基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

2024-05-08

基于无线传感器网络调光系统设计研究论文（共9篇）

篇1：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

1系统工作原理及结构设计

系统核心处理模块基于CC2530开发设计，选用星型拓扑结构组建无线传感器网络，具有容量大、低成本和低功耗等特点，且相邻两个节点传输距离可达10～150m，完全满足温室内无线调光系统设计需求。其中，主控节点实现网络构建、环境信息采集、数据处理分析、人机交互及调光命令下发等功能;驱动节点主要实现控制命令接收、数据解析及调光数据输出等功能;植物LED执行器实现LED灯组调控及亮度输出。主控节点采用全功能设备FFD(FullFunctionDe-vice)，具备网络协调功能，可联结其他FFD或精简功能设备(RFD)，组建无线传感器网络，可双向传输信息，具有协调作用;同时，根据系统设计要求，主控节点具有控制功能。电路设计增加环境光照与温度信息采集模块、人机交互模块(即液晶显示及按键)、工作指示灯、时钟模块以及复位模块，分别完成数据采集、人机交互和复位等控制功能。驱动节点采用简化功能设备RFD(ReducedFunc-tionDevice)与主控节点进行信息传输，同时完成控制命令输出;植物LED执行器基于植物光合作用分析，选用中心波长为660nm、半波带宽度为40nm的红光LED，以及中心波长为450nm、半波带宽度为40nm的蓝光LED两种特定波段LED作为光源，可根据驱动节点输出不同的调光命令，实现不同配光比的光环境调节。

2系统硬件设计

2．1主控节点结构及硬件设计

主控节点主要负责构建及启动网络、网络参数选择、当前环境信息监测、控制方式选择、计算调光值、调光命令下发、人机交互等功能，包括电源模块、核心处理模块、无线模块。

2．1．1核心处理模块

系统选用CC2530作为中央处理器，内含高性能低功耗8051微控制器，工作电压3．3V，外设21个I/O口。其中，P1．0接入系统正常工作信号LED指示灯;P0．1接入手动按钮;人机交互模块电路为液晶分别与P0．0，P1．2，P1．5和P1．6连接，按键与P0．6和P2．0口连接;P0．2，P0．4，P0．5与时钟芯片DS1302相连;P1．4口与温度传感器连接，P1．1和P1．3口与光照传感器相连。具体电路根据CC2530芯片手册设计开发，降低了开发难度。

2．1．2人机交互模块

系统选用DB12864－16C作为液晶显示，采用普通复位按键作为设备按键，在满足系统工作要求的条件下，为节省I/O口使用，液晶与CC2530连接采用串行SPI方式进行通信，按键电路利用SN74HC32或门和LM358运放共同实现。具体电路根据SPI方式及运放典型电路开发设计。

2．1．3其他模块

电源模块采用5V适配器为主控节点供电。电源输入后，经过降压芯片ASM－1117典型电路为系统提供3．3V直流电压。数据采集模块包括环境温度采集和光照采集两种。其中，温度采集选用DS18B20作为温度传感器和ISL29010作为光照传感器，通过在光照传感器上覆盖红蓝光滤光片以及软件修正，实现对光合作用有效波段监测。时钟模块根据DS1302芯片手册中典型电路设计，可实现系统时间设制以及定时控制功能。同时，为满足系统后期扩展需求，将剩余I/O口作为备用扩展口使用，以提高系统实际应用及二次开发能力。

2．2驱动节点及植物LED执行器设计

驱动节点属于精简功能设备，只完成调光控制命令接收与信号输出功能，可减少外围电路设计，降低了智能调光系统的成本。驱动节点包括核心处理模块、无线接收模块、电源模块和继电器模块。具体电路为:P1．0连接红光LED驱动电路，P1．1连接蓝光LED驱动电路，P1．5连接红光信号继电器，P1．6连接蓝光信号继电器。LED执行器包括驱动模块及红蓝光LED灯组，由24V电源供电。驱动模块选择PT4115驱动芯片，是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，可用于驱动一颗或多颗LED串联。LED灯组根据植物生长所需光环境由若干红蓝光LED按比例组成。

3系统软件设计

本系统以IAR为软件开发平台，可以直接对Zig-Bee2007协议栈进行开发移植，生成高效可靠的可执行代码，并对代码进行调试。代码采用C语言开发，不仅有利于软件代码的可读性，而且能够满足对硬件功能的调试和控制，大大缩短了系统开发周期。系统软件主要包括节点间数据传输和节点功能软件两个部分。节点数据传输过程:首先，通过主控节点进行信道扫描，选择合适的信道组建网络。在IEEEE802．15．4协议中，将2．4G频段划分16个信道，编号为11－26。本系统选择默认值11信道。构建成功后，驱动节点以直接方式加入网络，即驱动节点作为主控节点的子节点，由主控节点向驱动节点发送，作为其子设备命令。主控节点在网络中起协调器作用，负责网络构建。为确保系统安全可靠工作，系统采用分布式分配机制为每个节点分配自己的地址，主控节点在组网以后使用0x0000作为自己的短地址，在驱动执行节点加入系统网络后，由主控设备随机分配一个不重复的16位短地址作为自己唯一的地址来进行通讯。主控节点控制软件包括两类传感器解析函数、计算决策程序、参数设定程序、液晶显示程序和时钟程序等子程序;驱动节点作为终端节点，在完成调光控制命令接收后，将控制信号输出给继电器和驱动电路;LED执行器根据调光控制命令实时调节红蓝光LED灯组状态，实现温室光环境的多种方式以及无线控制。

4运行结果

本设备已通过实验测试，并应用于西北农林科技大学某实验基地。试验证明，系统可根据用户实际需要实现手动控制、定时控制、阈值控制以及定量控制等多种控制方式调光，且所有控制命令均可采用无线传输方式进行准确传输。其中，在阈值控制方式下，主控节点可完成温室实时温度、红蓝光光强等环境因子检测，并基于光合作用机理精确决策温室作物实际需光量;驱动节点可稳定接收实际调光数据，并准确输出给驱动电路和继电器，LED执行器可根据控制命令准确调节LED灯组输出状态。

5结论

（1）本文设计了一种基于无线传感器网络的设施农业调光系统，可通过用户实际需求选择多种控制方式对温室作物光环境进行无线调控。其中，阈值控制方式综合考虑作物光合作用影响因素，根据温室温度、红蓝光光强等环境因子精确计算作物实际需光量，实现了温室光环境的实时按需调节。

（2）系统结合温室实际生产条件，采用无线传感器网络技术传输调光命令，有效降低了系统部署难度与维护成本;采用新一代LED光源，减少了生产成本，节约了能源。

（3）经过实际部署和运行证明，系统具有稳定性好、准确性高、部署简单和能耗少等优点。

篇2：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

题目基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

报告人

指导老师

二○一六年十二月基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统设计

摘要：利用无线传感器网络对具有声音特性的公园游客进行跟踪的特点，研究了基于时延估[1][2][3]计的声源定位方法。选择广义互相关法作为时延估计算法，并改进球形插值法用于声源定位，从而减小了算法复杂度；设计了一个面向目标跟踪的声学无线传感器网络原型系统。利用所设计的原型系统能实现对移动的游客进行跟踪，而且跟踪精度较高。

关键词：声源定位；目标跟踪；时延估计；无线传感网络

1．课程设计任务

本文拟采用基于时延估计的声源定位方法，设计了一个游客定位与跟踪系统。把在公园三个角作为基站，同时也作为参考节点。首先利用广义互相关法，计算出目标到各个节点与参考节点之间的时延；然后根据时延，采用改进的球形插值法得出目标的方位；最后将该系统应用到一个移动的公园游客跟踪实验中。

