磕头机运行参数检测的无线传感器网络研究毕业论文

《磕头机运行参数检测的无线传感器网络研究毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磕头机运行参数检测的无线传感器网络研究毕业论文（47页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、磕头机运行参数检测的无线传感器网络研究摘要磕头机是石油开采的主要设备，由于磕头机特殊工况的要求，研制能对磕头机运行参数进行记录的装置对提高磕头机的工作效率有非常重要的意义。另一方面，油田工作环境恶劣，怎样把磕头机运行的相关数据传送到中心控制室一直是个难题。无线传感器网络(WSN)技术是一种新型的网络通信技术。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，能够实时感知、采集、传输和处理网络监控区域内各种环境或监测对象的信息，具有成本低、功耗小、机动性好、易实现的特点。在工业、环境、太空、智能家居、军事等众多领域具有巨大的应用价值。系统由基于Zi

2、gBee协议的磕头机无线监测网络和基于GPRS网络的远程数据中心两部分组成。无线监测网络主要由现场采集节点、路由节点和网关节点组成。现场采集节点根据需要灵活放置在磕头机上，实时获取磕头机的电流、电压等参数。路由节点将单个油井的监测数据进行整理，并通过ZigBee无线网络将数据以帧的形式传送至网关节点。网关节点作为协调器与各路由节点进行动态组网构建Mesh网络，在传输过程中监测的数据可能被多个路由节点处理,经过多跳后汇集到网关节点,再由网关节点传送至GPRS网络，最终将数据传送到远程的控制中心。远程数据中心通过GPRS模块获取数据，通过RS-232接口上传至监控中心PC机。主控室对数据进行分析和

3、处理后再将反馈信息传送回现场,从而实现了监控的信息化、自动化与实时性。关键词 磕头机；参数监测；无线传感器网络；ZigBee Research on monitoring system of pumping unit based on wireless sensor networks AbstractThe pumping unit is the primary oil production facilities, for the special request of the pumping unit in working conditions, it has a very important

4、 significance to develop a system that can record the parameters monitoring of the pumping unit. On the other hand, the working environment of oil field is hard, so how to give the relevant running data of the pumping unit to central control room is a problem all along. WSN (Wireless sensor networks

5、) are a new kind of network technology for communication. It integrates many technologies，for example，sensor technology embedded computer technology, communication technology, distributed information processing technology，micro-electronic manufacture technology and software programming technology. I

6、t can monitor，transfer and process the real-time information of the object and environment in the area covered by the network .Wireless sensor network has the characteristics of low cost，low power and high mobility，and it is easy to implement. So it can be applied in many area such as industry，envir

7、onment，aerospace，intelligent house，military and so on.The system is composed of two parts: One is the wireless sensor monitoring network that based on ZigBee agreement .The other is the remote data center network that based on GPRS. Wireless sensor monitoring network is composed of the acquisition n

8、odes, routing nodes and gateway nodes. Site acquisition nodes need to be flexible placed in the pumping unit according to the request. It get the real-time data about voltage, current and other parameters. Routing nodes collated the monitoring data of every single oil well and sent the data in the f

9、orm of frames to the gateway node ZigBee through the wireless sensor network. As a coordinator，gateway node build mesh network with the dynamic routing network node. The monitoring data may be dealt with by many routing nodes and then sent from gateway node to GPRS network after pool to the gateway

10、node in the form of multi-hop, finally the data will be sent to the remote control center. Remote control center access the data through GPRS network and then give the data to PC through the RS-232 . Master control room sent the feedback information to the scene after analyzing and processing, so th

11、e system achieve the goal of information, automation and real-time. Keywords Pumping Unit; Parameter Monitoring; Wireless Sensor Network; ZigBee不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 论文研究内容4第2章 无线传感器网络理论62.1 无线传感器网络的组成及其架构62.1.1 无线传感器网络的架构62.

12、1.2 无线传感器网络的采集节点架构72.1.3 无线传感器网络网关节点构架72.2 Zigbee协议分析82.2.1 无线传感器网络的数据传输机制102.2.2 无线传感器网络路由协议的研究112.3 IEEE802.15.4标准122.4 本章小结12第3章 无线传感器网络组网的硬件设计133.1 无线传感器网络采集节点的硬件设计133.1.1 数据采集模块133.1.2 数据处理模块的设计153.1.3 控制器电路设计163.2 无线传感器网络网关节点的硬件设计173.2.1 控制器173.2.2 实时时钟电路173.2.3 存储电路183.2.4 系统显示模块193.2.5 键盘接口单

13、元203.2.6 GPRS传输模块芯片213.2.7 串行通讯接口213.2.8 系统的监控系统223.3 本章小结22第4章 无线传感器网络软件设计234.1 采集节点软件设计234.1.1 设计思想234.1.2 传感器网络协议244.2 网关节点软件设计254.2.1 系统初始化264.2.2 任务设计264.2.3 定时器设置294.2.4 临界资源保护304.3 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录A35附录B40千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1

