車載無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)設計(外文原文+中文翻譯)

WirelesssensornetworkmonitoringsystemdesignKangyi-mei,Zhaolei,Hujiang,Yangen-bo(StudyonBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics)SummarysensornetworkmonitoringsystembasedonIEEE802.15.4andZigBeestandardsWit田ensornetworks,expansionofthescopeofmonitoringandmonitoringfunctionsforin-acquisitionndconditionmonitoringofequipmentstatusandthenecessaryequipmencontrol,topologyqueryfunctionsKeywords:wirelesssensornetworks;monitoriIntroductionSystemdesign圖2hardwaresystemdesign2.1applicationchipintroduction、2.2MCl3192andMC9S08GB60hardwareconnectionThe3systemsoftwaredesign3.1ofoverallsoftwaredesign3.2sensornodesoftwaredesignThe3.3gatewaynodesoftwaredesign出The3.4hostmonitoringsoftwaredesign4testandverification4.1 testing4.2 ZigbeeRFcommunicationtest4.3powertestConclusion車載無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)設計康一梅，趙磊，胡江，楊恩博（就讀于北京航天航空大學）摘要：基于IEEE802.15.4和ZigBee標準實現了一個車載無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)。借助通用無線傳感器網絡，為車載系統(tǒng)擴展了監(jiān)控范圍和監(jiān)控功能，實現了車載設備狀態(tài)的數據采集和狀態(tài)監(jiān)視，以及必要的設備控制拓撲控制、拓撲查詢等功能。關鍵詞：無線傳感器網絡；監(jiān)測系統(tǒng)；引言為了滿足人們對車載安全性、操控性以及舒適性的要求，車載上集成了越來越多的電子系統(tǒng)。目前，汽車電子設備廣泛采用位或位微處理器進行控制。本文基于和標準的無線傳感器網絡構建車載監(jiān)測系統(tǒng)，設計實現更加優(yōu)化的無線傳感器網絡，逐步實現車載系統(tǒng)的網絡化、智能化和可控性，以提，高車載系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)設計方案本文在現有的車載系統(tǒng)上，將數據傳輸的方式擴展為無線傳輸方式，實現一個星型網絡的數據采集系統(tǒng)。并能分別將各個數據采集節(jié)點的所獲得的數據傳輸到網關，網關通過串將數據上傳到主機上在主機中實現數據的實時波形顯示，并以數據庫的方式加以保存，供后續(xù)數據處理。該采集系統(tǒng)的應用對象由溫度傳感器、油壓傳感器、轉速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器等傳感器子系統(tǒng)所組成。這樣設計的目的是用一個監(jiān)控主機端來檢測多個待測目標環(huán)境，考慮到接入的數據吞吐量和軟件系統(tǒng)的復雜程度，采用時分復用的方式，逐個對網內的終端采集點進行控制采集。如圖所示，該車載系統(tǒng)分個部分：車載監(jiān)控中心、車載網關和車載傳感器節(jié)點。車載網關是整個車載系統(tǒng)的核心，可以和所有的車載傳感器節(jié)點通信。車載監(jiān)控中心可以向車載網關發(fā)出控制命令，由車載網關將控制命令轉換為射頻信號后發(fā)送給車載傳感器節(jié)點。當車載傳感器節(jié)點發(fā)送數據時車載網關進入數據接收狀態(tài)，并將數據上傳到車載監(jiān)控中心作進一步處理。此外，車載傳感器節(jié)點之間不能互相通信。監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件與車載網關之間以的接標準進行通信。節(jié)點n圖系統(tǒng)結構總體圖車載傳感器節(jié)點的生命周期由活躍期和休眠期構成。