1.1 课程设计题目

本课程设计关于游客跟踪，拟采取配备声音传感器的传感器网络，对声源进行定位及跟踪。由于声音传感器具有体积小、成本低的优点，配备了声音传感器的传感器网络可以对跟踪，尤其适合对处于电磁干扰区的低空或地面目标的定位[4]。并且目前，利用声音传感器网络进行目标的定位与跟踪是目前的一个研究热点。在每一个节点上配置一个声音传感器，一个节点对可以计算出声源的方位角，利用2个或多个节点对，根据三角法计算目标的位置；然后利用卡尔曼滤波估计声源的运动趋势，而选择合适的节点集合计算声源位置。但该方法计算声源方位角时，需假设声源符合远场条件[5]。

1.2 设计的要求

为满足对公园游客安全实施监控要求，防止游客（尤其是小孩子）丢失，所以设计一个基于无线传感器网络的公园游客跟踪系统。在每一个进园游客身上佩戴一个传感器，能够根据环境自主完成目标监测、发现、识别、定位与跟踪等任务。无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是由大量具有感知、计算和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的网络。由于WSN具有随机布设、自组织和隐蔽性强等特点，目前能够广泛应用于军事、工业和商业等领域[6]。2．关键技术及总体方案

2.1 无线传感器网络目标定位跟踪原理

基于无线传感器网络的目标跟踪通常包括侦测、定位和通知三个阶段。1）侦测阶段。在一个配备了声音传感器的无线传感器网络监测区域中，传感器节点对声音信息进行周期的采集。当游客进入某个区域时，某个传感器节点发现声音强度超过阈值，则唤醒其他节点处理突发事件，启动目标定位与跟踪任务。

2）定位阶段。目标附近的节点被唤醒。被唤醒的节点利用基于声音传感器阵列的声源定位技术对目标进行定位。

3）通知阶段。当计算出目标位置之后，需唤醒其他节点，使其加入到跟踪行李额。同时需把目标的位置信息发送到汇聚节点，汇聚节点对数据进行进一步的融合处理后将数据发送到指挥中心。就可以实时对游客的位置进行定位。

2.2 声源定位于跟踪方法研究

基于时延估计的声源定位方法因其定位精度相对较高、实时性较强而成为近年来的研究热点，而得到了广泛的应用[7]。该方法主要分为时延估计和目标定位两个主要步骤，如图1所示。

传感器节点接收声源信号估计各节点与参考节点之间的声源信号到达时间延迟利用时延数据进行声源定位

图1 基于时延估计的声源定位方法示意图

1）时延估计方法的研究

假设两个声音传感器接收信号的离散事件信号模型为：

（1）式中，为声源信号；和为互不相关的高斯白噪声；和、也互不相关；和为声波的衰减系数；和分别为声波从生源到声音传感器1和声音传感器2的传播时间，为两个声音传感器间的时延。时延估计算法主要包括基本互相关法、广义互相关法和最小均方差法（LMS）等[8]。

基本互相关法的主要特点是方法简单，但该方法嘉定信号与噪声及噪声与噪声之间均互不相关，这在某些情况下不一定能得到满足，而且时延估计的精度较低。广义互相关法在功率谱域对信号进行加权，突出相关的信号部分而抑制受噪声干扰的部分，以便使相关函数在时延处的峰值更为明显，从而在一定程度上提高了时延估计精度[9]。LMS法用一个通道的信号去逼近另一个，使系统的均方差达到最小，在收敛的情况下给出时延估计，它不需要输入信噪比等先验知识；但是LMS法是一个迭代学习过程，运算量要大于广义互相关法，其估计精度随滤波器长度增加而提高，及核算复杂度也随之迅速增长，不适合跟踪快速移动的声源和对实时性要求较高的场合。

本文考虑到传感器节点的性能，采用广义互相关法。两信号之间的广义互相关法（GCC）函数为：

（2）

式中，为广义互相关法加权函数；为接收信号、为互功率谱。

本文选择的互功率谱相位（CSP）加权函数为广义互相关加权函数。所加噪声是均值为0的高斯白噪声，采样频率为16KHz。

2.3 具体设计实施方案(基于时延估计的声源定位方法)由广义互相关法求得时延后，根据估计的时延值对生源进行定位。定位主要有目标函数空间搜索定位法和几何定位法。目标函数空间搜索法计算量较大，实时性差，容易出现局部极值点，不适合应用于传感器节点。几何定位法分为线性插值法和球形插值法。线性插值法对声音传感器的摆放位置没有严格的要求，但其计算量稍大。由于传感器节点是素及分布的，因此，本文利用球形插值法进行目标定位，并在球形插值法的基础上，对其进行改造，减少其运算量，降低算法复杂度[10]。球形插值法首先设定一个参考节点，求得其他节点相对参考节点的时延，然后根据时延和各节点的矢量位置得到一个误差方程组，求其最小二乘解[11]。

设系统由N+1个配备了声音传感器的节点组成，分别位于处。不失一般性，设参考节点位于坐标原点，其位置矢量处。不失一般性，设参考节点位于坐标原点，其位置矢量，声源位置矢量，各节点、声源到源点的距离分别为和，各节点与参考节点到声源的距离差用表示[12]。节点与声源的几何关系如图2所示。由图可知，节点与参考节点到声源S的距离差为[13]：

（3）可得：

（4）即：

（5）

Z声源sRs参考节点m0yRiRs+di节点mix

图2传感器节点-声源几何模型

由于是由延时估计得到的，所以存在一定的误差，因此（5）式不为0，应为[14]：（6）（7）其中：

（8）

为减少一般球形插值法的运算量，将（7）式改写为：

（9）其中：

（10）（11）当：

（12）

式（8）的均方差最小，即：

（13）

根据逆矩阵的定义，由式（10）可得：

（14）声源的位置为：

（15）

式(9)中ATA始终是一个4×4的矩阵，整个式子求解所需的乘法和加法的数量不大，运算复杂度仅为O(N)，而一般球形插值法的运算复杂度为O()。当节点数量较多时，改进的球形插值法的运算复杂度将显著小于球形插值法[15]。

3．总结

目标定位与跟踪是无线传感器网络的重要应用之一。本文在每个游客身上配置一个声音传感器，分析了无线传感器网络的目标定位和跟踪原理，讨论了时延估计方法和声源定位方法。根据相关算法的性能，选择CSP广义互相关法作为时延估计算法，并改进了球形插值法用于声源定位。利用公园的三点确立连接点，搭建了目标跟踪原型系统，来对园区内的游客进行实时的定位和监控。实验结果表明，利用广义互相关法和改进的球形插值法进行目标跟踪的精度较高。

4．主要参考文献

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篇3：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

关键词：智能灌溉,无线传感器网络,节点

0 引言

农业 (包括日益活跃的园艺行业) 作为国家的经济命脉和用水大户[1], 由于思想意识、资金、技术等方面的原因, 一直沿用传统落后的大水漫灌[2]。据统计, 在全国范围内, 农田灌溉用水的利用率[3]仅为45%。随着水资源短缺与需水量逐年增加之间的矛盾日益加剧, 大水漫灌正逐渐被注重精确灌水的现代节水灌溉模式所取代[4]。

现代科学灌溉技术不仅可以有效利用水资源, 缓解地下水开采过量、地壳下沉的严峻局面, 同样重要的是, 能够通过与精确施肥的有机结合, 改善农作物、果树等的生长条件, 提高单产和果实品质, 具有良好的社会效益和经济效益[5]。

精确灌溉是实现智能节水灌溉的有效手段, 利用无线传感器网络来实现精确灌溉, 是目前研究的主要方向。无线传感器网络 (Wireless sensor network, WSN) 是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 目的是协作探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户[6,7]。利用Zigbee无线传输协议技术, 构成无线传感器网络, 实时采集土壤水分含量, 并经上位机分析处理, 及时控制灌溉阀门的开闭, 从而达到精确灌溉的目的。

1 系统整体结构设计

智能灌溉系统采用的是基于Zigbee标准的无线传感器网络, 该网络采用树状结构, 整个系统包括上位机监控、Zigbee协调设备 (网关节点) 、无线路由设备、无线传感器 (WSN) 节点以及阀门控制设备等组成。该系统的整体结构如图1。