14、章 绪论1.1 课题背景磕头机是石油开采中的重要设备之一，它工作的是否正常决定着整个油井是否可以安全的开采出石油。这就需要准确而又及时的对设备运行的各项数据进行采集，然后结合有关的资料来对数据进行分析，从而判断设备是否正常运行。如果得到的检测数据不能及时的传递给主控PC机，势必将影响设备监控与数据采集的实时性，甚至是准确性1。无线传感器网络(WSN)技术是一种新型的网络通信技术。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，能够实时感知、采集、传输和处理网络监控区域内各种环境或监测对象的信息，具有成本低、功耗小、机动性好、易实现的特点，在工业

15、、环境、太空、智能家居、军事等众多领域具有巨大的应用价值。对磕头机运行参数的检测，呈现出数据量少、电源供应不方便、需要监控的设施呈簇型分布，是一种有典型意义的监控网络。它的这种特点非常适于ZigBee技术，ZigBee是近年来出现的面向低成本设备无线联网要求的技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它主要应用于近距离的无线连接，将ZigBee应用于该网络中的同时又可以进一步了解使用ZigBee时需要注意的问题。因此，将ZigBee技术应用于该检测系中，并采用合适的设计方案，对保证石油正常的开采具有极其重要的意义。本文讨论的系统基于下述观点，即目前的以计算机

16、、ZigBee模块、GPRS模块为基础的磕头机运行参数检测系统可大大提高油田生产效率，降低综合成本，实现油田生产、管理的自动化、信息化。为了达到这个目标，必须开发一个可靠的以微型计算机技术、现代通信技术为基础的检测和操作系统。通过建立磕头机生产无线实时检测系统，实现磕头机数据的实时传送和信息网络的无缝链接，逐步形成油田生产管理与监控一体化的信息网络。磕头机大量分布在野外或海上维护管理费时费力。有了对其运行参数进行远程监控的系统之后，对于及时准确地掌握生产状况，防止设备损坏，强化内部管理，降低成本，提高效益都有重要意义。1.2 国内外研究现状现代意义上的无线传感器网络研究开始于20世纪90年代末

17、，从2000年起国际上开始出现无线传感器网络研究成果的报道，从2003年起，始见国内研究成果公开发表，由于无线传感器网络技术在民用领域的广阔应用前景，以及在国防和安全等特殊领域应用的独到的技术优势，引起了世界许多国家学术界、工业界和军事部门的极大关注。1.2.1 国外研究现状无线传感器网络作为一种全新的网络技术，与传统的互联网差别很大，甚至网络体系结构都将截然不同，因此无线传感器网络研究可继承的资源也就十分有限，研制网络节点，搭建一定规模的实验平台自然成了无线传感器网络研究初期的一个主要任务。到目前为止，根据时间先后和技术特点，无线传感器网络的研究大致可分为五代。第一代(1996-1999年)

18、：代表性的有加州大学洛杉矶分校的WINS，加州大学伯克利分校UCB(University of California, Berkeley)的SmartDust、WeC和Rene。WINS主要是展示CIMS(CMOS Integrated Mocro Systems)技术在设计微型化低功耗无线传感器构成组件时的优势，没有特别强调无线通信技术及组网技术。SmartDust是MEMS技术在微型化WSN节点方面的一次有效尝试，节点最终的物理尺寸只有近8mm 。虽然还小不到像尘埃一样能悬浮于空中，但至少证明了MEMS技术在微型化设备方面的潜力，这是WSN研究一个非常重要的领域。为方便开展信息领域的研究，

19、D.Culler领导的研究小组设计了称为WeC和Rene的节点试验平台，它们是Mote系列的雏形。其主要的差别在于后者有较灵活的扩展性，用户可以通过较丰富的数/模通道和总线支持不同种类的传感器；而前者是一个相对独立的系统，仅集成了温度、光强度等有限的传感器电路，扩展能力有限，且不支持通用标准接口。第二代(2000-2001年)：这一时期WSN的研究开始受到越来越多研究者的关注，相继出现了多种试验平台，典型的有加州大学伯克利分校的Mica与Dot，麻省理工学院的uAMPS-I和uAMPS-。它们为WSN研究提供了通用的试验平台，被用在不同资助机构的研究项目进行原理性验证和算法测试评估。Mica与

