LabVIEW传感网动态信号监控软件开发 文献综述

1、-范文最新推荐- LabVIEW传感网动态信号监控软件开发+文献综述 摘要摘要现今，无线传感器网络已经渐渐渗入到人们的日常生活中，通过对各种信号的检测，人们可以更方便地观察和利用物理世界的信息。因此，论文对传感网的动态信号进行了监控软件的设计。论文介绍了基于Telosb传感器节点的监控软件的设计方法，详细分析了基于这个平台的数据采集方法和无线通信方式，以及节点与PC机的串口通信方式，另外，还介绍了基于LabVIEW的上位机可视化监控模块的设计方法和设计要点。在不同应用中，监控软件可以根据信号的特征采用专门的处理方法，针对性较强，故文中详细阐述了针对温度信号—单通道输入且变化缓慢的信

2、号和振动信号—多通道输入且变化迅速的信号的设计方法，并进行了相关的测试。6232关键词传感网监控软件可视化串口通信TinyOS毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleThe Development of Monitoring Software for Wireless Sensor NetworksAbstractNowadays, Wireless Sensor Networks has permeated into human’s daily life. Its advent makes it more convenient for human to interac

3、t with the physical world. In this paper, the method of monitoring software development based on Telosb, a typical kind of Wireless Sensor Nodes, is proposed, and we mainly analyze the method of collecting data and wireless communication between the node and the base station， as well as the serial c

4、ommunication between the base station and the PC. In addition, the visualization is also achieved based on LabVIEW. The software can also be adapted according to the characteristics of the signal. At the end of the paper, we apply the method to both temperature monitoring and vibration test.Keywords

5、WSNmonitoring softwarevisualizationserial communication TinyOS 4.4本章小结225系统测试235.1基于Msp430F1611的温度测试235.1.1Msp430内部温度传感器235.1.2温度检测误差及修正235.1.3测温程序设计245.1.4温度测试上位机程序设计265.2基于ADXL335的振动测试305.2.1ADXL335芯片简介305.2.2振动测试下位机软件设计315.2.3振动测试上位机软件设计345.3本章小结37结论38致谢39参 考 文 献401引言1.1课题研究背景无线传感器网络（WSN）技术被认为是21

6、世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，该技术有巨大的发展潜力，其成果的应用将会对人类未来的生活产生重要的影响，是当前在国际上备受关注、涉及多学科高度交叉的热点研究领域。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种现代高科技技术。它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，从而实现各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息，实现自然界和人类社会以计算机作为媒介的连通 。无线传感网体系的结构如图1-1所示：图1-1 无线传感网的结构无线传感器网络的特点有：自组织

7、方式的组网、无中心结构、网络有动态拓扑、采用多跳路由进行路由接力传递、WSN的空间位置寻址、高冗余等。这些特点使得传感器网络的应用领域非常广泛，如军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通以及大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。 2.1硬件平台的选择不同应用中，传感器节点的构成不尽相同，但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块四个部分组成，四个模块之间的相互联系在图2-1中给出。图2-1 传感器节点结构组成作为一个完整的微型计算机系统，要求其组成部分的性能必须是协调

8、高效的，一般说来传感器节点的选择主要要考虑四个方面：1）微型化。无线传感器节点在体积上要足够小，以保证目标系统不会被其影响。2）扩展性强且有一定的灵活性。无线传感器节点需要定义完整的外部接口，在需要添加新的硬件时可以在现有节点上直接添加，而不需要重新设计新的节点。所有的软件模块之间相互独立，且软件模块之间要做到组件化和可配置，如此一来，就可以通过配置各个组件来实现不同的功能需求。3）稳定性好。无线传感器节点常常用于环境监测等，通常要求它们在给定的温度、湿度、压力等环境因素变化范围内，完成较为精确的测量。节点需在恶劣环境下稳定工作，系统在各种恶劣的气候条件下需保证不会损坏。4）设计成本低。低成本

9、是无线传感器节点的基本要求。只有成本保证在相对较低的水平，才能保证其得到广泛应用。因此采用的节点一般要求供电模块不能太过复杂昂贵，所有的器件都要保证是低功耗的。综合考虑这四个方面，实验中采用了Telosb节点。2.2Telosb节点2.2.1Telosb节点简介Telos节点是美国国防部DARPA支持NEST项目的一部分，这种节点是用于无线传感器网络中的一种低功耗的模块。Telosb系列节点在硬件上通常由两个模块组成，一个模块是运算和通信平台，另一个模块是传感器。图2-2是Telosb节点。 CC2420是由MSP430F1611通过SPI总线和IO端口以及中断控制的。通讯可能会由于微控制器的

10、供电不足而停止工作。CC2420的引脚图如图2-4所示：图2-4CC2420芯片引脚图要实现无线通信，除了芯片本身的设置外，最重要的就是天线，它决定了节点的通信距离，天线分为两种：板载天线和外接天线，它们共用一个地，使用过程中只有一个天线工作，这由节点上电容的焊接有关，天线在节点上的电路如图2-5所示：图2-5 天线实验中采用的节点使用的是板载天线，因此不用外接天线。CC2420的主要性能参数如下：工作频带范围：2.4002.4835GHz；采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；数据速率达250kbps码片速率达2MChip/s；采用o-QPSK调制方式；超低电流消耗（RX:

11、19.7mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-99dBm）；抗邻频道干扰能力强(39dB)；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器采用低电压供电(2.13.6V)；输出功率编程可控；IEEE802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBCMAC,CCM)；与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；开发工具齐全提供有开发套件和演示套件；采用QLP-48封装，外形尺寸只有7×7mm。2.2.4电源模块Telosb节点有电池和外部供电两种供电方式。在实验室内调试和测试是则可通过

12、外部供电，独立工作是使用电池，如图2-6所示：电池供电方式外部供电方式图2-62.2.5节点与PC机通信模块Telosb节点利用FDTI公司生产的USB控制芯片FT232与主机进行通信。FT232是一种将USB串口转化为RS232串口的芯片 ，其工作原理图如图2-7所示： 针对传感器节点的硬件特点，加州大学伯克利分校的研究人员设计了TinyOS操作系统，能够满足传感器节点的工作需求。它基于组件编程，通过各个组件之间的配置连接，能够实现各种功能。TinyOS的程序采用的是模块化设计，因此具体实现部分的程序所占的存储就少了，从而弥补了存储空间的不足。TinyOS包含了经过特殊设计的组件模块，可以通

13、过简单的编程获取和处理感应的数据并利用无线电来传输数据。TinyOS最大的特点就是基于事件驱动机制，通过硬件中断来触发下一个事件，再结合各组件之间的连接，从开始一直执行到结束，完成要实现的功能。3.1.2TinyOS组件模型TinyOS的组件模型使其实现了高效率的模块化和易于构造组件型应用软件。组件有四个相互关联的部分：一组命令处理程序句柄，一组事件处理程序句柄，一个经过封装的私有数据帧，一组简单的任务。每个组件还声明了自己使用的接口及其要用信号通知的时间，这些声明将用于组件的相互连接。如图3-1所示的例子中：图3-1 支持通信的传感器应用程序的组件结构TinyOS中的组件通常分为三类：硬件抽

14、象组件、合成组件和高层次的软件组件。在上述例子中，应用程序为最高软件组件，按照上面的结构，一级一级向下调用。在每一级的组件分别定义其实现，将其接口连接后，便能实现通信功能。3.1.3TinyOS通信模型无线传感器网络中采用的是主动消息模型AM（Active Message），它是面向消息通信的一种通信模式，它基于地址，并且支持信息确认和分发。在这种方式中，每个消息都维护一个应用层的处理器。当目标节点收到这个消息时，就会把消息中的数据作为参数，交给应用层的处理器进行处理，一般是解包数据、计算处理或发送响应消息等。1 4系统软件设计与实现4.1系统软件总体设计节点的软件平台是基于加州大学伯克利分校

15、TinyOS操作系统。传感器节点下位机软件的作用是定时采集传感器感知对象的数据，通过无线传输，发送至基站。基站连接在PC端上。当数据传送至基站时，基站通过与上位机通信，在上位机中再次进行数据处理，并将最终结果显示在上位机软件的界面中，从而实现实时监测的目的，并且可以很好地进行人机交流。节点的软件设计方案如图4-1所示：图4-1 节点的软件设计方案节点每个一定的时间就启动A/D转换进行数据采集，同时将采集到的数据打包通过无线传输方式传输到基站，数据到基站后进行相应的数据处理，然后将最终结果显示在PC段的人机交换界面上。上位机软件总体设计方案如图4-2所示：图4-2上位机软件总体设计方案数据到达基

16、站后，通过配置串口，使得其能够与上位机进行通信。配置好以后，数据进入到上位机处理程序，将得到的数据包解包，得到采集来的数据，将其转换为所需要的数据类型并显示，同时实现监控，在该次处理结束后，将数据保存，以便数据管理。4.2节点基于TinyOS操作系统的软件设计4.2.1基于MSP430F1611的数据采集的软件配置节点的数据采集的实现核心就是MSP430F1611的合理配置。MSP430F1611的电路图 如图4-3所示：图4-3MSP430F1611引脚图要实现节点上某一路信号的采集，必须根据MSP430的配置函数进行合理配置，在TinyOS2.x系统中，MSP430的配置内容位于tinyo

17、s-2.xtoschipsmsp430adc12Msp430Adc12.h中，具体如下所示：typedef struct unsigned int inch:4;/设置信号输入通道 4.2.3TinyOS中无线传输在无线传输过程中，同样应用了硬件抽象。首先，应用程序本身必须含有组件MainC组件，它提供的Read接口用于与下层组件连接。其次，TinyOS中有一个主动消息层，作为中介将顶层组件和底层硬件连接起来。主动消息层提供了将与平台相关的无线通信驱动的实现封装在一起的组件，即ActiveMessageC组件。Telosb平台的ActiveMessageC组件有CC2420ActiveMess