无线传感器节点根据上位机设定的采样间隔来采集传感器的数据并通过无线路由设备转发至网关。网关节点则需要检查该网络中所有节点的状态, 例如:是否在线、健康状态、上传数据间隔及网络拓扑情况等。网关节点接收数据后通过RS232接口上传至上位监控机, 即PC客户端。在PC客户端编写图形化的操作界面, 负责接收各节点的工作数据, 进行分析、处理、存储, 并根据分析结果确定是否需要发送阀门控制指令, 更新阀门状态。阀门控制设备则随时接收阀门控制指令, 并根据指令来开启或关闭电磁阀。

2 系统硬件设计

该系统主要包括协调器设备节点、路由设备节点和数据采集控制节点3种Zigbee节点, 这3种节点都采用了同样的电路设计, 通过写入不同的程序来完成不同的功能, 其硬件均由集成Zigbee模块来构成。其硬件组成如图2。

(1) Zigbee模块

目前Zigbee模块生产厂家有很多, 该设计采用了英国Jennic公司的JN5121开发系统, 该系统将JN5121模块和外置天线连接端整合到一个模块上, 并集成了所有射频组件, 可完成点对点通信和网状网通信, 其96kB的RAM存储可支持网络路由和控制器功能。另外, JN5121还有4路12位模拟量输入、2路11位模拟量输出、2个比较器、2个应用程序定时器、3个系统定时器、2个UART异步串口、SPI接口以及2线串行接口。

(2) 存储器模块

该系统采用FM25L256铁存储器, 该存储器具有读写速度快、掉电数据保存时间长、可靠性高、结构简单、功耗低等优点。其硬件连接如图3。

(3) 驱动输出模块

由于农田的灌溉面积较大, 地形较复杂, 因此采用脉冲式电磁阀作为灌溉的开关, 其主要特点是无需持续供电, 可通过瞬间的脉冲来实现电磁阀的开关控制。脉冲式电磁阀工作电压为DC12~40V, 由白、红、黑三线控制, 其中白线为公共端, 白线与红线之间加12V脉冲信号则电磁阀打开, 白线与黑线之间加12V脉冲信号则电磁阀关闭。由于该电磁阀的脉冲驱动信号瞬时电流较大, 可达到1A以上, 因此, 驱动输出电路的设计采用了大电容瞬间放电的方式来实现。电路如图4。

电路中电容选择了10 000μF大电容, 其放电是由JN5121模块的I/O接口控制三极管D1691的开关状态来实现。电路中电阻起到限流的作用, 二极管B340B的作用是防止电容放电时产生电火花。

(4) 时钟模块

系统要求低功耗, 因此设计中采用了飞利浦公司的时钟模块PCF8563。这是一款工业级内含I2 C总线接口功能的极低功耗多功能时钟/日历芯片, 具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能。

(5) 传感器接口模块

设计采用国产HL-TR02型土壤水份传感器。该传感器基于频域反射原理, 通过测量土壤的介电常数, 能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。测量时, 传感器产生的高频电磁波沿传输线进行传播, 在末端经过周围有土壤介质的反射并在传输线上形成驻波, 驻波的电压随着探针和周围土壤介质阻抗的变化而变化, 通过测量传输线两端的电压差即可测出土壤的介电常数, 从而测出土壤的含水量。该传感器工作电压为5VDC (电压型) 或12~24VDC (电流型) , 工作电流为40 mA (电压型) 或65mA (电流型) , 输出信号为0~2.5VDC (电压型) 或4~20mA (电流型) 。

另外, 通信接口芯片采用MAXIM公司的MAX3222, 它可以通过EN、SHEN引脚控制驱动器、接收器状态, 从而降低功耗。电源模块采用12V蓄电池为系统供电, 并使用MAX1837降压芯片将12V电压降为3.3V供控制系统使用。

3 系统软件设计

该系统的软件设计主要包括上位机程序设计、传感器节点程序设计、阀门控制程序设计和网关节点程序设计4个部分。

(1) 上位机程序设计

上位机软件主要完成数据处理显示、节点状态监视、阀门控制以及数据库记录等功能。阀门控制的基本过程是:通过土壤水分传感器, 将水分信息传送至上位机, 与用户设定的参数进行比较, 若低于设定值则向阀门节点发送开阀门指令;考虑到水分的下渗需要一定的时间, 因此, 关阀门的指令由时间定时器控制, 即灌溉一定时间后发送关阀门指令。同时, 水分数据的采集间隔应大于灌溉时间, 从而避免循环检测。

(2) 传感器节点程序设计

传感器节点的主要任务是定时采集土壤水分含量并上传至网关节点, 同时定时上传自己的当前网络状态, 避免脱网事故。其流程图如图5。

(3) 阀门控制程序设计

阀门控制程序的主要任务是接收网关控制命令, 控制阀门开关, 同时上传自己的当前网络状态。其控制流程图如图6。

(4) 网关节点程序设计

网关节点的主要任务是组建网络, 分析网络中各节点的信息、数据进行处理, 并将相关数据上传上位机, 同时接收上位机对应命令。其流程图如图7。

4 结束语

无线传感器灌溉网络采用了低功耗无线节点和高效的无线传感器网络技术, 可有效提高节水灌溉系统的性能。经长时间无间断的实验测试后, 大部分数据可靠, 阀门控制较为及时, 可满足当前灌溉系统的需要。该方案采用的无线传感技术不存在布线问题, 成本较低, 节水效果显著, 便于大规模机械化农业生产, 具有较大的推广价值。

参考文献

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篇4：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

关键词：ZigBee；无线传感器；设计；实现

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2100-02

当前，无线传感器网络（WSN）在工业、军事以及学术研究等各个领域都受到了越来越多的关注，其研究成果具有很好的应用价值。将各种类型的具备计算功能和通讯能力的微型传感设备合理地布置在需要进行数据信息监测的区域内，并使这些传感设备能够依据环境的变化情况自动地执行指定的命令，这种能够进行自动控制的网络系统被称为无线传感器网络。由于ZipBee技术具有成本低、功耗小以及短距离等特点，使其在无线传感器网络技术中脱颖而出，成为了无线网络通讯应用技术中的佼佼者，得到了较好的推广运用。

1 ZigBee技术的概述

ZipBee是双向的无线通讯技术的一种，它具有短距离、小功耗、低复杂度以及高稳定性的特点。目前，该技术主要是被用在系统的远程控制以及自动化控制等科技前沿领域，较为常用的工作频段有三种，在不同的工作频段上其传输速率存在一定的差异，通常它的有效传送距离是10m到75m，根据需要还可以对传送距离进行增大。

ZipBee这种成熟的无线电通讯技术所具有的特点包括安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低。在ZipBee技术中对其数据包采用循环冗余校验技术来检测其完整性，同时还能够支持认证，通过运用AES—128加密算法等来保证系统的安全性。为加强稳定性系统运用碰撞避免策略，并通过建立专用的通讯通道保证特殊数据传输的稳定性，防止数据在传输过程中产生冲突，影响重要数据的传输。在MAC层进行数据传输模式的定义时运用的是完全确认技术，即发送出去的所有数据包信息都需要由数据接收方进行信息的确认。一旦在数据传输中发生故障，都会进行数据重新发送，保证数据的稳定传输。ZipBee网络具有较大的容量，将ZipBee网络设计成星型结构时，可实现最多25台的从属设备与1台主控设备的连接，可以将100个ZipBee网络接入一个区域，实现较为灵活的网络组建形式。较为低廉的成本也是ZipBee网络的显著特点，其模块的成本大约在20元，而ZipBee的网络协议也是不需要缴纳专利费用的，这也大大降低了其成本，从一定意义上讲，较低的成本费用是ZipBee网络技术能够广泛应用的重要原因。ZipBee网络的通讯时延较短，从休眠转换为激活状态也只需15ms的时间。工作中的设备接入信道的时延也仅为15ms，ZipBee网络通讯技术能够很好地满足那些对时延控制要求较高的无线控制应用。在设备功耗方面，因为ZipBee的传输速率相对较低，其数据发生功率只有1mw，同时在设计时还添加了设备的休眠模式，进一步降低了功耗，保证了ZipBee设备的节能省电，在使用过程中，只需要给设备装配两节5号电池就能保证6-24个月的稳定供电，避免经常更换电池带来的麻烦。

