基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)研究

王亮，刑達(dá)波

中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西省 西安市 710089

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)研究

王亮，刑達(dá)波

中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西省 西安市 710089

提出一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫度數(shù)據(jù)采集方案。對(duì)傳統(tǒng)的飛行試驗(yàn)中的溫度測(cè)量采集系統(tǒng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸節(jié)點(diǎn)，通過交換機(jī)將溫度數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)協(xié)議傳輸?shù)竭b測(cè)系統(tǒng)或存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)記錄器。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中關(guān)鍵的時(shí)間同步問題進(jìn)行了闡述，提供了解決方案。系統(tǒng)滿足飛行試驗(yàn)對(duì)機(jī)艙溫度數(shù)據(jù)參數(shù)的要求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫度采集；時(shí)間同步

引言

在民用客機(jī)的取證試飛中，需要對(duì)機(jī)艙內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行取樣評(píng)估，由于機(jī)艙內(nèi)空間很大，采樣點(diǎn)非常多，傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)采用有線形式，存在著線纜眾多、靈活性差、成本高的問題，加大了飛機(jī)改裝的難度，也消耗了適航取證的寶貴時(shí)間。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量具有無線射頻功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ZigBee協(xié)議是一種短距離無線通信技術(shù)，專門用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在智能控制、無線監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1～2]。允許隨時(shí)接入大量節(jié)點(diǎn)的能力，使其應(yīng)用的靈活性大大提高。采用ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙溫度數(shù)據(jù)采集和通信是一種切實(shí)可行的方案。

本文討論了測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了溫度采集系統(tǒng)，解決了時(shí)間同步問題，同時(shí)結(jié)合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和數(shù)據(jù)記錄器，實(shí)現(xiàn)了溫度參數(shù)的無線采集、傳輸和記錄。

1.設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)通過測(cè)溫節(jié)點(diǎn)（RFD）對(duì)溫度傳感器進(jìn)行采樣，以ZigBee協(xié)議發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)（FFD），匯聚節(jié)點(diǎn)匯總溫度數(shù)據(jù)，按以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)形式將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口傳輸至交換機(jī)，最后到達(dá)遙測(cè)系統(tǒng)和記錄器。主交換機(jī)通過GPS進(jìn)行對(duì)時(shí)，成為全網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘，之后通過對(duì)時(shí)協(xié)議將全網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)鐘同步?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 無線溫度采集系統(tǒng)組成

1.1 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的硬件主要由電源模塊、ZigBee無線模塊和傳感器接口電路等模塊組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

電源管理模塊負(fù)責(zé)給測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊供電，測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)采集溫度參數(shù)，經(jīng)調(diào)理電路后送入處理芯片（CC2430），處理好的數(shù)據(jù)經(jīng)無線收發(fā)器發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，指示燈進(jìn)行閃爍指示工作狀態(tài)；JTAG接口用來進(jìn)行本地調(diào)試。

測(cè)溫模塊采用Pt100溫度傳感器，零度電阻值為100Ω，電阻溫度系數(shù)為0.3851 Ω/℃，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)傳感器。

1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，擔(dān)負(fù)組網(wǎng)任務(wù)，協(xié)調(diào)時(shí)間同步和采集任務(wù)，把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)總線的匯聚節(jié)點(diǎn)。

與采集節(jié)點(diǎn)不同，匯聚節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的任務(wù)繁重，所以采用MSP430和CC2420組成處理芯片和射頻芯片的部分，接收采集數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)部分采用DM9000以太網(wǎng)接口芯片，將單片機(jī)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行以太網(wǎng)幀封裝，發(fā)送。完成數(shù)據(jù)和外部網(wǎng)絡(luò)的交換。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件框圖

CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令；系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口部分主要完成物理層和鏈路層的功能。MSP430作為主控芯片，采用ISA16bit模式與DMA9000進(jìn)行連接，P9與P10同數(shù)據(jù)總線SD[0~15]相連，CMD與P8.1相連，高為數(shù)據(jù)控制，低為地址控制。INT,IOR,IOW,AEN,WAIT,RST與P8.2～P8.7相連，POW_RST懸空，用來初始化DM9000。