節(jié)點在活躍期完成數據采集，向網關發(fā)送數據，接收并執(zhí)行網關命令；在休眠期關閉無線射頻模塊以節(jié)省能量，直到下一個活躍期來臨。系統(tǒng)通過這種休眠機制來減少系統(tǒng)的能量消耗，延長系統(tǒng)整體壽命。本系統(tǒng)用機作為監(jiān)控中機上的監(jiān)控軟件在環(huán)境下開發(fā)，是一個基于對話框的應用軟件。為了提高通信傳輸模塊的智能化水平，在設計中，它的功能不限于數據的實時顯示，所有的數據采集由監(jiān)控軟件通過發(fā)送請求信號的方式觸發(fā)?？紤]到原始數據需要進行后續(xù)的處理與深入的分析，才能對車載系統(tǒng)的狀況進行準確的判定，軟件中還添加了數據文件形式的保存與數據文件回顯功能總體上來講，整個網絡的所有節(jié)點都受控于主機監(jiān)控軟件，工作過程中網絡的每一個節(jié)點都不需要人為的參與。系統(tǒng)硬件設計2.1應用芯片介紹公司的 符合標準，工作頻率是 ? ，數據傳輸速率為采用 調試方式。這種功能豐富的雙向 收發(fā)器帶有一個數據調制解調器，可以在技術應用中使用。它還具有一個優(yōu)化的數字核心，有助于降低 處理功率，縮短執(zhí)行周期。主控 選用 公司 系列的低功耗、高性能微處理器 。該處理器具有的應用可編程 、 的 、通道的 位 、個異步串行通信接 、個同步串行外部接 以及 總線模塊，完全能夠滿足車載網關和節(jié)點對處理器的要求。2. 2MC13192與 MC9S08GB60的硬件連接與的硬件連接圖如圖所示O的控制和數據傳送依靠線串行外設接完成其個接信號分別是、、［亍、。主控通過控制信號!?『】、.?退出睡眠模式或休眠模式，通過無；了來復位收發(fā)器，通過來控制數據的發(fā)送和接收，或者強制收發(fā)器進入空閑模式。由傳感器輸出的模擬信號經過的通道位轉換后輸入到。通過進行的讀寫操作，并把傳感器采集的信號經過處理后通過發(fā)射出去。的中斷通過引腳和中斷寄存器來判斷中斷類型。通過If.偵十引腳來控制進入不同的工作模式。對傳感器的控制信號可以從的天線接收進來，通過傳送到上經過的判斷處理后通過傳送到傳感器上，完成對傳感器的控制。同時完成 收發(fā)控制和所需要的 層操作。MOSIMISO】 MISOSPSCKI SPICLK.ssT一 CEIRQ IRQPTDO ArmPTDi .RXTXmPTD3 RSTEX1AL. CLKOPTB6 GPIO2PTB7一 GPIp]MCPSfJSGBWMCL3192圖2 與 的硬件連接圖系統(tǒng)軟件設計1軟件整體設計軟件設計是本設計的核心，關鍵在于軟件的總體架構和數據結構的設計。著重要考慮的因素一個是效率，另一個是設計的清晰性。車載系統(tǒng)軟件由網關節(jié)點與傳感器節(jié)點兩大部分組成，這兩部分都需要完成 協議的移植，并根據不同需要為上層通信應用提供 接函數。因為 協議棧編程模型采用層次設計，只有底層的和 程序層與硬件相關，而網絡層和應用層程序則不受硬件影響。 在不同硬件平臺的移植只需修改 和 層，其上各層可以屏蔽硬件差異直接運行。如圖所示，本設計把軟件分為系統(tǒng)平臺層、協議層和應用層層。同時，定義了個 接：系統(tǒng)層接、協議層接和應用層接。系統(tǒng)層接定義了硬件的寄存器映射，這樣語言就能直接訪問硬件寄存器來控制硬件。系統(tǒng)平臺層建立在 實時操作系統(tǒng)上，為協議層提供系統(tǒng)服務。硬件驅動模塊提供硬件驅動程序，所有對硬件的控制都通過該模塊提供的服務。系統(tǒng)平臺層通過協議層接為協議層提供服務。協議層則實現了基于 的物理層和鏈路層以及基于 的網絡層協議。應用層通過應用層接來調用協議層提供的服務，實現網絡的管理和數據傳輸等任務。應用配置模塊既會調用協議層提供的網絡服務，也會直接對系統(tǒng)進行配置和查詢，這主要是通過指令來實現的，因此該模塊會調用應用層接和協議層接提供的服務。應,用應—.模燎 應用屋接一VA一一乙￡協議層接0——一』二-n|斐_IQMOS艇件如珈一調用低層接1系統(tǒng)*服各。消息通信接系統(tǒng)宸接一應用程序接硬件贏模塊］圖軟件總體結構2傳感器節(jié)點軟件設計基于系統(tǒng)長期使用的功能需求，傳感器節(jié)點中軟件設計的關鍵是既能實現所需的功能，又能最大限度地減少傳感器節(jié)點的能耗。通過測試發(fā)現，模塊的能耗要遠遠大于中央處理器和傳感模塊的能耗。因此，傳感器節(jié)點應用軟件的設計既要盡量使各模塊處于休眠狀態(tài)，又要盡量減少喚醒模塊的次數。因此，在傳感器節(jié)點上電各功能模塊初始化完成、并加入了網絡后，即進入休眠狀態(tài)，中央處理器周期地被定時喚醒向網關發(fā)送數據，并接收網關的命令。傳感器節(jié)點的工作流程如圖所示。