2 ZipBee的硬件及网络

ZipBee中包含两种类型的硬件设备，一种是精简功能型设备（RFD），另一种是全功能型设备（FFD）。与全功能型设备相比较精简功能型设备只具有一部分的功能，在全功能型设备之间以及全功能型设备与精简功能型设备之间可以相互通讯，但精简功能型设备之间则无法进行通讯。在ZipBee的技术标准中根据设备的不同功能和作用分别确定了三种不同类型的逻辑设备，它们分别是ZipBee协调器、ZipBee路由器以及ZipBee终端设备。在一般情况下，ZipBee协调器和路由器是由全功能型设备配置而成，而ZipBee终端设备大多数情况下是由精简功能型设备配置得到。在系统中建立与维护网络的任务由ZipBee协调器完成，一个网络中有且只有一个协调器，在ZipBee系统中充当中继节点角色的是路由器，它可以完成路径的优选及数据的转发工作，而处于系统末端的ZipBee终端设备其功能则相对单一，通常进行一些较为简单的数据发送与接收工作。

在实际运用中，根据工作的需要可以对ZipBee网络进行灵活的布置，例如可以构建成星型的网络结构亦可以构建成点对点式的网络结构。在星型布置的网络结构中，系统的全部设备都和PAN网路协调器中心设备进行通讯。采用这种类型的网络结构时，要对协调器采取持续的电力供应，系统的其他设备可以以电池来进行供电。相比于星型的网络结构，点对点式的网络结构只要保证设备相互间能够正常地接收无线信号即可，系统内的任意两个设备间都能够实现通讯，在点对点式的网络结构中同样要由协调器来对网络系统的信息进行综合处理，对系统设备进行认证等。

3 ZipBee无线传感器网络系统设计

在进行ZipBee无线传感器网络系统设计时需从硬件和软件两个方面来进行考虑。硬件设备为软件系统建立运用平台，而通过软件系统来指挥硬件执行相应的命令，二者协同工作发挥作用。

无线模块硬件系统主要是微处理器芯片与射频芯片等构建起来的，微处理器的类型较多，可以根据具体的应用来选择，如RISC处理器、ARM处理器等。对于一些较为小型的应用，采用LPC2106微处理器具有较大的优势，因为其功耗和尺寸都较小。以UART和SPI与SSP、I2C建立系统的通讯接口让其能够和SRAM共同发挥作用，从而让LPC2106微处理器更好地实现通讯网关与协议转换器和它本身所具有的强大的信息处理能力。射频芯片运用较多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司开发的芯片是采用的完全集成压控震荡技术，它的优点在于只要有无线发射天线、16MHz晶体这些最基本的电路系统就可以保证其在相应频段上稳定地工作。在CC2420射频芯片上预留了SPI接口来和微处理器进行连接，这个接口既用于系统设置，同时还用来传输信息数据。

在完成了硬件系统的建设后，需要在ZipBee无线传感器网络设备上配置适应的软件系统。它的软件系统包括嵌入式的操作系统、ZipBee协议栈以及其他的一些相关应用程序等。嵌人式操作系统内核能够对任务进行高效的调动、队列管理以及中断处理等操作，它还附带了硬件设备的全部驱动程序。相关的应用程序包括射频通信程序、串口通信程序以及信号质量监测程序等，在进行设计时通常采用模块化设计，这样做的好处是使程序系统的层次分明，具有良好的扩展性，同时对ZipBee技术进行二次开发也是有利的。程序设计时大致可以划分为三个部分包括协议栈、调度以及公共模块部分。协议栈模块的设计与ZipBee协议栈的结构分层相匹配，调度模块的主要作用是对不同的任务调用相应的协议栈模块，程序中设置的存储模块及计时模块能够给所有的协议栈模块释放公共的操作空间。另外也建立了共享的缓冲区域，它主要起到方便存储协议栈模块与调度模块进行数据信息交换的作用。

4 调试与测试工作

在完成了系统的建设后，要进行调试和测试工作以便检验设计的合理性，确保系统能够达到预期的效果，才能真正保证系统建设目标的实现。需要进行调试和测试的内容主要包括系统组网测试、网络通信速率测试、网络通信延迟测试以及通信距离的测试等。通过这些测试和调试来对系统的网络延迟、覆盖范围以及安全性等进行检测和修订，保证系统在投入使用后能够稳定地工作。

5 结束语

本文对ZipBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了分析研究，旨在寻找技术优良同时经济合理的无线传感器网络系统，ZipBee技术具有安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低等特点非常适合应用开发，随着技术的不断进步，在科技创新的浪潮中ZipBee技术必将取得更多的成就，更好地服务于无线传感器网络系统的建设。

参考文献：

[1] 钟艮林.ZipBee无线传感器网络的设计与实现[J].IT论坛，2009（31）：71.

[2] 于洪波.基于ZipBee的无线传感器网络节点的设计与实现[J].计算机光盘软件与应用，2012（16）：220-222.

篇5：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

基于测距的无线传感器网络的定位算法的研究

无线传感器网络作为一全新的信息获取和处理技术,在国防、工农业、环境监测等众多领域都有着重大的应用价值和科研价值.而节点定位信息在无线传感器网络中是一项必需的基础信息.针对基于测距的`定位算法进行研究,将算法分成三种情况进行讨论,并提出一种新的角度权值定位算法,仿真实验表明算法具有较高的定位精度.

作者：刘瑾 LIU Jin 作者单位：南京航空航天大学,金城学院,江苏,南京,210016刊名：航空计算技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：39(6)分类号：O242关键词：无线传感器网络角度权值定位算法

篇6：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

关键词：瓦斯监测,无线传感网络,煤矿安全,传感器

在我国, 瓦斯灾害一直严重威胁煤矿的安全生产。随着矿井开采规模的扩大和开采深度的增加, 煤矿瓦斯含量相应增大, 高瓦斯矿井不断增多, 加大了重特大瓦斯爆炸事故发生的概率。因此, 对瓦斯浓度进行实时监测意义重大。目前, 国内煤矿依照国家强制要求安装了瓦斯探测系统, 对煤矿瓦斯安全报警起到了一定的作用。但由于这些系统基于有线传输, 只能采用固定安装模式, 其伸缩性和可扩展能力较差, 即系统安装后不能随着掘进面的延伸而自动延伸到开采面部位, 当掘进面与前端瓦斯探测设备距离超出有效半径后, 会出现开采面这一关键监测点探测失灵的情况[1,2]。近年来的多起重大瓦斯爆炸事故充分暴露了现有系统的不足, 为此笔者提出了一种基于无线传感器网络的瓦斯监测系统的设计方案, 以解决上述问题。

1 系统组成及工作流程

基于无线传感器网络的瓦斯监测系统由井上主站、井下分站以及最末端的各个无线瓦斯传感器节点组成 (图1) 。系统工作流程:由无线传感器实时采集井下工作面的瓦斯浓度, 并通过射频模块将采集和计算所得数据传输至井下各个分站;井下分站主要负责还原搜集到的瓦斯浓度数据并传输至井上主站;由井上主站对浓度数据进行全面分析, 若结果达到或超过了系统设定的预警值, 立即将报警和调度信号反馈至井下, 保证工作人员迅速离开危险工作面, 从而确保煤矿实现安全生产。