20、Dot分别是WeC和Rene的升级，与后者比，Mica与Dot提供了更丰富的传感器接口和内存资源，以及灵活的射频无线接口，用户可以通过设计调度策略休眠或唤醒射频电路来节省功耗，并成功应用在军事领域的目标跟踪中。uAMPS-I特点是采用了支持分级电压的处理器和自适应调节发送功率的技术来节省能耗。uAMPS-则提高了集成度，在FPGA验证设计的基础上，定制了两片ASIC来处理射频通信。另外，uAMPS 计划的研究还导致了传感器网络通信协议的发展，该协议叫做低功耗自适应簇树(LEACH)协议。该协议的特点是采用了节点分簇算法，该算法将高功耗簇头功能随机分配到网络中的多个节点，延长了网络的生命周期2。

21、第三代(2002-2003年)：随着研究的深入，人们认识到对于特殊环境中自组织WSN的应用，降低能耗，尽可能的延长网络生命周期是一个非常关键的问题。其间产生了两款代表性的试验平台：Mica2和Mica Dot2，以及NASA JPL实验室的Sensor Web。Sensor Web最初被定位于进行火星的长时间观测，在可再生能源技术不成熟的条件下，面对这样的应用，只能竭力寻找低功耗的节点设计方案。目前，Sensor Web已被应用在多个项目中进行实际测试。Mica2和Mica Dot2属于UCB的Mote系列，它修正了Mica的一些技术缺陷，如Mica的通信距离太短，而且容易受噪声干扰，不可靠，

22、I/O接口也不稳定。同时，低功耗也是Mica2优化的目标之一。为此，Mica2选配了新的微处理器和射频芯片。虽然Mica2依旧存在不少缺陷，如唤醒时间过长等，但它基本上已成为目前WSN研究的主流试验平台。第四代(2004年初-2004年底)：Chipcon率先发布了支持ZigBee的射频芯片，这成为无线传感器网络节点研发的又一个分水岭。随后的研究开始重点关注新无线通信技术与标准在无线传感器网络节点设计中的应用。到目前为止，已经相继出现了一系列第四代节点，典型的有Telos、Imote和Imote2。表1-1总结比较了第四代节点平台的各项设计参数。Telos是UCB Mote系列的第四代节点，设

23、计上的改进很大，除了支持ZigBee，Telos还采用了USB接口，省去了对开发板的依赖，方便开发和利用。通过选用新的微处理器减少了休眠工作电流和系统唤醒时间，能耗显著降低，Telos的功耗大约是Mica2的十分之一。Imote和Imote2是Intel公司研制的WSN试验节点。第五代（2005年初-至今）：Sun公司推出了一种新型的无线传感网络设备Sun SPOT，它采用了32位的高效能处理器ARM 920T、支持ZigBee的CC2420无线通讯芯片和创新的Squawk Java虚拟机。它为全世界营造了一个能够迎合未来小型传感设备实践和开发的软件和硬件研究平台，它还为学校在教学科研等诸多方

24、面提供了很宽广的教学平台和研发契机。采用Sun SPOT，用户可以利用Java语言很方便的搭建出复杂的无线传感网络，并且还有大量的API将底层硬件抽象出来，可以很方便的对硬件进行控制。同时，它采用锂电池供电，最大休眠时间可长达909天。Crossbow公司也推出了新一代的无线传感节电设备Iris，它具有最长可达500米的超远距离通信功能和双倍于Mica系列产品的存储空间。近两年，随着无线传感器网络在环境监测、材料与结构的健康监测、野外生物监测等领域的广泛应用，无线传感器作为无线传感器网络最基本的组成部分，其体积微小，自身携带的电池能量有限，不能满足长期工作需要。在实际应用中，无线传感器网络具有

25、节点数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点，对于人员不能直接到达的某些区域(如人体内、战场、动物群体、材料内部等)，很难通过更换电池的方式获取能量。因此，收集自然环境中的能量并转换为电能，实现传感器的自供能成为目前的研究热点之一。Robert Xia 等人研制的微压电发电机通过采集水管的振动机械能为传感器供电，实现对环境温度的监测，Daniel Guyomar等人研究的压电发电装置通过采集环境中任意形式的振动能量为传感器供电，实现对材料与结构健康的监测。1.2.2 国内研究现状我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域

26、方向研究的“信息自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了重大研究项目，初步建立了无线传感器网络系统的研究平台，在无线传感器网络通信技术、微型传感器、移动基站和应用系统等方面取得了很大进展3。2004年中国科学技术大学针对无线传感器网络节点定位问题进行了研究，提出了一种新的节点定位算法4。该算法不需要任何额外的硬件支持，节点间的通信开销少，其对节点单跳距离的计算有利于解决节点的故障问题，提高节点的探测性能。2006年11月，中科院上海微系统与信息技术研究

