无线传感器组网通信及其在流量标定装置中的应用

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 4.21MB 74 页 15积分
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摘 要
随着计算机技术、通信技术、传感器技术及微电子等技术的进步，传感器向
低功耗、多功能以及微型化方向开始发展，很多传感器同时也具备了无线通信的
功能，使其成为具有采集数据信息、简单处理数据并且能够相互通信的集成化模
块。ZigBee是一种新兴的低速率、低功耗的短距离无线网络技术,近些年来，基于
ZigBee技术的无线传感器网络在各个领域得到了广泛应用。目前，流量标定装置
还是采用传统的有线传输方式，存在布线繁琐、可扩展性差等问题。本课题将无
线传感器网络技术应用在流量标定装置中具有一定意义。
本文介绍了一种基于 ZigBee 技术的无线传感器网络组建方法及其应用于流
量标定装置的设计方案，应用装置包含无线传感器节点和数据汇聚节点二个模块
部分。终端电路和接收器电路都采用 TI 公司的 MSP430 单片机作为处理核心，具
有处理功能强大、成本低、可靠性强，低功耗的特点。
首先，第一章中详述了无线传感器网络的特点及其应用现状。第二章分析了
ZigBee 技术的特点及其优势，并且与其他无线通信技术进行了比较。根据
IEEE802.15.4 协议和 ZigBee 规范，研究分析了 ZigBee 协议栈内容，对协议栈的
操作流程和各层功能进行深入了解，着重研究了网络拓扑的整体结构和设计。
其次，针对无线网络传感器在流量标定装置中的应用，提出了无线传感器节
点电路及数据汇聚节点电路的设计方案。无线传感器节点主要采集、发送数据，
包含了 A/D 采样电路、脉冲信号采集电路、XBEE 无线发收模块以及其他指示灯
及按钮等部分；数据接收模块包含了 XBEE 无线发收模块、LCD、EEPROM 以
及串口相关电路。接着对通信数据帧格式及通信相关算法详细介绍，对传感器节
点和数据汇聚节点的采样、发送、显示数据的流程进行分析。
最后，对 XBEE 无线通信模块的通信距离进行了测试，并且列出了不同的地
址通信模式下的模块设置方法，然后结合在流量标定装置中的应用，传感器节点
采集流量标定装置输出的电流信号和脉冲信号，然后对样机进行通信测试，验证
传感器节点采集数据的正确性、实时性及系统的可靠性、稳定性。
关键字：ZigBee 无线传感器网络 MSP430 流量标定装置
ABSTRACT
With the improvement of the microelectronics, computer technology and wireless
communications technology, the low-power and multi-function sensor has been
developed rapidly. although It has a small volume, It integrates with information
collection, data processing , wireless communication and other functions. ZigBee is a
new low-rate, low-power, short-range wireless network technology. In recent years,
wireless sensor network based ZigBee technology has been widely applied in many
fields. At present, the device used in the flowr calibration facility still adopt traditional
wired transmission,which exists the weakness of complicated wiring, and poor
expansion. The paper has a great significance to apply the wireless sensor network
technology to the flowmeter calibration system.
The whole system contains two modules, they are wireless sensor network terminal
and data receiver. Terminal and receiver both use MSP430 microcontroller as the
processor. which is provided by TI, It has the low cost, high reliability, low-power
consumption characteristics.
Firstly, The chapter one describes the characteristics of wireless sensor network;
In chapter two,the article analyses the ZigBee technology and its superiority,and make
a comparison with other wireless communication technologises. According to
IEEE802.15.4 protocol and ZigBee specification, the contents of ZigBee protocol stack
are analyzed, then the operating processes of protocol stack and each layer function are
detailed. The three structures of network topology are introduced.
Sencondly, According to the application of wireless sensor network in flowmeter
alignment,the scheme of wireless sensor terminal node circuit and the data receiver
circuit are designed. Wireless sensor terminal node circuit mainly contains wireless
transmission model, A/D sampling circuit, the impulse signal counting circuit,signal
indicator model and others, and Its function is sampling and transmitting data; The
data receiver mainly contains XBEE module, LCD model, EEPROM as well as the
serial port circuit, Its function is receiving data from different terminals and sending
the data to computer. Then,the communication data frame form and its algorithm are
detailed, and the software flow of sampling and transmitting data of terminal node and
receiver are analysed.
Finally, The test results of XBEE modle communication with different atennas at
different distance are listed. In the implementation of wireless sensor in flow
Calibration Facility, wireless sensor terminal samples analog current and impulse
signals, and receiver collects the data from the wireless sensor terminals. The test
results of communication bettween wireless sensor network terminals and receiver
verify that the accuracy of communication is high, and the entire system is stable and
reliable.
Key words : ZigBee, Wireless Sensor Network, MSP430, Flow
Calibration Facility.