2 系统硬件设计

该瓦斯监测系统的硬件主要包括4个部分:无线瓦斯浓度传感器、无线通信模块、单片机及系统电源。传感器节点的结构框架如图2所示。

(1) 无线瓦斯浓度传感器。

可燃气体的氧化燃烧特性为催化燃烧式气体传感器实现对可燃气体的浓度监测提供了依据。该系统瓦斯浓度传感器的气敏元件为LXK-6催化元件, 该元件对可燃气体的反应具有较高的广谱性, 当可燃气体的浓度保持在爆炸临界点以下范围, 尤其在临界爆炸浓度60%水平以下范围时, 其反馈信号一直呈良好线性关系, 且该元件只针对可燃气体反应, 不受其他任何外界环境特别是水蒸气的影响。所以, 即使在恶劣的工作环境条件下, 都可确保系统较高的稳定性。另外, 该传感器还具有结构简单、成本较低的特点[3]。

(2) 无线通信模块。

无线通信模块的主要功能为搜集、发送和交换各节点间的数据信息, 为系统中耗能最高的模块。所以, 选择无线射频首发芯片时, 应兼顾功效和能耗2个方面。经试验对比, 最终确定射频收发芯片的型号为nRF2401, 其工作于2.4～2.5 GHz ISM频段, 内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块, 并融合了增强型ShockBurst技术, 其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置, 具有低功耗、低辐射等诸多优点。另外, nRF2401内含Duo Ceiver TM技术, 可实现单个天线同时接收2个不同频道数据。该无线通信功能模块如图3所示。

(3) 单片机的选择。

系统选择PIC16F877A型单片机, 该单片机应用先进的哈佛结构, 可进行指令和数据同时提取, 以此提高系统的执行速度和效率。该单片机兼具引脚少、稳定性高和功能强大等诸多优点, 同时可实现A/D转换和I/O功能等。另外, 该单片机RAM容量很大, 支持多次烧录, 可将瓦斯浓度数据直接以数据的形式传输至井下分站。

(4) 电源模块。

电源模块为整个瓦斯监测系统所有传感器节点提供能量, 对整个系统的性能和能耗状况有直接影响。该系统选用的PAM2400型稳压芯片作为电源模块, 能耗非常低, 稳定电压参数为3.0 V或3.3 V, 对环境温度的适应范围也较宽, 为-40～125 ℃。

3 系统软件设计

(1) 传感器节点的通信。

无线传感器实时采集和计算井下工作面的瓦斯浓度, 并通过射频模块将采集和计算所得数据传输至井下各个分站, 以此进行调度信号的发送。软件设计时, 首先是传感器节点的初始化, 然后进行周期性瓦斯浓度数据的采集和计算工作, 每完成一个周期, 便将数据请求发送至系统, 在得到响应之后, 开始进行数据发送, 发送完毕后返回并接收行动指令[4]。传感器节点工作流程如图4所示。

(2) 监控软件。

系统的监控软件采用基于Netbean环境的Java语言进行设计, 主要内容包括数据的分析处理、图像的显示和编辑、报警临界值的设定以及数据的局域网共享等功能。

4 结语

传统瓦斯浓度监测系统不能随矿井掘进面的推进而保持对监测点的稳定探测。将无线传感器网络运用到煤矿瓦斯监测设计中, 实现了基于无线传感器网络的瓦斯监测系统, 对瓦斯浓度进行实时监测。解决了传统监测系统线路铺设复杂、成本高且难于维护的问题, 提高了监测数据的稳定性和可靠性, 值得在煤矿生产企业推广应用。

参考文献

[1]陈立万, 谢辉.一种新型无线瓦斯监测系统[J].煤矿安全, 20104, 1 (12) :76-78.

[2]杨豪, 王祥云, 黄战峰, 等.基于无线传感器网络的三维可视化矿井瓦斯监测系统研究[J].河南城建学院学报, 2011 (3) :51-54.

[3]戴吉, 丁恩杰.基于无线传感器网络的井下温度监测系统设计[J].传感器与微系统, 20092, 8 (4) :102-104.

篇7：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

关键词:无线防盗系统;单片机控制; 无线传感器

中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0087-01

智能化防盗技术经历了20多年的发展,成为现在的数字化、网络化、智能化。随着科技信息的发展,无线智能控制防盗系统是智能化小区建设必不可少的部分并为小区住户的安全提供可靠的保障。本课题采用无线网络与单片机控制技术,使用无线传输,无需重新进行布线,尤其适用于已装修和布线不便的场合。

一、本课题的主要研究内容

本系统运用无线传感器技术,使用双音多频的解编码技术,实现语音报警、主动拨号及电话控制,实现了家庭安防的无线网络控制;其核心处理器是用AT89C51单片机作为开发平台构建的。如果在家庭中使用此报警系统,可以有效的为人们的工作、生活学习解决后顾之忧,大大提高防盗的成功率。

利用多传感器采集技术,无线发送接收,将警情信息按照一定的模式进行分析并将判断结果以数据的形式传送出去的安保技术集成。实现功能主要有:

(1)电话自动拨号与语音报警;(2)无线遥控布防、撤防,密码可自行设定;(3)远程操作,异地监控;(4)无线发射接收;(5)报警拨号个数、顺序可自行设定;(6)短信报警通知用户。

二、硬件电路设计

本设计是以AT89C51单片机为核心来实现报警控制的。通过AT89C51单片机引脚实现DTMF收发电路和语音电路的控制。系统的硬件除了核心部件80C51外,主要由DTMF收发、射频发射、射频接收、语音、GSM网短信收发、传感器和键盘七个部分组成。

(一)DTMF收发电路设计

在本系统的远程通信设计中,要实现电话线远程通信,最关键的是对DTMF收发电路的设计,这一部分需要实现铃声识别、自动拨号、远程按键数字信号识别、忙音识别功能。所以,我们可选用MT8888双音多频(DTMF)收发器,使之与单片机、音频放大电路结合,来检测各种信号音和产生DTMF信号,并把产生的DTMF信号传送到电话线上。

(二)语音电路设计

本系统主要采用语音芯片实现语音的提示及报警功能。ISD1420芯片是一个集单片语音记录和回放于一体的芯片,记其录时长是20秒,可被分为160小段,每小段125毫秒[12]。当REC 脚是低电平时,录音;当PLAYE或者PLAYL是低电平时,放音。ISD1420芯片可以连续录音,也可以分段录音。

地址输入端A0~A7的有效值范围为00000000~10011111,这表示最多可将其划分为160个存贮单元,最多可录放160段语音信息。用A0~A7表示每段语音信息的起始地址,此起始地址又可直接反映录放的起始时间。其关系见公式:

TQ=0.125s×(128A7+64A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+0)

(三)编码与发射模块

此设计的编码芯片使用PT2262。PT2262特点:CMOS工艺制造,低功耗,外部元器件少,RC振荡电阻,工作电压范围宽:2.6-15v ,数据最多可达6位,地址码最多可达531441种。

(四)解码与信号接收模块

与PT2262相对应的解码芯片是PT2272。PT2272解码芯片收到信号以后,把信号中地址码经两次比较核对,如果核对正确VT引脚就会输出高电平,并输送到AT89C51 的INT1脚,可以触发中断处理程序,然后读取D0—D3脚的数据码,可以获取报警传感器的状态和报警类型。

(五)短信息收发模块

短信息业务是GSM网络的一项基本业务,已经被越来越多的系统运营商和系统开发商所重视。目前,常用的GSM模块有西门子的TC35系列、Wavecome的WMO2系列、中兴的ZXGM18系列、爱立信的DM10/DM20系列、Falcom的A2D系列等,各种模块的功能与用法差别很小。西门子TC35系列的模块性价比高,并且比较早的获得了国内无线电设备的入网许可证,因此本设计短信收发模块就选用的西门子TC35系列的TC35i模块。该模块提供了标准的AT指令接口,为短消息、语音和传真、数据的传输提供了快速、安全、可靠的渠道,方便用户的应用开发和设计。

(六)传感器的选用

在日常的家庭警情中,最常见的也是我们需要重点防范的就是不法分子的非法入侵,基于此实际情况,我们考虑使用红外传感器和无线门磁传感器。

(七)键盘、显示及外部存储电路

为了保证报警探测器的准确性,需为报警系统设置密码布防与撤防。本设计采用4行3列矩阵键盘,其中行线与P1.0—P1.3相连,列线与P1.4—P1.6相连。列线经10KΩ电阻接+5V电源拉高,共12个按键,分别设定为0—9,*、#等按键号码。其中“*”键用来表示系统要进行修改和查询,“﹟”键用来表示一次输入完毕。