27、所研制成功国内首枚无线传感器网络核心协议芯片，为我国自主知识产权无线传感器网络的广泛应用打下基础5。表1-1 节点平台的各项参数比较平台Mica2MicazTelosImoteImote2CPU(bit)88163232RAM(KB)441064256Flash(KB)128128102451232000无线通信300-900MHzZigbeeZigbeeBTZigbee/BT/WiFi带宽(kb/s)15250250720250/720/11000接收/发送功耗(mA)10/2720/1820/1824/2420/18休眠功耗(A)19276250100安全AES-128AES-1284LF

28、SR-1282008年1月，中科院在Dome-A地区成功安装上了由中科院遥感应用研究所研发的无线传感器网络极端环境无人无线智能冰雪观测系统6。该系统能够在南极冰覆盖最高点地区的极端环境下长时间工作，采集到的数据通过曲线通讯系统发送至中央基站，中央基站通过卫星通讯系统将打包后的数据传送至北京。经过长期研究与攻关，我国在无线智能传感器网络通信、微型传感器、传感器节点、簇和应用系统等关键传感技术研制上取得了重大进展。重点开发多种信息处理技术，发展低功耗低成本的无线传感器网络和实时信息处理系统，提供更方便、功能更强大的信息服务平台和环境，对于今后相关产业的发展意义深远。 1.3 论文研究内容本系统设计

29、的主要目标是及时获得整个采油场内各磕头机的工作参数(包括电压，电流等)，对数据进行科学的分析，及时发现隐患。系统由基于ZigBee协议的油井无线监测网络和基于GPRS网络的远程数据中心两部分组成。该检测系统总体结构如图1-2所示。无线监测网络主要由现场采集节点、路由节点和网关节点组成。现场采集节点根据需要灵活放置在磕头机设备上，实时获取磕头机的电压，电流等参数。图1-2 磕头机检测系统总体框图路由节点将单个油井的监测数据进行整理，并通过ZigBee无线网络将数据以帧的形式传送至网关节点。网关节点作为协调器于各路由节点进行动态组网构建Mesh网络，在传输过程中监测的数据可能被多个路由节点处理，经

30、过多跳后汇集到网关节点，再由网关节点传送至GPRS网络，最终将数据传送到远程的控制中心。远程数据中心通过GPRS模块获取数据，通过RS-232接口上传至监控中心PC机。主控室对数据进行分析和处理后再反馈信息送回现场，实现了监控的信息化、自动化与实时性。第2章 无线传感器网络理论2.1 无线传感器网络的组成及其架构无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连系统，该系统可以完成各种监测任务。这里的传感器并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它将传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上

31、，功能比传统的传感器要强好多，不仅能对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。2.1.1 无线传感器网络的架构无线传感器网络的系统架构如图2-1所示，通常包括采集节点、网关节点和管理节点。图2-1 无线传感器网络构架图在图2-1中，现场采集节点根据需要灵活放置在磕头机设备上，实时获取磕头机的电压，电流等参数，并将单个油井的监测数据进行整理，并通过ZigBee无线网络将数据以帧的形式传送至网关节点。网关节点作为协调器于各路由节点进行动态组网构建Mesh网络，在传输过程中监测的数据可能被多个路由节点处理，经过多跳后汇集到网关节点，再由网关节点传送至GPRS网络，最终将数据传送到远程的管

32、理节点。采集节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也很有限，通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证采集到的数据信息能够通过多跳送到网关节点，节点的分布要相当密集。从网络功能上看，每个采集节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其它节点协作完成一些特定任务。网关节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个

33、带有无线通信接口的特殊网关设备。网关节点通过GPRS模块，把收集到的数据信息转发到管理节点上7。2.1.2 无线传感器网络的采集节点架构采集节点由数据采集、数据处理、无线收发单元和电池单元等几部分组成，如图2-2所示。数据采集部分用于采集磕头机的电压和电流信息，本系统采用的是电压/电流互感器。数据处理部分用于将其所采集到的信息转换为数字信号，它由A/D转换模块，整流滤波电路组成。无线收发单元负责采集节点与网关节点间的数据传送。电池单元通常采用微型电池。图2-2 采集节点构架图由于传感器采集节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面，要尽量采用低

34、功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源;在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。2.1.3 无线传感器网络网关节点构架网关节点是本系统的核心设备，实现功能复杂。网关节点作为协调器与各路由节点进行动态组网构建Mesh网络，在传输过程中监测的数据可能被多个路由节点处理,经过多跳后汇集到网关节点,再由网关节点传送至GPRS网络，最终将数据传送到远程的控制中心。无线收发模块负责组织和管理无线传感器网络；LCD实时显示数据采集节点上传的电压和电流参数和系统当前时间；键盘接口与LCD配合实现人机交互。通过大容量闪存实现历史数据的

