是模拟量，需要转化成为数字信号。为了保留更多的有效信 息，需要提高采样的速度和精度。这对采集模块的a d 转换器、核心控制器、存 储器都有很高的要求。 无线传感器网络采用无线通信的方式进行数据传输，很适合应用在水环境的 多参数监测领域。监控中心需要得到待检测区域中的各种参数信息，用于进一步 的研究和实践。由于监测对象的特殊性，可能需要对很大的区域进行监测，工作 人员亲历现场肯定很不方便，而对于检测点来说，距离现场越近，得到的检测数 据也就越准确、越可靠，也更有利于进一步研究。因此，采用远程监控的方式可 以很好的解决这样的矛盾。但传统的远程监控采用有线传输的方式，布线难度大， 维护困难，往往难以实施或实施成本非常高。因此，无线通信技术就成了非常好 的选择。本文设计的水环境多参数监测系统，就是综合应用了传感器检测技术和 无线传感器网络技术，实现了对水环境多参数的实时监测，既满足了工农业生产 的需要，又解决了传统监测手段的种种不足和诸多困难。 2 3 系统整体方案 2 3 1 布局结构 根据水环境多参数监测系统的特点，系统采用多点检测的分布式结构，如图 2 1 所示，这样可以从不同位置对感知对象进行监测，得到更多准确的信息。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 1 水环境多参数监测网络 各检测设备分布在监测区域的各个位置对各种参数进行检测，基站通过无线 传输的方式与检测设备进行通信，控制检测设备的工作状态，汇集接收到的数据， 是系统的传输和控制的核心。在基站的有效通信范围内，检测设备的位置可以根 据需要进行动态调整。 2 3 2 传感器节点设计 传感器节点是数据采集的最前沿，它负责对环境参数进行采集，然后将采集 的参数信息传输出去，其结构框图如图2 2 所示。 匣困 i 传感单元l 存储器l 无线收发单元 ll 传感器 刮调理电路 二 八 模数 岳 ： 转换器剖无线通信模块卜 ji 十 能量供应模块 图2 - 2 传感器节点系统框图 l o 江苏大学硕士学位论文 传感单元采集待检测对象的特征信号，一般每个传感单元都会包含多种传感 器，且它们是同步工作的；微控制器是传感器节点的控制核心，负责控制数据采 集和传输的过程；无线收发单元与汇聚节点通信，把采集的数据信息传送出去。 2 3 3 汇聚节点设计 汇聚节点是系统的控制中心，主要由无线通信模块、微控制器、能量供应模 块、键盘和液晶显示等几部分组成，其结构框图如图2 3 所示。 图2 - 3 汇聚：常点系统框图 汇聚节点通过无线通信模块控制传感器节点的数据采集，并显示在液晶上， 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。 2 3 4 组网设计 整个监测系统可以分成若干个子系统，各个子系统根据实际的要求设计自己 的网络结构，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【1 4 1 。这里各个子系统的网络结构大致分为两类： 基于s i m p l i c i t i 协议的树状网络结构【1 5 】【1 6 】【17 1 。每个节点在其覆盖范围内呈能 量消耗最低的星型分布，同时将距离扩展节点作为传感器节点和汇聚节点的桥梁， 扩大了网络的覆盖范围。 基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的网状结构网络【1 8 】【1 9 12 0 1 。这是一种多跳的拓扑 结构，可以实现网络各节点之间的点对点传输，这种结构相互连接形成网状，网 络非常健壮，容错能力较强，在个别链路和终端节点失效时，会重新选择路径传 输，传输距离和可靠性也比其他结构网络强，但同时系统功耗也较大。 江苏大学硕士学位论文 综合以上两种网络拓扑的特点，在实际应用中应综合考虑系统要求，选择一 种或混合型的网络结构，以达到既能满足实际应用的要求，又能节省成本，降低 能耗，延长整个网络寿命的目的。 2 4 本章小结 本章简要阐述了系统设计的原则和水环境多参数监测系统的特点，提出了系 统的整体设计方案，包括系统的布局结构，传感器节点、汇聚节点和组网的设计。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第三章系统硬件电路设计 3 1 硬件系统设计概述 水环境多参数监测系统由随机分布的，集成有传感器、数据处理单元和通信 模块的节点，通过自组织的方式连接在一起构成网络。无线传感器网络具有分布 式处理带来的检测精度高、容错性强、覆盖区域大、可远程监控等众多优点。网 络中节点的硬件设计要求成本低，功耗小，寿命长【2 。