三、软件设计实现

本系统程序设计主要使用模块化的程序设计思想,其中主程序是通过调用各子程序从而实现各部分功能的。进行软件设计的时候,需要先进行总体的设计,然后对各子功能模块进行设计,各子功能模块均被调试通过后,再根据总体设计的主函数流程,把各子功能模块组合起来,就构成了最终的应用程序。根据主函数流程要求、总体设计方案要求及各硬件电路的功能,把软件设计分为报警处理子程序、短信报警子程序、振铃检测子程序、用户设置子程序、远程控制子程序等。报警处理模块、短信报警模块、振铃检测模块都是作为外部计数器中断或外部中断的子程序来完成的。

此外,该系统结合电话网络和GSM移动通信网络,将警情用电话、短消息两种形式来实现报警,这样可以使报警更快速,更可靠。

参考文献:

[1]葛传力,宋伟.安全防范系统及其评估[J].安徽:安徽科技,2007(7):36-37.

[2]冯海燕.智能化安防技术的发展前景[J].安保技术与管理,2005(3):60-62.

篇8：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

关键词：环境监测,无线传感器网络,节点,低功耗,无人值守

0 引言

近年来, 虽然国家相关部门加强了对环境的监督保护力度, 但是仍有部分企业利用监管部门监督检查上的漏洞, 将大量有毒有害物质直接超标排放到周围的环境中, 使周围的人和环境受到极大的危害。传统的环境监测传感器通常采用有线方式供电和传输数据, 因此, 受线路铺设难、投资成本高以及人为破坏等因素影响, 无法实时获取受控环境信息。为此, 笔者提出了一种基于无线传感器网络的环境监测系统的设计方案, 该系统主要用于监测企业是否超标排放有毒有害物质。

无线传感器网络是一种由大量体积小、成本低的微型传感器节点以无线通信方式组成的自治网络系统。该网络系统以数据为中心, 以获取信息为目的。与传统的环境监测手段相比, 采用无线传感器网络进行环境监测具有3个显著优势[1]: (1) 无需布线, 网络仅需部署一次, 对监控环境人为影响小; (2) 节点密度大, 数据采集精度高; (3) 传感器节点具有一定的计算、存储能力, 可实现节点间协同监控, 非常适用于无人值守的远程监测。因此, 采用无线传感器网络来监测企业是否超标排放有毒有害物质的方法是可行的, 是环境监测系统未来发展的一个方向。

1 环境监测系统的体系构架

环境监测系统主要由无线传感器网络节点、网关节点、传输网络和监控终端4个部分构成, 系统体系结构如图1所示。

在需要监控的企业周围密集地部署大量的无线传感器节点, 以确保数据采集的精度和网络的可靠性。传感器节点负责采集监测区环境数据, 并以多跳的方式将采集的数据传输给Sink节点 (网关节点) 。Sink节点是网络内数据的汇聚节点, 其存储、计算能力较普通节点强, 且具有一定的数据融合能力。另外, Sink节点是用来连接无线传感器网络与传输网络或者是终端用户的设备, 因此可采用卫星链路、GPRS、无人飞机、WIFI等无线传输手段将数据传送给监控终端, 也可以采用有线方式直接将数据传送给终端用户。终端用户通过对回传数据进行汇总、分析, 从而作出决策[2,3]。

为了加强网络的健壮性和可靠性以及避免网络遭到人为有目的的破坏, 本监测系统以Sink节点为中心 (根节点) , 在受监控企业周围将网络布设成树形, 系统无线传输协议采用ZigBee协议, 节点间可以拓扑成星形、簇形或者网形。本设计中树形网络的所有枝节点、叶节点都采用网状拓扑结构。

2 节点硬件设计

传感器节点是无线传感器网络的基本单元, 节点的稳定运行是整个网络可靠的基本保证。传感器节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线传输单元和电源等4个部分组成。图2给出了以CO监测为例的传感器节点的硬件结构, 数据采集单元也可以根据监测需要采用其它种类的传感器。

数据采集单元用于感知、获取外界的信息, 并将其转换为数字信号。数据处理单元负责控制传感器工作以及对采集的数据进行必要的处理、执行高层网络协议和控制电源的工作模式等。无线收发单元主要实现传感器节点之间的无线通信。电源为传感器节点提供运行所需的能量, 通常由微型蓄电池提供。另外, 本文选用DS1305时钟芯片为系统提供具体时间信息和定时触发功能, 一方面使网络内所有节点同步工作, 另一方面也为网络终端用户提供确定时间依据。为保证节点长期可靠地工作, 设计中选用功耗低、稳定性强的芯片。

2.1 数据处理单元

传感器节点数据处理单元选用TI公司的超低功耗16 位混合信号处理器MSP430F149[4,5]。MSP430F149内置的温度传感器用于检测环境温度, 补偿校准CO数据。A/D转换器用于将CO传感器输出的模拟量转换为数字量。通过硬件乘法器, 实现对CO传感器A/D采样数据的高速数字滤波、线性插值和温度补偿等运算。MSP430F149具有1种工作模式和5种睡眠模式, 可以利用应用程序关闭MSP430F149中没有使用的模块, 并根据需要切换睡眠模式和工作模式, 从而大大降低系统功耗。MSP430F149的运行环境温度范围为-40～+85 ℃, 可以适应各种恶劣的环境。因此, 该芯片非常适用于低功耗无线传感器网络中的数据采集和数据处理。数据处理单元电路如图3所示。

2.2 数据采集单元

数据采集单元通常由传感器、放大滤波电路以及A/D转换电路等部分构成。本文设计的无线传感器网络主要用于监测企业是否超标排放有毒有害气体, 因此, 可以选用CO、SO2、NO2等气体传感器。本文以监测CO浓度为例介绍数据采集单元, 传感器选用CO/CF-1000型恒电位电化学气体传感器。该传感器具有输出信号线性、测量精度高、重复再现性优越、使用寿命长 (2～3 a) 、不受湿度影响、电池可驱动等特点。

CO/CF-1000传感器输出信号较弱, 易受外界干扰。为提高系统精度, 数据采集电路中采用了高精度、低噪、低温漂的集成运算放大器OP90, 用来驱动CO/CF-1000传感器工作、滤波, 并对采样信号进行多级放大。放大器输出与气体浓度对应的电压信号进入MSP430F149的A/D转换模块进行模数转换, 再经过数字滤波、线性插值、温度补偿等处理后, 得到CO浓度测量值。

2.3 无线收发单元

系统无线收发单元采用CC2420无线射频芯片[6]。CC2420是Chipcon公司推出的一款工作在ISM波段 (2.4 GHz) 、符合IEEE 802.15.4规范的RF射频芯片。该芯片性能稳定、功耗低、唤醒时间短 (<30 ms) ;采用CSMA-CA通道、状态检测等, 具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力, 确保通信的有效性和可靠性;最高数据传输率高达250 kbit/s, 可以实现多点对多点的快速组网。CC2420在硬件上集成了ZigBee协议的物理层 (PHY) 及媒体访问控制层 (MAC) , 简化了系统的开发;正常工作时需要的外部元器件极少, 与主控制器接口简单, 非常适用于低功耗的无线传感器网络。

MSP430F149通过SPI接口 (SI, SO, SCLK, CSn) 设置CC2420的工作模式, 并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等;FIFO和FIFOP管脚用于设置发射/接收缓存器;CCA管脚控制清除通道估计;SFD管脚控制时钟/定时信息的输入。具体硬件电路如图4所示。