35、海量存储备份，保证掉电情况下数据也不会丢失，以备查询；实时时钟用于提供系统运行时间参考；GPRS模块实现数据从网关节点到控制中心的传送。整个系统如图2-3所示。图2-3 网关节点构架图2.2 Zigbee协议分析无线传感器网络首先考虑的是能量高效性，尽可能地延长网络生命周期。高能效的通信机制主要包括路由协议、MAC(Media Access Control)协议等。MAC层用于建立可靠的点对点或点到多点通信链路，能量消耗主要表现在空闲监听、接收不必要数据和碰撞重传等。基于CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access Mechanism with Collision

36、 Avoidance)的随机访问机制的ZigBee协议适合无线传感器网络的节能要求，为了减少能量消耗，它采用“侦听/休眠”交替的无线信道访问机制，当节点目前没有传感任务且不需要为其它节点转发数据时，关闭节点的无线通信模块、传感器模块，甚至是计算模块以节省能量ZigBee标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。ZigBee网络设备分为两类：全功能设备(FFD, Full Functional Device)和精简功能设备(RFD, Reduced Functional Device)。FFD支持所有的网络功能，是网络的核心部分；RFD只支持必

37、要的网络功能。在整个网络中，有一个FFD充当网络的协调器，除直接参与应用外，还需要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务8。根据应用的需要LRWPAN可以工作于两种拓扑结构:星型网络拓扑和点对点网络拓扑结构。在星型网络中，整个网络的形成以及数据的传输由中心的网络协调器集中控制，各个终端设备(FFD或RFD)直接与网络协调器进行关联和数据传输。网络协调器首先负责为整个网络选择一个可用的通信信道和唯一的标识符，然后允许其它设备通过扫描、关联等一系列步骤加入到自己的网络中，并为这些设备转发数据。点到点网络中也存在一个网络协调器，但与星型网络不同的是，网络中的所有设备可以和在信号辐射范围

38、内的所有其它设备通信，这就使得点到点网络拓扑可以形成更为复杂的网络形式。点到点网络一般是自组织和自修复的形式，它还可以以多跳路由方式实现数据的传输。图2-4 星型网络拓扑结构图2-5 点对点网络拓扑结构图其中星型网络一般应用在家居自动化、个人计算机的外围设备、玩具以及个人健康护理等领域。如图2-4所示。而点对点网络一般是自组织和自修复的形式，它还可以以多跳路由方式实现数据的传输，因此更适合工业控制及监测、无线传感器网络、货物存储及跟踪、智能农业及安全相关方面的应用。如图2-5所示。ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上，IEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY

39、, Physical Layer)和媒体访问控制层(MAC)，PHY和MAC层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准；ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK, Network Layer)、应用层(APL, Application Layer)和安全服务层的标准。图2-6表示了ZigBee协议的层次结构。ZigBee协议以OSI七层参考模型为基础，只定义了其中与低速无线个人域网应用相关的协议层。 图2-6 ZigBee协议栈结构ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他服务。每个服务实体和上层之间的接口称作“服务访问点(S

40、AP, Service Access Point)”，通过SAP交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能9。物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED, Energy Detection)、链路质量指示(LQI, Link Quality Indication)、空闲信道评估(CCA, Clear Channel Assessment)和通过物理媒体收发数据包。MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管理服务，其主要功能包括采用CSMA-CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。网络层提供设备加入/退出

41、网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护机制。ZigBee协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。应用层包括应用支持子层(APS, Application Support Sub-layer)、ZigBee设备对象(ZDO, ZigBee Device Object)以及设备商自定义的应用对象。APS子层负责维护绑定列表，根据设备的服务和需求对设备进行匹配，并在绑定的设备之间传递信息。ZDO负责发现网络中的设备并明确其提供的应用服务。2.2.1 无线传感器网络的数据传输机制传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确切机制随网络类型的不同而有所不同。在无信标的星形网络中，当终端设备想

42、要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被开启的，而且可从协调器接收数据。在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收10。终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而允许终端设备降低其功耗要求。根据应用的要求，在绝大部分时间内终端设备都处于休眠状态，而仅定期地唤醒设备来发送或接收数据。此方法

43、的一个缺点就是协调器必须将所有数据帧保存在内部缓冲器中，直到目标终端设备唤醒并查询数据。如果网络包含很多休眠时间很长的终端设备，协调器就必须将数据帧保存很长时间。根据节点的数量和交换数据帧的速率，这将大幅增加协调器对RAM的需求。协调器可以根据终端设备的设备描述符有选择地决定将一个特定的帧保持一段长时间或短时间。ZigBee协议要求所有终端设备都保存描述它们的特性和功能的不同方面的各种描述符。2.2.2 无线传感器网络路由协议的研究目前，基于无线自组织网络(MANET)的路由协议研究较多，但是考虑到无线传感器网络特性，这些为自组织网络制订的路由协议不能直接用于无线传感器网络中。路由协议的任务就