因此，在单个节点的设计 上，一方面硬件必须采用低功耗、低成本的芯片；另一方面软件必须支持多跳路 由协议，满足扩大监测范围的要求。为了减小硬件设计的复杂度以及提高射频通 信系统的稳定性，这里硬件系统设计采用s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机作为微控制器，t i 公司的c c 2 4 2 0 射频芯片作为无线收发器，此芯片完全 符合i e e e8 0 2 1 5 4 所定义的物理层及m a c 层标准，是首批通过z i g b e e 联盟认证 的z i g b e e 标准芯片【2 2 1 。 硬件系统主要由传感器模块、调理电路、c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机、c c 2 4 2 0 射频芯 片和能量供应模块五部分组成。系统还包括液晶显示、键盘控制、r s 2 3 2 接口与 上位机监控画面相连。系统硬件框图如图3 1 所示。 3 2 传感器模块设计 3 2 1 温度传感器模块设计 图3 1 系统硬件框图 本文设计了采用平衡电桥法的温度测量电科2 3 】【2 4 】。温度传感器采用p t l 0 0 热 电阻，并把它作为测量电桥的一个桥臂。p t l 0 0 的电阻值在0 c 时为1 0 0 欧姆；1 0 0 1 3 江苏大学硕士学位论文 时为1 3 8 5 欧姆，具体的对照关系可查询分度表。当温度为0 时，测量电桥平 衡，输出为零。一旦温度不为零，电桥平衡被破坏，输出对应一定温度值的电压 信号。于是，只要标定其中的对应关系，就可以计算出实际的温度值。温度测量 电路如图3 2 所示。 图3 - 2 温度测量电路 图中左边三个运放( u 1 a 、u 1 c 、u 1 d ) 组成测量放大电路，将电桥的微弱信 号放大到0 , - - 一5 v 范围送单片机进行a d 转换和数据处理。采用这种方法测量温度， 具有精度高、成本低的特点。 3 2 2 盐度传感器模块设计 测量电路设计的好坏直接关系- n n 量的精度和稳定性。本文采用电导法中的 交流分压法测量盐度f 2 5 】【2 6 】，原理框图如图3 3 所示。传感器采用d j s 1 0 型镀铂 黑电导电极，由于不同盐度溶液的导电性不同，电极两端的电阻值不同，从而分 压电阻两端的分得的电压值也就不同。分压电阻两端的j 下弦波电压信号经过滤波、 放大、整流、再放大后送入单片机进行数据处理，计算出盐度值。针对传统温度 补偿方法的不足，本文采用了软件补偿的方法，即运用单片机实现测量系统的温 度补偿。 电导池 图3 3 交流分压法原理框图 1 4 江苏大学硕士学位论文 盐度测量电源采用r c 桥式正弦波信号发生器，产生一定频率和幅值的正弦信 号。测量电源的频率主要由电导池的极间电容和电阻决定，在测量低电阻电导池 时，如果频率太低，则会由于电流密度大而产生一定的极化效应，这时应采取较 高的频率( 如l k h z ) ，以使在电极表面的氧化还原反应迅速交替进行，消除或减 小极化效应产生的测量误差；在测量高电阻电导池时，由于受电导池电容的影响 而不能用较高的工作频率，否则会产生容抗误差，这时应采用较低的工作频率( 如 5 0 1 5 0 h z ) 。 测量电源的输出波形是否稳定，对测量精度影响很大。于是，在电路设计中 加入了稳幅措施，当v o 幅值很小时，d 4 0 l 和d 4 0 2 相当于开路，由r 4 0 5 、d 4 0 l 和d 4 0 2 组成的并联支路的等效电阻近似为r 4 0 5 。反之，当v o 幅值较大时，d 4 0 l 和d 4 0 2 导 通，由r 4 0 5 、d 4 0 。和d 4 0 2 组成的并联支路的等效电阻减小，放大倍数随之下降， v o 的幅值趋于稳定。传感器与分压电阻0 6 串联接入电源两端，由于不同浓度的 盐溶液导电性不同，电极两端反映的电阻值不同，从而分压电阻两端分得的分压 值不同。这里测量电源的频率选择1 0 0 h z ，属于低频范围，而实际测量过程中由分 压电阻两端出来信号有可能夹杂高频噪声，为了不产生测量误差，在信号放大之 前必须滤去高频噪声，电路设计中采用了二阶有源低通滤波电路。放大后的正弦 交流信号，经二极管桥式整流和电容滤波后，输出稳定的直流信号，再经过放大 器处理，调整到单片机能够进行a d 转换的电压范围。盐度测量整流、放大电路 如图3 4 所示。 图3 - 4 盐度测量电路 3 2 3p h 值传感器模块设计 本文设计的p h 值检测电路中选用的p h 电极是上海雷磁公司生产的e - 2 0 1 一c 江苏大学硕士学位论文 型p h 复合电极【2 7 1 【2 8 】。