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 课题研究背景 ................................................ 1
§1.2 无线传感器网络发展现状 ...................................... 1
§1.3 无线传感器网路结构与特点 .................................... 3
§1.4 无线传感器网络应用领域 ...................................... 6
§1.5 论文章节安排 ................................................ 7
第二章 ZigBee 技术特性及其协议栈分析 ................................. 8
§2.1 ZigBee 技术特点 ............................................. 8
§2.2 同类型无线通信技术比较 ...................................... 9
§2.3 ZigBee 技术抗干扰性分析 .................................... 11
§2.3.1 频段抗干扰机制类型 ................................... 11
§2.3.2 不同通信技术频率共存性分析 ........................... 12
§2.4 ZigBee 网络拓扑结构与设备类型 .............................. 13
§2.5 ZigBee 协议栈分析 .......................................... 15
第三章 无线传感器网络通信设备硬件设计 ............................... 18
§3.1 传感器节点及汇聚节点模块结构 .............................. 18
§3.2 MSP430F149 单片机模块功能 .................................. 19
§3.2.1 MSP430F149 单片机特点 ................................ 19
§3.2.2 MSP430 单片机模块时钟选择 ............................ 20
§3.2.3 低功耗模式分析 ....................................... 21
§3.2.4 异步通信的波特率计算与设置 ........................... 23
§3.3 ZigBee 无线通信模块选择 .................................... 24
§3.3.1 ZigBee 无线通信芯片 .................................. 24
§3.3.2 XBEE 模块特点 ........................................ 26
§3.4 基本模块电路设计 .......................................... 28
§3.4.1 电源电路设计 ......................................... 28
§3.4.2 复位及晶振电路 ....................................... 29
§3.4.3 JTAG 在线调试接口电路 ................................ 30
§3.4.4 串口接口电路 ......................................... 30
§3.4.5 LCD 显示电路 ......................................... 31
§3.4.6 EEPROM 扩展电路 ...................................... 31
§3.4.7 通信模块连接电路 ..................................... 32
§3.5 数据采样电路 .............................................. 32
§3.5.1 电流信号 AD 转换电路 .................................. 32
§3.5.2 脉冲信号采样电路 ..................................... 35
第四章 无线传感器网络组网分析与软件设计 ............................. 37
§4.1 XBEE 模块无线组网 .......................................... 37
§4.1.1 XBEE 模块自组网过程 .................................. 37
§4.1.2 节点入网与数据传输过程 ............................... 38
§4.1.3 基于 AODV 协议的路径查询方法 .......................... 40
§4.1.4 XBEE 模块网络地址设置 ................................ 41
§4.2 数据通信帧格式 ............................................ 46
§4.3 无线传感器数据采集终端程序设计 ............................. 46
§4.3.1 数据采集终端主程序流程 ............................... 46
§4.3.2 A/D 采样转换流程 ..................................... 47
§4.3.3 数据采集终端定时发送模块流程 ......................... 49
§4.4 无线传感器网络汇聚节点程序设计 ............................ 51
§4.4.1 数据汇聚节点程序结构 ................................. 51
§4.4.2 数据接收流程 ......................................... 52
§4.4.3 TimerA 定时模块流程 .................................. 55
§4.4.4 TimerB 定时模块流程 .................................. 56
第五章 XBEE 模块通信测试与应用分析 .................................. 57
§5.1 XBEE 模块的通信测试 ........................................ 57
§5.1.1 测试平台及 XBEE 模块配置 .............................. 58
§5.1.2 通信测试及结果分析 ................................... 60
§5.2 无线传感器在流量标定装置中的应用 .......................... 61
§5.2.1 系统应用方案 ......................................... 61
