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基于无线传感器网络的温度监控系统设计及实现

本文导读:此文由期刊论文发表网编辑整理,期刊论文发表网立足江苏常州,服务全国,9年来助数万的学子顺利毕业就业,助数万职员顺利晋升,如需论文发表服务请联系客服人员。这是一篇关于基于无线传感器网络的温度监控系统设计及实现的文章,介绍了无线传感器网络(WSN)的概念和特点,依据无线传感器网络的工作原理,研究了构建一个由多个无线传感器节点和一个汇聚节点组成的温度监控系统..

  摘 要:介绍了无线传感器网络(WSN)的の概念和特点,依据无线传感器网络的の工作原理,研究了构建一个由多个无线传感器节点和一个汇聚节点组成的の温度监控系统所需的の关键技术,设计了无线传感器节点和组网协议,并在计算机上编制了用户端程序,用户端程序通过控制与计算机USB接口相连的の汇聚节点监控整个系统。实际试验结果表明,传感器节点具有极低的の功耗和较远的の无线通信距离,多个节点能够自组织成一个无线温度监控系统,完成各个节点的の温度采集,具有较高的の测量精度。 《《《《《 推荐阅读:探讨虚拟现实在电视中的の应用发展

  关键字:温度监控系统 无线传感器网络 无线传感器节点 用户端程序

  无线传感器网就是由部署在监测区域内大量的の廉价微型传感器节点组成,其目的の是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的の信息,并发送给观察者[]。与传统的の有线传感器网络相比,

  无线传感器网络有随即部署,可扩展和自组织等特点。对一些特殊的の环境,无线传感器可以通过飞机等抛洒到要监视的の区域中,传感器可自组织成无线网络,完成监测任务。

  本文研制了基于无线传感器网络的の温度传感监控系统,具有单节点成本低体积。嘟诘懔峡尚纬筛哺敲婊洗蟮膜问凳碧讲馇,网络的の部署和展开不需要依赖于任何预设的の网络设施,可以快速、自动地组成一个独立的の网络,任何节点的の故障都不会影响整个网络的の运行等优点,克服了有线测量中无法灵活部署的の缺点和导线本身的の电性能对监测精度的の影响,特别适用于烟草、粮仓、中央空调及监测封闭空间或其他需要多点测温的の特殊场合。

  1  温度监控系统工作原理

  整个平台由多个无线测温传感器节点和与计算机相连的の一台具有无线收发功能的の汇聚节点构成,工作原理如图1所示。节点间以Ad Hoc 方式进行通信和组网[3],每个节点都可以充当路由器的の角色, 都具有数据采集与数据转发的の功能,并且每个节点都具备动态搜索、定位、恢复连接和竞选簇头的の能力。一开始用户端给汇聚节点发送路径建立命令,传感器节点根据汇聚节点的の命令建立通信路径,并根据LEACH算法实现测温网络的の分簇型拓扑控制。路径建立后节点监测温度信号并进行处理,然后把数据发送给节点所在簇的の簇头,由簇头发给离主机近的の簇头,以此传递最终到达用户端。用户端具有路径建立、路径维护、数据采集显示、数据查询等功能,实现了对测温网络的の外部控制。

  2  温度监控系统的の设计

  传感器节点是温度监控系统的の基本单元,主要有传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块和程序模块组成,结构如图2所示。传感器模块的の核心采用的の是基于I2C

  串行总线接口的の低功耗智能温度传感器AD7416[4],在串行总线上最多可接8片AD7416。处理器模块的の核心采用的の是ATMEL公司的の八位AVR单片机ATmega128L,内部集成了128k字节的の程序存储器、4k字节的の内部SRAM和4k字节的のEEPROM,支持6种睡眠模式,很容易实现低功耗设计。无线通讯模块采用的の是通信频段为433/868/915MHz,多频道多频段,可跳频,集数据接收发送于一体的の嵌入式无线通讯模块PTR8000,其核心芯片是无线收发芯片nRF905。能量供应模块采用的の是两节干电池;为了便于调试,在节点上设计了一个降压电路,可把4~11.5伏电压降为3.3伏,使得节点也支持4~11.5伏的の电源电压。程序模块的の主体是嵌入式操作系统,使用的の是UC/OS-II的の2.76版本,在此基础上设计实时多任务实现程序功能。除此之外,节点提供了30个外扩端口,因此可以根据需要配置不同的の传感器实现不同的の功能。

  汇聚节点是温度监控系统与用户端程序的の纽带。处理器模块、无线通讯模块和能量供应模块与传感器节点相同,同时还支持USB供电。

  测温网络的の软件主要有传感器节点程序、汇聚节点程序和用户端程序三部分组成。传感器节点和汇聚节点的の程序使用C和汇编语言编写,在ICCAVR6.31A上调试和编译。用户端程序使用Visual Basic6.0开发,调用MatrixVB组件提供的の函数完成数据处理和图像显示。传感器节点程序主要有九个任务组成。

  汇聚节点程序有四个任务组成,主要功能是向测温网络广播用户端的の指令,接收测温网络的の数据,并实时传送给用户端。

  3  试验结果

  试验装置的の硬件平台有三个传感器节点、一个汇聚节点和一台计算机组成。节点电源电压为3伏时测得活动状态下电流为17.81毫安,睡眠模式下电流为0.19毫安,每个循环的の睡眠时间设置为8秒,活动时间约为1秒,活动与睡眠时间之比约为一比八。节点的の无线通信距离受环境影响较大,在空旷干燥的の环境中通信距离可达一百米。节点使用两节干电池供电,电量约为2200毫安时,以此计算可得节点可以持续工作四个月。用户端程序可以实现测温系统的の路径建立、路径维护、节点数据查询和数据采集等功能,并将采集到的の数据进行保存。通过使用MatrixVB组件用户端程序支持使用类似MATLAB的の画图方式显示数据图像和节点路径图像。用户端程序通过发送路径建立信息,触发各个节点自组织成温度监控网络,并获取各个节点到达汇聚节点的の路径信息。每个循环簇头都会给汇聚节点传送一次数据,数据一般包含命令字、数据经过的の路径信息、温度数据、采集温度的の时间、节点的の电池电压、节点簇号和簇内号等信息。

  4  结论

  本文介绍的の温度监控系统是基于无线传感器网络协议开发的の,实际运行表明能有效的の完成多节点温度测量。通过节点外扩口配置不同的の模块可以很容易的の构建不同的の测量系统,具有良好的の应用价值,同时也可作为无线传感器网络的の一个开发平台。

  参考文献:

  [1]孙利民,李建中,陈渝,朱红松编著。 无线传感器网络[M]. 北京:清华大学出版社,2005,第一章。

  [2]王宪伟。 多点温度无线测量系统的の设计[J] . 长春大学学报,2005,15(8):11~13.

  [3]李春杰,刘瑞霞,王继志。 基于无线传感器网络的の监平台设计[J].传感技术学报,2006,19(1):13~15.

  [4]沙占友主编。集成化智能传感器原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,2004,第五章。

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