X網關基褂.時間采集數據圖傳感器節(jié)點主程序流程3網關節(jié)點軟件設計車載網關向下管理傳感器節(jié)點，向上完成和監(jiān)控中心的交互，需要進行復雜的任務管理和調度，因此，采用基于 內核的嵌入式操作系統(tǒng)管理整個網關，為應用任務的高效運行提供良好的軟件平臺支撐。根據網關的功能需求，將 、協議有機的結合，構成一個網絡化的操作環(huán)境，用戶可以方便地在其基礎上開發(fā)應用程序?；?擴展的網關軟件平臺結構如圖所示?；?操作系統(tǒng)，分別構建系統(tǒng)任務 、 星型組網任務 、網關和傳感器節(jié)點交互任務 、臨控中心端監(jiān)聽任務 等一系列應用任務，從而實現網關軟件的應用功能。4主機監(jiān)控軟件的設計本系統(tǒng)最終目的是將采集到的車載傳感器數據實時地傳送到主機，并在主機中得到顯示和保存。顯示的目的是獲得被車載傳感器節(jié)點所監(jiān)控環(huán)境的初步情況，保存的目的是作為深入分析的數據樣本。除此以外，作為整個系統(tǒng)的主控方和數據采集請求的發(fā)起者，需要能夠按照要求發(fā)送數據請求信號。根據以上要求，在環(huán)境下開發(fā)了一個基于對話框的應用程序。這個應用程序包括了個模塊:①實時數據顯示波形模塊。該模塊的作用是將節(jié)點的數據以波形的形式實時地進行顯示，實現的方式是利用 和 控件。②拓撲顯示模塊。當用戶希望了解無線傳感器網絡的拓撲構建情況時，可以查看拓撲信息欄，了解網絡中節(jié)點的加入和丟失情況。③歷史數據顯示模塊。在車載網絡系統(tǒng)運行到一定時期，可能需要對過去某一段時間的原始數據進行后續(xù)的處理與深入的分析，以便對車載系統(tǒng)的狀況進行準確的判定。借助歷史數據顯示模塊，可以將監(jiān)控中心從車載網關中得到的數據，按照不同節(jié)點的屬性、地址和時間分別保存到數據庫的相應字段中，并可以通過波形圖的方式將歷史數據顯示出來，供用戶分析。④控制模塊。在車載系統(tǒng)運行過程中可能關心某一個車載傳感器節(jié)點的數值，或者需要對某一個傳感器進行閾值設置，以便待監(jiān)測的環(huán)境出現異常情況可以及時地報告給系統(tǒng)。這些都可以通過控制模塊對系統(tǒng)進行相應的設置，控制模塊還可以對系統(tǒng)中的某個不需要的節(jié)點進行刪除操作?？傊?，通過主機監(jiān)控軟件用戶可以直觀且多方面地對通用無線傳感器網絡系統(tǒng)進行了解和使用。測試與驗證1組網測試測試設備 個 芯片節(jié)點，個作為網關節(jié)點，其余個作為傳感器節(jié)點。測試方法：網關節(jié)點上電后，個 同時點亮，掃描信道如果搜索到空閑信道后， 熄滅并加入空閑信道等待。傳感器節(jié)點上電后，個 在掃描信道的同時，輪詢點亮。當網關節(jié)點收到傳感器節(jié)點的 幀后， 閃爍一次；當傳感器節(jié)點收到網關節(jié)點的分配地址后， 也閃爍一次。至此，組網過程和地址綁定過程完成。4.2ZigBee

射頻通信測試測試設備： 節(jié)點個，計算機終端臺。測試方法：根據 傳輸的幀格式，實際傳輸總字節(jié)數為 即個字節(jié)為一個數據包。根據設定的軟件參數，如有數據包丟失則丟包數加。若接收到數據包，則接收數據包數加 然后與發(fā)送數據進行比較，若數據正確則正確包數加反之錯誤包數加。最后統(tǒng)計數據結果，就可以知道數據的丟包率和誤包率。個節(jié)點組建一個網絡，其中個作為網關，其余個節(jié)點作為傳感器節(jié)點。編寫程序設定：個節(jié)點均與網關通信，計算機終端與網關通過相連終端設備軟件記錄從個節(jié)點接收數據的情況，節(jié)點工作在頻段下，傳輸一個字節(jié)的數據，循環(huán)發(fā)送次。最后取得個節(jié)點的測試平均數作為數據結果進行分析。星形網射頻通信誤碼率測試結果如表所列。表果形網射藪通信誤四率測試結果通信距離收到數據包數/今丟包率誤碼率/mn值(天障礙)正確數/(%)11100D2]99100,01319060.Q4o,oe41￡630.]]0..03S]7980.130.086175100.250.107172110.170.11816015l0.25_0.15實驗分析:在星形網絡中進行數據傳輸，測試結果明顯差于單點對單點傳輸方式。這主要是因為，在傳輸過程中節(jié)點之間存在一定的頻率干擾和其他干擾。3功耗測試作狀態(tài)和休眠狀態(tài)下，分別使用萬用表測試網關節(jié)點和傳感器節(jié)點的功耗情況，測試結果如表所列。表2功耗測試節(jié)點工作狀態(tài)下待機狀東下/mA/mA網關節(jié)點r43-450.55怡贍器節(jié)點14-150.85結語本文分析和協議，結合通信