44、是在采集节点和网关节点之间建立路由，可靠地传输数据。无线传感器网络资源严重受限，每个节点不能执行太复杂的计算，其缓存较少，不能在节点保存太多的路由信息，并且节点间不能进行太多的路由信息交互。无线路由协议严格来说可分为两种类型：表驱动和按需驱动，表驱动路由协议的特点是持续更新，每个节点维护一个或多个表来存储路由信息，网络拓扑改变时广播更新信息。表驱动路由协议主要有目的排序距离矢量(DSDV)、簇头网关交换路由(CGSR)和无线路由协议(WRP)。按需驱动路由协议相对来说是一种动态协议，采用按需驱动路由算法，节点需要一个到新的目的节点的路由时，必须找到该路由。通常采用Ad hoc按需距离矢量(AO

45、DV)、动态源路由(DSR)和临时排序路由算法(TORA)等完成。利用无线传感器网络中节点是按照数据属性寻址，以及每个节点检测的数据往往先发送到中心转发节点，并且节点移动性不大等特点，可以优先选择按需驱动的路由协议。路由协议必须保证在满足服务质量的前提下整个系统的能量损耗最小，以保证能量管理要求。传统无线自组织分布式网络所定义的路由协议根本设计目标是在无需基础设施的条件下具备正常运行的能力，而无线传感器网络的目标是提供多节点的数据可靠传输。因此，通过固定节点多跳中继的无线传感器网络不需要复杂的分布式路由算法，但仍需保持灵活性以便在链路状态或流量模式改变后能相应地及时改变路由。现有的自组织网络路

46、由协议很多是以寻找最少跳数的路由为目的，这种路由度量标准的最大优点是简单。一旦网络拓扑确定，很容易计算跳数，并找到源和目的节点间的最少跳数路由，且计算跳数不需要额外的参数度量。但这种度量标准的最大缺点是没有考虑数据包丢失率和带宽，只考虑跳数最少并不足以找到延时、吞吐量和可靠性均相对理想的有效链路。跳数最少的路由不一定是吞吐量最大的路由，因为其中可能包含距离较远或丢失率较高的无线链路。例如，一个两跳、可靠的高速率路由的性能会优于一个一跳、丢失率低的低速率路由的性能。为了发掘高效的无线传感器网络的路由算法，一种方法是最好采用交叉层设计方法，使无线Mesh网络中的路由选择能够结合物理层的测量以及MA

47、C层的无线资源管理要素作为选择的依据，探索能量节省、干扰最少和路由跳数尽量小的无线路由度量标准，从而使系统性能得到改善。2.3 IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求而制定的，它具有复杂程度低、实现成本小、设备功耗低的特点，能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输。它为LRWPAN专门制定了物理层和MAC子层的标准，它具备以下主要特征11:l.实现20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四种不同的传输速率。2.支持星型和点对点两种拓扑结构。3.在网络中采取两种地址方式:16位地址和64位地址。其中16

48、位地址是由协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址。4.采用可选的时槽保障(GTS)机制。5.采用带冲突避免的载波侦听多路访问的信道访问机制。6.支持ACK机制以保证可靠传输。7.低功耗机制。8.信道能量检测。9.链路质量指示。10.工作在ISM频段上，其中在2450MHZ波段上有16个信道，在915MHZ波段上有30个信道，在868MHZ上有3个信道。11.数据安全策。2.4 本章小结本章研究了基于无线传感器检测网络的磕头机运行参数检测系统的工作原理，介绍了ZigBee技术，解释了与其相关的概念，分析了它的协议，架构和相关标准。重点解决了采集节点和网关节点组成的原理框图，提出了将ZigB

49、ee无线传感器技术和GPRS网络相结合，共同完成一种典型的网络监控系统。第3章 无线传感器网络组网的硬件设计3.1 无线传感器网络采集节点的硬件设计传感器的采集节点是组成无线传感器网络的基本单元，负责采集、处理、压缩数据并将数据包发送出去。它由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源管理模块四部分组成。它通常是一个微型嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器采集节点通常兼顾传统网络的终端和路由器双重功能。但对于本文所使用的实际环境只用到其终端的功能，因此本文所设计的节点是按照终端功能进行设计的，如图3-1所示12。图3-1

50、数据采集节点结构示意图3.1.1 数据采集模块3.1.1.1 电压、电流互感器由于磕头机的额定电压一般都在几百伏至上千伏，额定电流一般为几十到上百安，所以要对电压电流进行测量，必须采用电压和和电流互感器。在本系统中，我们采用了由北京星格测控有限公司生产的星格精密电压，电流互感器。其中电压互感器采用的是SPT204A型精密电压互感器，此电压互感器精度高，线性度好，能够满足系统对信号采集精度的要求。同时，该互感器采用了高隔离度耐冲击的全树脂密封，安装也比较方便，仅需直接将互感器安装在PC板上即可。由于SPT204A实际上是一个毫安级的电流互感器，所以在使用时，用户必须现将所测量的电压信号转换为电流