2.4 系统电源

系统工作需要双路电源:一路采用1片MAX1615, 使其输出5 V电压, 为数据采集单元供电;另一路使用1片MAX1615, 使其输出3.3 V电压, 为MSP430F149和无线收发单元供电。经实际测量, 传感器节点在连续工作状态下, 数据采集单元与无线收发单元耗电量约占系统总耗电量的90%。因此, 设计中使用软件控制传感器节点定时采集环境数据, 采集结束后立即关闭传感器电源。当节点采样数据不超限或无数据转发任务时, 无线收发单元处于睡眠状态, 从而降低节点能耗, 延长节点和网络生命周期。

3 系统软件设计

传感器节点主要实现采集、处理和发送本节点数据、转发网络中其它节点数据以及和Sink节点通信等功能。本系统设计的无线传感器网络节点应用于无人值守环境监测, 采用电池供电, 因此, 软件设计时在考虑实现必要功能的同时, 还考虑了节能问题。系统软件采用模块化编程方式, 包括数据采集与处理程序、时钟控制程序、无线收发程序等。系统主程序流程如图5所示。

网络中的节点上电复位后, 发出校时请求, Sink节点或已校时节点收到请求后, 发送网络时间代码, 保证所有节点同步工作。由于传感器节点的电能、处理能力、存储空间以及通信带宽都十分有限, 因此系统设定节点每隔30 min采集一次环境数据。采集时间到, 传感器开始上电预热, CO 传感器需要有40 s的预热时间后才能采集数据。数据采集完毕立即关闭传感器的供电电源。CO传感器输出的模拟信号进入MSP430F149的ADC12进行模数转换, 再经数字滤波、线性插值、温度补偿等处理后, 得出CO浓度值。然后, 初始化CC2420, 判断本节点采集的数据是否超限, 若超限, 将采集数据与时间一起打包以多跳方式发送给Sink节点, 再经传输网络发送给终端用户, 否则不发送本节点数据。最后, 无线收发单元要检测是否有转发其它节点数据的任务, 如果有, 接收并转发其它节点数据;若没有, 当无线信道空闲下来, 立即关闭无线收发单元, 使节点进入睡眠状态, 减少能耗。直到下次采集数据时间到, 再开始新一轮的工作。

4 结语

本文提出了一种用于企业环境监测的无线传感器网络系统及其节点的设计方案, 该系统功耗低、运行稳定、精度高, 可实现对企业环境在无人值守下的远程实时监测。将无线传感器网络应用于企业周围环境监测上, 突破了传统企业环境监测的方法和思路, 提高了监测水平和可靠性, 并且该系统可移植性强, 通过改变传感器类型便可实现对不同环境的监测, 如森林火灾、精细农业等。因此, 无线传感器网络在环境监测领域的应用必将对加强环境监督保护起到重要作用。

参考文献

[1]李功.无线传感器网络在环境监测中的研究设计[D].杭州:浙江大学, 2006.

[2]谭龙.基于无线传感器网络的环境监测系统的设计[J].黑龙江环境通报, 2005, 29 (2) .

[3]何科奭, 马正华.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].环境监测管理与技术, 2009 (2) .

[4]胡大可.MSP430系列16位单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.

[5]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

篇9：基于无线传感器网络调光系统设计研究论文

关键词：ZigBee技术；节水灌溉；数据融合；无线传感器网络

中图分类号： S126；S274.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0513-06

收稿日期：2014-11-07

基金项目：陕西省西安市科技局项目[编号：CXY1343（6）]；陕西省西安市未央区科技局项目（编号：2012-03）。

作者简介：郭国法（1962—），男，山西陵川人，硕士，教授，研究方向为电气控制。E-mail：849738384@qq.com。

通信作者：许萌，硕士，研究方向为嵌入式物联网。E-mail：sine1991@foxmail.com。目前，我国绝大多数地区的农业依旧处于粗犷型经营管理方式之下，科技含量和自动化程度普遍偏低，这不仅大大地制约了我国农业的可持续发展，而且造成了各种资源的极大浪费。就农业灌溉而言，我国普遍采用落后的大水漫灌方式，加上灌溉设施的老化、损毁和缺乏科学的灌溉量化指标，致使相当一部分的灌溉用水在灌溉过程中损耗[1]。研究表明，我国灌溉用水的有效利用率仅为40%左右，远低于发达国家70%～80%的水平。这种高消耗、低效率的灌溉方式已成为制约我国农业健康发展的瓶颈之一[2]。

1系统总体设计方案

针对当前现状，本研究设计了1种基于ZigBee无线传感器网络的智能节水灌溉系统，该系统主要由田间数据采集终端、ZigBee无线传感器网络、上位机系统、灌溉执行机构以及远程控制终端（可选）组成（图1）。其中，上位机系统通过ZigBee无线传感器网络获取田间数据采集终端所监测到的土壤墒情信息，并结合不同的作物种类以及作物生长阶段，分析和制订出不同的灌溉方案，达到合理调配水源、提高水源利用率的目的。上位机系统可以通过与Internet之间的联通，实现远程终端对系统的控制，用户可使用远程计算机或手持设备（智能手机、掌上电脑等）通过Internet方便地操控系统[1-2]，提升了系统使用的灵活性和便利性。同时，在土壤墒情数据的采集过程中引入数据融合技术，可以显著增强和提升系统在野外恶劣工况下对噪声的抵御能力和监测精度，使得系统具有较高的推广和实用价值。

2硬件系统设计

2.1ZigBee网络拓扑结构的设计

ZigBee网络拓扑结构可分为以下3种类型：星型（Star）网络、网型（Mesh）网络、树簇型（Cluster Tree）网络。其中网型网络的各路由节点之间彼此建立对等连接，终端节点的信息可通过多条不同的路由到达协调器（图2）。该拓扑结构不仅可以有效地均衡网络负载，而且具有较强的网络自愈能力，即使某个路由器发生故障，数据也可通过其他路由器送达目的地。此外，网形网络组网方便、适应性强，能够自动感测网络拓扑变化并调整通信路由以获取最有效的传输路径，且整个过程无需人工干预。最后，得益于网络中众多的路由节点，终端节点可以用较低的功率将数据发送到邻近路由节点，从而降低了节点之间的干扰，提高了信道的质量和利用率。综上，网型网络拓扑是较为理想的选择。

2.2无线收发芯片的选型

系统采用Chipcon公司生产的CC2530无线收发芯片。该芯片是一颗专为2.4 GHz IEEE802.15.4以及ZigBee应用而设计的片上系统（SoC）解决方案。基于该芯片，可以用比较低廉的成本搭建起各类型的网络节点，只需极少的外围元件便可确保短距离通信的有效性和可靠性。因此，系统中的终端、路由和协调器节点的硬件架构均基于CC2530芯片进行设计。CC2530集优越的RF收发性能、工业标准增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8 kB RAM等优秀特性于一体，并兼具多种工作模式，使其尤为适合对功耗有着苛刻要求的系统。芯片传输数据率最高可达250 kb/s，可以满足系统对数据率的要求。且使用该芯片组成的设备具有体积小、功耗低，组网灵活、抗毁坏性强等优点，能够较好地适应野外复杂多变的工作环境。

2.3数据采集终端节点的设计

在ZigBee无线网络中，通常有全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）2种类型的设备。由于数据采集终端只进行数据采集和处理，无需承担额外的路由转发任务，因此可将数据采集终端节点设置为RFD类型，以降低设备成本和功耗。

终端节点的原理是外部晶振为CC2530芯片的工作提供基准时钟频率，射频天线与CC2530之间的LC网络则用于阻抗匹配[3]，传感器与CC2530相连接，并由CC2530完成A/D转换（图3）。由于终端节点在空闲时间可以进入深度睡眠状态（PM3模式），仅在工作时由外部定时器产生中断将其唤醒至正常工作状态（PM0模式），因此功耗极低，仅靠2节串联的5号1.5 V干电池即可维持设备正常工作至少半年以上。