此电极是玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复 合电极，是p h 值测量元件，用来测量水溶液的p h 值( 氢离子活度) ，它广泛应 用于环境监测、医药工业、染料工业、大专院校和科研机构中需要检测水溶液p h 值的场合。p h 测量范围为肛1 4 ，温度测量为0 - - 6 0 ，响应时间小于2 分钟。由 于p h 测量传感器的内阻大，要求前嚣放大器有较高的输入阻抗，系统选用运算放 大器c a 3 1 4 0 ，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用 来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。其余普通运放选用l m 7 4 1 。 p h 值测量电路如图3 5 所示。 3 3 无线通信模块设计 3 3 1 微控制器芯片的选择 图3 - 5p h 测量电路 微处理器是无线通信的计算和控制核心，所有的任务调度、功能协调、通信 协议、数据采集和数据处理程序都将在这个模块的支持下完成，所以微处理器的 选择在系统设计中是至关重要的。在无线通信系统中使用的处理器应该满足如下 要求【2 9 】： ( 1 ) 外形尺寸尽量小。微处理器的尺寸往往决定了整个传感器网络节点的尺 寸大小。 ( 2 ) 集成度尽量高。一般都选择片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 作为传感 1 6 江苏大学硕士学位论文 器节点的微处理器，一般都集成程序存储器、a d c 转换器、定时器和计数器等多 种功能于一身。选择这样的微处理器，会使整个系统的处理器外围电路简洁，基 本上不需要扩展任何额外的器件。 ( 3 ) 功耗低而且支持睡眠模式。微处理器功耗主要由工作电压、运行时钟、 内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高，运行时钟越快，其功耗也越 大。睡眠模式直接关系到传感器节点生命周期的长短，要求处理器必须支持超低 功耗的睡h 民状态。 ( 4 ) 运行速度要尽量快。这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工作， 从而快速进入睡眠状态，节省系统能源。 ( 5 ) 要有足够的外部通用i o 和通信接口。现在，处理器的集成度很高，但 是仍然不可能包含无线传感器节点所需要的全部功能，处理器还必须和其他功能 模块进行连接通信，如通信模块、传感器模块或者扩展外部储存模块。 ( 6 ) 成本要尽量低。低成本的要求是网络化的必要前提。 3 3 2c 8 0 5 1 f 3 1 0 主要特性 考虑到以上微处理器的选型原则和课题的实际需要，本文选用s i l i c o nl a b s 公 司的c 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机【3 0 】【3 1 1 。c 8 0 5 1 f 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯 片，具有与8 0 5 1 指令集完全兼容的c i p 5 1 内核，它在单芯片内集成了构成一个单 片机数据采集和控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。这 些外设或功能部件包括：a d c 、可编程增益放大器、d a c 、电压比较器、电压基 准、温度传感器、s m b u s 1 2 c 、u a r t 、s p i 、定时器、p c a 、内部振荡器、看门狗 定时器及电源监视器等，这些外设部件的高集成度为设计小体积、低功耗、高可 靠性、高性能的单片机应用系统提供了很大的方便，同时也可以使整体系统的成 本大大降低。c 8 0 5 1 f 3 1 0 的基本资源如下： 有5 个捕捉l i , 较模块和看门狗定时器功能的可编程定时器阵列p c a ； 硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口； 带模拟多路器、真正1 0 位2 0 0 k s p s 的2 5 通道单端差分a d c ； 高速流水线结构的与8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核，可达2 5m i p s ； 片内上电复位v d d 监视器和温度传感器； 片内全速非入侵式的在系统调试接口； 1 7 江苏大学硕士学位论文 高精度可编程的2 5 m h z 内部振荡器； 2 9 个i o 端口，容许最高5 v 输入； 4 个通用的1 6 位定时器； 1 2 8 0 字节片内r a m ，片内电压比较器。 