51、信号，一般采用的方法是在互感器的原边加一限流电阻，将电压信号转换为毫安级的电流信号，然后在互感器的副边将电流信号又转换为电压信号。此外，由于此互感器在使用时会对输入信号产生一定的相移，所以在对信号的相位有一定要求的场合，还必须对输出信号进行相应的补偿。图3-2中R2为原边限流电阻，其大小选取由所测量的电压大小决定。例如所测量的电压大小为380V，则此限流电阻R2380/0.002=190k。R1为反馈电阻，用于将输出电流信号转换为电压信号，其大小由所需输出的电压信号大小决定，同时可调电阻r1和r2可对输出电压信号进行精密的调整。电路中的C2和C3主要用于对信号进行滤波和去耦，一般可选取400-

52、1000pF的小电容。R1和C1用于对信号进行相位补偿，其值由互感器的相移来决定。图3-2 电压互感器电路图电流互感器选用的是SCT254AK型精密电流互感器，如图3-3所示。其匝数比1：1000，一次电流1100mA，二次电流050mA，得到与实际电流成比例的小电流信号。由于大中型异步电动机的定子电流较大，所以该电流互感器一般不能直接对电动机电流进行测量，而应首先通过一级电流互感器将电机定子电流转换为5A左右后再进行测量。图3-3 电流互感器3.1.1.2 整流滤波电路由电压、电流互感器电路采集出来电压，电流信号均为交流信号，而本系统中需要采集的是电压、电流的有效值。所以还需对电压、电流互感

53、器输出的交流电压信号进行整流滤波，将其转换为和其有效值成正比的直流电压。由于互感器出来的电压信号比较小（特别是电流互感器出来的信号，因为电机发生故障时，故障电流往往可以达到额定电流的几倍到十几倍，而A/D转换的电压范围为05V，所以一般当电机定子电流为额定电流时，电流互感器出来的信号只有零点几伏）。对这样小的信号进行整流，就必须采用精密整流电路。一般的交流电压的整流方法是采用桥式整流电路，但二极管的非线性会使测量信号产生相当大的误差，特别是在信号幅度小于二极管的死区电压时。为了克服上述问题，在本系统中采用了精密有源整流滤波电路，利用集成运算放大器的放大和深度负反馈作用来克服由二极管的非线性和死

54、区电压所造成的信号失真。通过该整流滤波电路，能得到所采集的电流和电压的有效值13 14。3.1.1.3 A/D转换电路由于A/D转换器的转换精度直接影响到测量信号的准确度，所以A/D转换电路设计是硬件系统设计中非常重要的部分。由于JN5121-Z01-M01微控制器模块，并满足该系统的要求，并且考虑系统硬件电路的可靠性，我们使用JN5121-Z01-M01微控制器模块自带的A/D转换电路。3.1.2 数据处理模块的设计数据处理模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、通信协议、数据转储等都将在这个模块支持下完成，处理器的选择在节点中至关重要。作为控制中心，应用在无线传感器网络采

55、集节点中的微控制器有其特殊要求：体积尽可能小；集成度尽可能高；功耗低且支持睡眠模式；运行速度尽量快；充足的IO接口，以方便与其它功能模块相连；成本尽可能小；存储容量尽量大；安全性能好等15。综合考虑上述因素，本系统选用了Jennic公司推出的一款低功耗、低成本并且与IEEE 802.15.4协议完全兼容的JN5121-Z01-M01无线微控制器模块，模块内部集成了一款32位的RISC JN5121微控制器。JN5121具有丰富的片内资源：16MHz主频的32位的RISC微控制器，在功耗、代码效率、代码大小方面高度优化； 64KB ROM集成了点对点通讯与网状通讯的完整协议栈；96KB RAM可

56、以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间；还具有四路12位ADC和二路11位DAC，两个应用定时器/计数器，三个系统定时器，一路比较器以及片内温度传感器。同时，为了方便连接各种外部设备，JN5121提供了2个UART端口、1个带有5个片选线的SPI接口以及1个兼容SM-BUS和I2C的串行接口。无线收发器包含O-QPSK调制解调器、基带处理器和一个200阻抗的2.4GHz频段的天线，它们能够相互配合实现数据收发时的调制、解调，能够按照IEEE802.15.4 MAC层协议完成数据收发任务；硬件MAC 地址和高度安全的AES加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负载；硬件处理报