§5.2.2 网络结构与模块配置 ................................... 62
§5.3 流量标定装置数据采集及通信测试 ............................. 62
§5.3.1 流量标定装置测试结果演示 ............................. 62
§5.3.2 数据采集精度计算 ..................................... 63
第六章 结论与展望 ................................................... 65
§6.1 课题主要研究成果 .......................................... 65
§6.2 存在的问题及改进设想 ...................................... 65
参考文献 ............................................................ 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 69
致 谢 .............................................................. 70
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
在目前的流量标定装置中，大多采用传统的有线方式传输标准表和被校表的
流量信号以及其他温度、压力及流体密度等数据。由于控制操作台和校验装置一
般分为 2个独立的部分，在工作时需要大量的传输电缆用来在控制台和装置上的
流量计等所有传感器、控制阀等之间相互传输数据和信号，所以传统的有线传输
方式存在设备可移动性差、活动范围受限、系统可扩展灵活性低、布线繁琐，且
成本高等很多弊端。
随着信息技术的不断成熟和快速发展，很多新兴的短距离无线通信技术相继
出现，同时在半导体、微电子等技术的推动下，各种低功耗、多功能的传感器得
到飞跃发展，越来越多的传感器终端可以和其他终端模块之间相互无线通信。
无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Network）是由大量部署在监测区域
且具有无线通信功能的微型传感器组成，各个传感器节点之间能够通过自组织方
式建立一个可以相互通信的网络，每个节点都可以将采集、处理监测对象的数据
信息，并且将数据发送给接收器供用户查看。监测对象、传感器和用户是无线传
感器网络的三个关键要素。目前，无线传感器网络由于应用范围广，部署容易等
很多优点受到了国内外各研发机构及高校的重视，并且掀起了一股研究开发的热
潮。
将无线传感器网络技术应用到流量标定装置中，可以在流量标定装置的校验
表、标准表等数据采集点安装无线传感器节点，各数据采集点通过无线传感器网
络将采集到的数据发送给接收器，再转发给控制台，利用无线传感器强大的自组
网及数据传输功能，可以节省很多布线成本、提高装置部署的灵活性。
在一些特殊应用领域，采用无线传感器网络技术采集、传输数据可能是最好
的选择方案。无线传感器网络的最大特点就是每个无线传感器节点都可以通过自
组网的方式工作，由于无线传感器网络的自组网特性，当某个数据采集节点出现
故障时，受影响的传感器节点能够重新组网，对于整个无线传感器网络来说几乎
不受影响，具有很高的自愈性，在应用上非常便捷有效。因此，对无线传感器网
络在工业应用的研究具有重要意义。
§1.2 无线传感器网络发展现状
无线传感器网络起步于1970年左右，刚开始的时候主要应用于军事领域。最
无线传感器组网通信及其在流量标定装置中的应用
2
初的传感器网络只能采集一个数据信号，传感器节点之间也只能进行简单的点对
点通信，网络拓扑结构也非常简单，随着科学技术的不断进步和研究人员的努力，
尤其是进入21世纪以来，无线传感器网络技术得到了空前的发展[5] [6]。
无 线 传 感 器 网 络 的 概 念 最 早 出 现 于 美 国 国 防 部 的 研 究 项 目 ， 1998 年
Gregory.J.Pottie 阐释了 WSN 的科学意义，并且美国国防部 DARPA 投资大量资金启动
了一个可以实现“超视距”战场监测网的项目。后来在美国的移动计算和网络国
际会议上，一致认同无线传感器网络将在 21 世纪得到快速发展，有良好的应用前
景。1999 年的时候，无线传感器网络技术被《商业周刊》评定为 2l 世纪最重要的
3 项技术之一。后来美国麻省理工学院、伯克利分校、加州大学洛杉矶分校等大学
对无线传感器网络展开研究，并且造就了很多基关键技术和应用成果[7]。
美国军方一直在探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓的超视距战场
跟踪。美国某大学教授主持的一个项目中，原理性地验证了应用WSN进行战场目标
跟踪的拘束可能性。飞机翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到预定目标抛下传
感器节点，最终撒落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测
到外部目标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的
观测数据，最终定位目标，并绘制移动的轨迹[10]。
2005年，美国军方曾经将很多个无线传感器部署在建筑物上面，组成了一个
可以定位枪声的系统，它们能够有效的组建无线传感器网络，当发生枪击，爆炸
时，根据各个节点传输的数据能够计算出音源的大概位置，为救护、反恐提供了
很大的帮助[11]。
在民用方面，很多发达国家将该技术在军事应用的基础上研究改进，并
且在多个民用领域得到应用。比如在著名的旧金山大桥上就部署着将近两百多个
微型传感器，这些传感器用来监测大桥摆动时的距离信息，具有很高的精度[11]。
当微型传感器监测到数据时，会把信息发送给接收器，然后再通过计算机网路发
送给服务端，服务端具有强大的数据处理能力，可以将接收到的数据综合计算分
析得到大桥摆动的幅度变化情况， 并且根据当时的天气状况判断大桥是否存在着
安全隐患。
我国对无线传感器网络的应用研究相对国外稍微晚一点，无线传感器网络技
术比较落后，并且总体上对WSN的研究还处于技术性的研发阶段。1999年，中国科
学院举办了一个《知识创新工程试点领域方向研究》的报告会，在信息与自动化
领域的研究报告中首次出现了无线传感器网络的概念。2001年中科院成立了微系
统研究与发展中心，启动了多个涉及无线传感器领域的项目，开发了无线传感网
络系统实验平台，在无线通信技术及传感器微型化方面取得了一定的成果。2005
摘要：

摘要随着计算机技术、通信技术、传感器技术及微电子等技术的进步，传感器向低功耗、多功能以及微型化方向开始发展，很多传感器同时也具备了无线通信的功能，使其成为具有采集数据信息、简单处理数据并且能够相互通信的集成化模块。ZigBee是一种新兴的低速率、低功耗的短距离无线网络技术,近些年来，基于ZigBee技术的无线传感器网络在各个领域得到了广泛应用。目前，流量标定装置还是采用传统的有线传输方式，存在布线繁琐、可扩展性差等问题。本课题将无线传感器网络技术应用在流量标定装置中具有一定意义。本文介绍了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络组建方法及其应用于流量标定装置的设计方案，应用装置包含无线传感器节...

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