3 3 3 无线收发芯片的选择 无线通信模块以收发一体的无线射频芯片为核心，目前已经有很多厂家生产 此类的无线射频芯片。正确的选择一块合适的无线收发芯片主要需要考虑以下几 占【3 2 】 j ( 1 ) 传输的性能 射频芯片的最终目的是用来进行数据传输的，因此数据传输性能是选择的芯 片的第一指标。数据传输的距离、速率及误码率都将直接影响系统功能的实现。 当然这些指标并不是完全确定的，传输的速率就受到传输距离的影响，距离越远， 速率也就低。所以通常标称的通信速率是指在一定范围内的速率极限。而通信距 离是在标称功率下的理想环境( 即无障碍，无遮挡) 下能够准确通信的最短距离。 这两个指标受到很多因素的影响。 ( 2 ) 功耗 大多数无线射频芯片都是应用在便携式产品上的，因此功耗非常重要，应根 据需要选择综合功耗比较小的产品。特别对于本系统，由于传感器节点采用电池 供电，低功耗的要求很高。 ( 3 ) 数据传输的编码方式 采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的 内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低了数据传输的效率，一般仅能达到 标称速率的1 3 。直接序列扩频( d s s s ) 是直接利用具有高码率的扩频码序列，采 用各种调制方式在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序去进行 解码，把扩展后的扩频信号还原成原始信息。扩频信号的频宽要比原信号宽很多 倍，从而缩小了干扰的强度，信号功率谱密度很低，隐藏在噪声之中，解调时必 须使用和调制一样的扩频码。因此，直接序列扩频具有抗干扰性好、隐蔽性好、 易于实现码分多址( c d m a ) 、抗多径干扰、通信速率高等优点。 ( 4 ) 抗干扰能力 江苏大学硕士学位论文 无线通信易受干扰影响，为保证数据通信的可靠性，应该选用抗干扰性能强 的芯片。芯片的编码方式、调制方式、发射功率及接收灵敏度，都会影响到芯片 的抗干扰性能。 ( 5 ) 外围元件的数量 芯片外围元件的数量不但直接决定了模块的体积和重量，而且决定了产品的 成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。特别是现在有很多芯片内置了微处 理器，并带有更多的扩展和辅助功能，选用合适的芯片，利用其原有的功能，这 样就能大大地简化电路，节约成本。 ( 6 ) 封装 无线收发芯片多用于便携设备，较少的引脚和较小的封装，有利于减少电路 板的面积。随着技术的进步，目前的芯片大部分都是很小的芯片，无论体积或质 量都比较小。 3 3 4c c 2 4 2 0 芯片的主要特性 c c 2 4 2 0 是t i 公司推出的首款符合2 4 g h z 的i e e e8 0 2 1 5 4 标准的射频收发 一 器【3 3 】【3 4 1 。该芯片是第一款适用于z i g b e e 产品的r f 器件。它基于c h i p c o n 公司的 s m a r t r f 技术，以0 18 u mc m o s 工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功 耗极低。c c 2 4 2 0 的选择性和敏感性指数都超过了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的要求，可 确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持的数据 传输率高达2 5 0 k b p s ，可以实现多点对多点的快速组网。它的外围电路包括晶振时 钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既 可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振 荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。 c c 2 4 2 0 芯片的主要特点如下： 工作频率范围：2 4 0 0 , , - 2 4 8 3 5 g h z ，采用o q p s k 调制方式，直序列扩频； 电流消耗：接收状态1 9 7 m a ，发射状态1 7 4 m a ，接收灵敏度9 4 d b m ； 抗邻信道干扰能力强，优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性； 兼容i e e e8 0 2 1 5 4 协议，支持自动帧格式生成、同步插入与检测、1 6 位 c r