圖4 PTP同步

2.時(shí)間同步問題及解決方案

時(shí)鐘同步在測(cè)量和控制系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的因素。機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)時(shí)鐘同步要求十分嚴(yán)格，現(xiàn)行的Intemet網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP(network time protoco1)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP(simple network time protoco1)等只能達(dá)到毫秒級(jí)，不能達(dá)到所要求的同步精度，在這種情況下，IEEE Precision Time Protocol(PTP) 1588標(biāo)準(zhǔn)同步精度可達(dá)到微秒級(jí)，滿足了高精度網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的時(shí)鐘精確同步的需求。目前該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在新一代飛行試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)中最精確的時(shí)鐘同步其它時(shí)鐘。網(wǎng)絡(luò)中有兩種角色：主時(shí)鐘（用來同步其它時(shí)鐘）和從時(shí)鐘（被同步）。所有的時(shí)鐘都可以作為主或從角色。整個(gè)系統(tǒng)中最佳的時(shí)鐘為最高級(jí)時(shí)鐘，有著最好的穩(wěn)定性、精確性。有最佳主時(shí)鐘算法自動(dòng)選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步[3～5]，PTP協(xié)議同步過程如圖4所示。

PTP協(xié)議通過在網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)的發(fā)送一系列時(shí)間信息，檢測(cè)主從時(shí)鐘之間的偏移和網(wǎng)絡(luò)中信息的傳輸延遲，進(jìn)行時(shí)鐘的偏差修正。主時(shí)鐘以確定的時(shí)間間隔周期性的發(fā)送同步信息（Sync message）到從時(shí)鐘。時(shí)間戳機(jī)制以最高精度記錄精確的發(fā)送時(shí)間t1，并將其以第二條信息的形式，即Follow_up message，發(fā)送給從設(shè)備。從時(shí)鐘測(cè)量并記錄Sync message的精確接收時(shí)間。接收到Sync和相對(duì)應(yīng)的Follow_up message后，從時(shí)鐘計(jì)算相對(duì)于主時(shí)鐘的偏移進(jìn)行校正?，F(xiàn)在，主從時(shí)鐘之間的差就是Sync message在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膫鬏斞舆t。因此，需要另一個(gè)信息的交換來測(cè)量主從時(shí)鐘之間的延遲。從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)叫做延遲請(qǐng)求（Delay_Req）的數(shù)據(jù)包到主時(shí)鐘。測(cè)量這條信息的精確發(fā)送和接收時(shí)間t3和t4。延遲響應(yīng)（Delay_Resp）信息攜帶t4發(fā)送到從時(shí)鐘，現(xiàn)在延遲和偏差就可以從4個(gè)時(shí)間戳t1,t2,t3和t4中計(jì)算出來：

延遲+偏差=△1=t2-t1

延遲-偏差= △2=t4-t3

延遲= (△1+△2)/2

偏差= (△1-△2)/2

另外，連續(xù)的同步測(cè)量可以補(bǔ)償從時(shí)鐘的頻率漂移。為了不至于因頻繁的同步導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸受阻，將同步間隔設(shè)定為2秒。

3.試驗(yàn)結(jié)果

將上述方案設(shè)計(jì)的無線溫度測(cè)試系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行比較試驗(yàn)，通過多次對(duì)比分析，無線溫度采集系統(tǒng)達(dá)到傳統(tǒng)系統(tǒng)的采集精度。表1是幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)的對(duì)比。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)際測(cè)量結(jié)果可以看出測(cè)量誤差很小，在合理范圍內(nèi)，滿足飛行試驗(yàn)測(cè)試要求。測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差主要是由于傳感器本身存在誤差，網(wǎng)絡(luò)傳輸過程不會(huì)引入誤差。

4.結(jié)語

針對(duì)飛行試驗(yàn)中機(jī)艙溫度測(cè)量的不足，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)，充分利用單片機(jī)的高集成度，體積小，功耗低，無布線需求，性能可靠等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)測(cè)量的不足，從實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的精度達(dá)到要求，能夠滿足實(shí)際使用要求，有廣泛的利用價(jià)值。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.076