57、文自动确认，报文的CRC生成和定时工作；内部集成电源管理芯片和晶振休眠，降低协同功耗；在休眠模式下功耗小于5A(休眠定时器处于活动状态)；需要最少的外部器件；报文接收电流小于50mA，发送电流小于40mA，接收灵敏度-93dBm，发射功率+1dBm16。3.1.3 控制器电路设计由于控制模块具有的高度集成性和丰富的硬件资源，使得外围电路的设计变得十分简单，其接口电路如图3-4所示，主要分为三部分：复位电路、编程配置电路、电源保护电路。复位电路由R15和C4组成，为上电复位：当系统上电时，通过电阻R15向电容C4充电，C4两端的电压未达到高电平的门限电压时，RESETN端输出为低电平，系统处于复

58、位状态；当C4两端的电压达到高电平的门限电压时，RESETN端输出为高电平，系统进入正常工作状态。FLASH写入控制器电路由R10、R11和跳线J1组成，用来控制JN5121-Z01-M01模块上FLASH存储器的写入。J1处于闭合状态时，禁止对FLASH写入，节点上电时可以将FLASH中的程序读入RAM中运行；J1开状态时允许编译器对FLASH写入，但是上电时不能通过FLASH中的程序成功启动。 图3-4 JN5121-M01-Z01模块控制电路电源保护电路即退耦电路由C1、C2、C3组成，是为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点而采取的措施。本电路中在进行开关动作时，需要瞬时从电

59、源线上抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低，从而引起器件间的干扰。为了减少这种干扰，需要在芯片附近设置一个储电的“电池”以提供这种瞬时的大电流能力。去藕电容就是起到“电池”的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。去藕电容C1、C2、C3在电路电源和地之间，有两个作用：一是作为电路的蓄能电容，二是旁路掉电路的高频噪声。3.2 无线传感器网络网关节点的硬件设计3.2.1 控制器网关节点是系统的核心部分，其功能强大，系统复杂。系统能够通过键盘进行参数设置；LCD实时显示各磕头机当前的电压和电流等参数和实时时间；通过闪存进行数据备份存储；实现不同网络的网络协议转换和数据

60、转发；异常情况时实现实时报警等功能。因此要求微控制器具备以下特点:系统片内资源丰富；丰富的外围模块接口；大容量的程序存储器和数据存储器存储；中断源丰富，支持优先级中断；电平兼容性强；抗干扰能力强，可靠稳定17。图3-5 单片机最小系统综合考虑，系统所选用的控制器采用了宏晶公司的STC12C5A60S2单片机。如图3-5所示。它是通用型51系列单片机，内部有8/16/32/48/56/60K字节片内Flash的程序存储器和1280字节的数据存储器，它采用了增强型8051内核，1个时钟/机器周期，其指令代码完全兼容传统8051，但速度比普通8051快812倍，增加第二复位功能脚，增加掉电检测电路，

61、可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，具有8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，具有4个16位定时器，有硬件看门狗系统，内部集成MAX810专用复位电路，针对电机控制，超强的抗干扰和超低功耗，适用于长时间连续工作，掉电模式可有外部中断唤醒，也适用于电池供电系统。 3.2.2 实时时钟电路系统在记录电机运行参数的同时，还需对当前时间进行记录，以作为记录数据的时间基准。我们采用了PHILIPS公司的日历时钟芯片PCF8563来作为系统的计时装置。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbit/s，每次读写数据后，

62、内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。其电路图如图3-6所示。其中SCL（串行时钟输入）接STC12C5A6S2单片机的P2.2引脚，SDA（串行数据I/O）接单片机的P2.1引脚，PCF8563能自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息。并且自带有锂电池，当外部掉电时，其内部时间电路能继续运行十年之久，并且在系统上电期间还可自动充电。图3-6 实时时钟电路图PCF8563有16个8位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz的振荡器，一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHz总线接口。所有16个寄存器设

63、计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前2个寄存器（内存地址00H，01H）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H-08H用于时钟计数器（秒-年计数器）地址09H-0CH用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率，地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒，分钟，小时，日，月，年，分钟报警器，小时报警器，日报警寄存器，编码格式为BCD，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。当一个RTC寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟/日历芯片的错读。3.2.3 存储电路由于系统需对电机运行参数进行长时间记录

64、，并且要求在断电的情况下存储数据不会发生丢失，因此要求存储器必须具有非易失性及较大的存储容量。根据以上原则，在设计中我们采用了24C1024 EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），电可擦可编程只读存储器，一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 它可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般即插即用。24C1024 EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。EEPROM断电后存在其中的数据不会丢失。 另外，EEPROM可以清除存储数据和再编程。其电路图如图3-7所示，其中SCL接单片机的P2.2引脚，SDA接单片机的P2.1引脚。图3-7 存储模块电路图3.2.4 系统显示模块显示器是人机交互的界面，在显示器的选择上，显示器LCD12864具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等优点，不仅可以显示字符、数字,还可以显示各种图形、