18、ageC组件实现。它提供了AMSend接口和SplitControl接口用于初始化AD转换和无线传输。无线传送的硬件抽象10如图4-5所示：Send接口Msp430Adc12SingleChannel接口图4-5无线传输模块的硬件抽象除了ActiveMessageC组件，TinyOS中还引进了一些与平台无关的组件，如AMSenderC组件和AMReceiverC组件，这些组件是系统固有的，与所使用的无线收发器的种类无关，因此在发送和接受时常常使用AMSenderC和AMReceiverC组件。通过使用这两者的接口AMSend和Receive实现数据的无线传收。4.2.4节点与PC的串口通信在典

19、型的无线传感器网络中，基站一般需要通过串口与PC通信。当数据到达基站时，就会触发一个数据传送命令，从而数据会送到UART口。然后在配置好上位机后，上位机循环读入数据包进行处理。此时的数据包格式实质上是串口数据包，而不再是AM层的数据包，串口数据包的定义在目录tos/lib/serial中的serial.h中，其具体定义如下所示：typedef nx_struct serial_header nx_am_addr_t dest;/广播地址，默认为FFFFnx_am_addr_t src;/节点链路层地址nx_uint8_t length;/接受包的数据长度nx_am_group_t group;

20、/网络组号nx_am id_t type;/AM类型serial_header_t;typedef nx_struct serial_packet 图4-6串口初始化函数右边的为这一模块对应的前面板，将节点插到电脑上，便会在硬件管理器中看到该节点对应的端口号COMn，也即是上述前面板中的串口名。波特率设为和节点一直的，如在本实验中采用的Telosb节点的波特率为115200b/s，则前面板中的波特率也应为115200，数据位和停止位均与硬件管理器中的设置一致。另外，在实际使用时，因为需要处理每次传输的数据包，因此每次读入的都应为数据包的长度，如果要读入数据包，则需要设置Read函数，将每次读入

21、的字节数设为数据包的长度。Read函数如图4-7所示：图4-7VISA中的Read函数左边蓝色输入线对应的输入即为字节数。4.3.3LabVIEW中的数据处理由于LabVIEW中接受到的数据来都是以字符串的形式显示出来的，所以需要将字符串转换为ASCII码，一般直接使用“转换为U8数组”这个函数，如图4-8所示图4-8强制转换函数转换为U8字节后，就与在下位机设置的数据一致了，就很容易进行数据帧的判断了。Msp430F1611的A/D采样是12位的，故表示为16位无符号数，即传送得到的数据不能直接转换为十进制数，而需要特殊处理才能转化为十进制数。转换函数可以采用如图4-

22、9的函数，该函数将十六进制转换为十进制。图4-916转10函数得到十进制数后，将其写入到TXT文件中进行存储，所使用的函数为FileIO子模版中的write函数。输入其存储路径，如“D:data.txt”，那么在D盘下的名为data的记事本中便记录了本次采入的数值。4.4本章小结本章首先描述了系统软件设计的总体流程，然后分别阐述了下位机和上位机的软件流程。详细地说明了下位机实现A/D采样和无线传送的编程要点，以及上位机可视化软件编程的关键环节。 ref2_5v: REFVOLT_LEVEL_1_5,adc12ssel: SHT_SOURCE_ACLK,adc12p: S

23、HT_CLOCK_DIV_1,sht: SAMPLE_HOLD_4_CYCLES,sampcon_ssel: SAMPCON_SOURCE_SMCLK,sampcon_id: SAMPCON_CLOCK_DIV_1;其中，TEMPERATURE_DIDOE_CHANNEL等于10，因为内置温度传感器所接的A/D的输入通道默认为通道10，REFERENCE_VREFpllus_Avss表示所采用的基准电压为内部基准电压，REFVOLT_LEVEL_1_5表示基准电压设置为1.5V，adc12ssel: SHT_SOURCE_ACLK 表示ADC12进行A/D转换的时钟基准是由ACLK提供的，SA

24、MPCON_SOURCE_SMCLK表示TimerA的时钟基准（即控制采样的时钟基准）是由SMCLK提供的，在采样时，常常利用TimerA设置采样周期，如此一来就涉及到采样时钟定时器的工作频率，必须事先设置和好定时器的工作频率，定时器才能够正常工作。SAMPCON_CLOCK_DIV_1表示采样直接用的就是SMCLK，而没有经过分频。除了传感器本身采集参数的配置，由于TinyOS的硬件都是抽象为组件实现的，因此传感器要实现将其输出电压送入单片机的采集通道中，传感器也必须要实现为组件，并且必须提供接口，才能和其他组件连接，供其他组件使用，传感器的组件连接图在图5-2中给出。图5-2传感器组件连接图必须按照上述组件连接图将传感器组件的接口配置好，传感器与节点才能正常连接工作。配置好以后，便可以开始采样了，下位机的采样和无线传输的硬件抽象见图5-3所示：图5-3温度采集的硬件抽象图各个组件之间通过接口连接起来，TimerMilliC可以设置定时器，即无线传送的周期，LedsC组件用于显示是否正常在发送和接收中，DemoSensorC定义了采集通道，AMSenderC、AMReceiverC及ActiveMessageC组件用于无线传送的实现。 7E4500FF FF00 011C00 9328个字节C9 407E如前所述，首先将十个数据转换为