2.4路由节点的设计

由于路由节点负责众多终端节点的数据转发、路由的维持和发现，因此路由节点的工作负荷较重，应优先考虑设备性能而非设备功耗，故将路由节点设置为FFD设备类型，其硬件架构与图3所示的数据采集终端基本一致，只是去除传感器和外部定时器部分并改变芯片供电方式。由于优先考虑设备性能，因此路由节点采用较为稳定的太阳能电池板加蓄电池的供电方式：当日间阳光较强时，通过太阳能电池对设备供电，同时将多余电能存储到蓄电池；当光线不足时，则使用蓄电池供电[1-3-4]。为防止过度充电对蓄电池带来的损害，系统采用CN3063充电管理芯片对充电过程进行管控（图4）。此外，针对某些路由节点距离协调器节点较远这一实际情况，

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在这些路由节点上额外配备了CC2592射频前端（RF Front）芯片以扩展通信范围（图5）。

2.5协调器节点的设计

在1个ZigBee网络中，至少存在1个FFD设备充当整个网络的协调器。协调器通常负责开始（建立）1个网络，当网络建立完成之后，协调器一般会作为一个普通的路由节点而

继续存在于网络中。因此，协调器节点的硬件设计与路由节点的硬件设计基本一致，其主要不同之处在于协调器负责将来自于各终端设备的数据通过RS-232串行口传送至上位机[5]。考虑到RS-232接口与CC2530所使用的逻辑电平之间并不兼容，故需进行必要的电平转换，本系统采用MAXIM公司生产的MAX232作为电平转换芯片（图6）。

3系统软件设计

系统采用IAR Workbench 7.0进行ZigBee无线传感器网络中各类型节点的软件部分设计。由于各节点之间的通讯遵循TI公司推出的Z-Stack 2007通讯协议栈，故所有节点软件均在Z-Stack 2007所提供的SampleApp程序框架之下进行设计，以降低开发难度、缩短开发周期。

3.1数据采集终端程序设计

数据采集终端完成初始化设置之后，随即加入到ZigBee无线传感器网络并执行定时采集和发送土壤墒情信息的任务。当数据采集终端对土壤墒情数据进行采集并向父级路由节点发送完成之后，即可进入休眠模式（PM3）以节省电池电力（图7）。待下一采样时刻来临时，通过来自于定时器的外部中断信号将节点从休眠模式中唤醒至正常工作状态（PM0），执行新一轮的采集和发送任务[6]。

3.2路由节点程序设计

路由节点通过多跳路由将来自于各个终端节点的数据转发至协调器，对于来自于其他路由节点的数据，还应视情况进行转发或广播。此外，路由节点还担负着路由的发现和维持任务，因此路由节点的功能相对复杂。在系统所使用的ZigBee无线网络中，存在多个路由节点，这些路由节点之间通过路由表和路由发现功能构成了一个具有相当稳定性和较强自愈能力的无线网络，从而保证了系统的稳定性（图8）。

3.3协调器节点程序设计

在ZigBee网络的建立过程中，协调器在完成自身必要的硬件初始化工作以后，随即初始化通讯协议栈并检视当前无线电环境，然后选择一个可用的信道（Channel）和网络标识（PAN ID）并开始这个网络，1个ZigBee网络中通常只允许有1个协调器（图9）。在网络建立完成之后，协调器将会以路由节点的身份继续工作，所有终端节点的数据都在协调器节点汇聚，并通过RS-232串口发送至上位机[4]。

3.4上位机程序设计

上位机系统是整个节水灌溉系统的控制、决策和管理中心。通过模式切换指令，上位机可以在自动和人工2种模式之间自由切换。在自动模式下，上位机系统通过数据库程序和数据分析程序，对终端节点回传的数据进行各种处理：包括对灌溉执行机构的指令控制[7]、节点数据的融合、存储及分析等（图10）。通过信息反馈程序将土壤墒情数据、系统工况等信息以图表的形式直观地显示出来，方便用户查看[8]。在人工模式下，用户可以通过本地或远程的方式登录到系统并对系统的运行状况进行监视和干预，例如查看当前系统工况，通过数据库查询作物生长的历史数据等（图10）。登录控制程序负责用户鉴权，防止系统的关键参数设置遭受到来自管理员以外的人恶意修改。

4数据融合算法设计

通常在一段时间内，某一区域内土壤的温度或湿度会处于相对恒定的状态，但由于户外复杂的工作环境和传感器制造过程中存在的工艺分散性，使得各传感器之间的性能有所差异，导致多个数据采集终端在对同一区域的土壤墒情数据采集过程中，往往获得多个不同的测量值。由于这些测量值之间的冗余、矛盾和不确定性，使系统难以获得对被测对象较为一致的描述，也给灌溉系统决策和规划的正确性造成不利影响。为了减弱这种影响，本系统采用传感器权值自适应融合算法，在不增加系统成本的前提下，通过计算机程序对同一被测区域内的多个终端节点测量数据进行融合，以提升系统的可靠性和精确度[9]。这种算法的优势在于：无需任何与传感器有关的先验知识，仅依靠各传感器测量方差的变化，动态地调整各传感器的权值，使得融合结果的整体均方误差总是保持最小，避免了因先验知识不准确而出现的融合精度降低甚至算法发散现象，而且较常规的算术平均值融合算法而言，该算法具有更高的融合精度。

4.1传感器权值自适应融合算法原理

假设用N个传感器同时测量某一真值为Y的被测对象，设每个传感器的测量值分别为Yj （j=1，2，…，N）（图11）。

综上所述，传感器权值自适应权值融合算法的计算机软件实现可依照图12所示的流程进行。

4.3算法仿真与分析

以测量土壤湿度为例，设有3个湿度传感器同时测量某一区域的土壤湿度，设该区域的土壤湿度真值为23%相对湿度（在某一时段内可认为恒定），在此真值的基础上分别加入均值为0，方差为0.1、0.3、0.5的高斯白噪声序列，用来模拟

3个具有不同测量精度的传感器的测量数据。利用计算机仿真100次融合过程，同时分析融合过程中传感器权值随传感器方差的变化情况和融合输出的结果。

传感器的测量方差越大，其对应的传感器权值就越小，从而有效地避免了误差较大的传感器对融合精确度所造成的不利影响。并且在融合过程中，传感器权值紧随方差的变化而变化，充分体现了“传感器权值自适应于传感器测量方差”的算法特点（图13至图14）。因此，算法的融合精确度非常明显地优于常规的平均值融合算法，也使得系统对噪声的容限能力显著增强（图15）。

5结论

本研究基于ZigBee无线传感器网络设计了1套智能节水灌溉系统，充分利用了ZigBee设备组网方便灵活、低能耗、低成本、高可靠性的优点，使系统在一定灌溉范围内具有较好的伸缩性，能够满足不同种植规模的灌溉需求。同时结合现代数据融合技术，提升了系统的容错性、决策和规划的合理

性。仿真结果表明，使用传感器权值自适应数据融合算法能够使系统获得更接近于真值的数据，在提升系统精确度的同时，降低了对噪声的敏感度。系统整体设计符合现代农业智能化、精细化、数字化的发展趋势，具有一定的推广前景和应用价值。

参考文献：

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[2]赵晓顺，桑永英，于华丽. 无线传输及太阳能技术在农田喷灌系统中的应用[J]. 农机化研究，2011（12）：172-174，178.

[3]陈思琦，张清波，隋斌雁，等. 基于ZigBee农田自动灌溉信号采集及数据传输系统[J]. 上海工程技术大学学报，2013（12）：370-371.

[4]刘俊岩，张海辉，胡瑾，等. 基于ZigBee的温室自动灌溉系统设计与实现[J]. 农机化研究，2012，34（1）：111-114，118.

[5]刘江沙，雷伟，尹酉. 基于CC2430 的串口无线模块的设计[J]. 国外电子元器件，2007（4）：47-48.

[6]贾科进，王文贞，杜太行，等. 基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统[J]. 节水灌溉，2014（3）：69-71，74.

[7]方旭杰，周益明，程文亮，等. 基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统的研制[J]. 农机化研究，2009（1）：114-118.

[8]赵震奇. 智能灌溉系统上位机软件的设计与实现[J]. 计算机时代，2012（12）：63.