車載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計康一梅，趙磊，胡江，楊恩博（就讀于北京航天航空大學(xué)）摘要：基于IEEE802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了一個車載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。借助通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為車載系統(tǒng)擴展了監(jiān)控范圍和監(jiān)控功能，實現(xiàn)了車載設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視，以及必要的設(shè)備控制拓撲控制、拓撲查詢等功能。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；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(shè)備廣泛采用位或位微處理器進行控制。本文基于和標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建車載監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)更加優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，逐步實現(xiàn)車載系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可控性，以提，高車載系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)設(shè)計方案本文在現(xiàn)有的車載系統(tǒng)上，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綌U展為無線傳輸方式，實現(xiàn)一個星型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并能分別將各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過串將數(shù)據(jù)上傳到主機上在主機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時波形顯示，并以數(shù)據(jù)庫的方式加以保存，供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。該采集系統(tǒng)的應(yīng)用對象由溫度傳感器、油壓傳感器、轉(zhuǎn)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(shè)計的目的是用一個監(jiān)控主機端來檢測多個待測目標(biāo)環(huán)境，考慮到接入的數(shù)據(jù)吞吐量和軟件系統(tǒng)的復(fù)雜程度，采用時分復(fù)用的方式，逐個對網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)關(guān)和車載傳感器節(jié)點。車載網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)發(fā)出控制命令，由車載網(wǎng)關(guān)將控制命令轉(zhuǎn)換為射頻信號后發(fā)送給車載傳感器節(jié)點。當(dāng)車載傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時車載網(wǎng)關(guān)進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)之間以的接標(biāo)準(zhǔn)進行通信。節(jié)點n圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gòu)成。節(jié)點在活躍期完成數(shù)據(jù)采集，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行網(wǎng)關(guān)命令；在休眠期關(guān)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(yīng)用軟件。為了提高通信傳輸模塊的智能化水平，在設(shè)計中，它的功能不限于數(shù)據(jù)的實時顯示，所有的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhǔn)確的判定，軟件中還添加了數(shù)據(jù)文件形式的保存與數(shù)據(jù)文件回顯功能總體上來講，整個網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點都受控于主機監(jiān)控軟件，工作過程中網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點都不需要人為的參與。系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1應(yīng)用芯片介紹公司的 符合標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率是 ? ，數(shù)據(jù)傳輸速率為采用 調(diào)試方式。這種功能豐富的雙向 收發(fā)器帶有一個數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可以在技術(shù)應(yīng)用中使用。它還具有一個優(yōu)化的數(shù)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(yīng)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(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)傳送依靠線串行外設(shè)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(fù)位收發(fā)器，通過來控制數(shù)據(jù)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(jīng)過的通道位轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)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(shè)計1軟件整體設(shè)計軟件設(shè)計是本設(shè)計的核心，關(guān)鍵在于軟件的總體架構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。著重要考慮的因素一個是效率，另一個是設(shè)計的清晰性。車載系統(tǒng)軟件由網(wǎng)關(guān)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(xié)議的移植，并根據(jù)不同需要為上層通信應(yīng)用提供 接函數(shù)。因為 協(xié)議棧編程模型采用層次設(shè)計，只有底層的和 程序?qū)优c硬件相關(guān)，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(shè)計把軟件分為系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應(yīng)用層層。同時，定義了個 接：系統(tǒng)層接、協(xié)議層接和應(yīng)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(xié)議層提供系統(tǒng)服務(wù)。硬件驅(qū)動模塊提供硬件驅(qū)動程序，所有對硬件的控制都通過該模塊提供的服務(wù)。系統(tǒng)平臺層通過協(xié)議層接為協(xié)議層提供服務(wù)。協(xié)議層則實現(xiàn)了基于 的物理層和鏈路層以及基于 的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。應(yīng)用層通過應(yīng)用層接來調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。應(yīng)用配置模塊既會調(diào)用協(xié)議層提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，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(xiàn)的，因此該模塊會調(diào)用應(yīng)用層接和協(xié)議層接提供的服務(wù)。應(yīng),用應(yīng)—.模燎 應(yīng)用屋接一VA一一乙￡協(xié)議層接0——一』二-n|斐_IQMOS艇件如珈一調(diào)用低層接1系統(tǒng)*服各。消息通信接系統(tǒng)宸接一應(yīng)用程序接硬件贏模塊］圖軟件總體結(jié)構(gòu)2傳感器節(jié)點軟件設(shè)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(shè)計的關(guān)鍵是既能實現(xiàn)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(xiàn)，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(yīng)用軟件的設(shè)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(shù)。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(wǎng)絡(luò)后，即進入休眠狀態(tài)，中央處理器周期地被定時喚醒向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收網(wǎng)關(guān)的命令。傳感器節(jié)點的工作流程如圖所示。X網(wǎng)關(guān)基褂.時間采集數(shù)據(jù)圖傳感器節(jié)點主程序流程3網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計車載網(wǎng)關(guān)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(fù)雜的任務(wù)管理和調(diào)度，因此，采用基于 內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)管理整個網(wǎng)關(guān)，為應(yīng)用任務(wù)的高效運行提供良好的軟件平臺支撐。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，將 、協(xié)議有機的結(jié)合，構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)化的操作環(huán)境，用戶可以方便地在其基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序?；?擴展的網(wǎng)關(guān)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖所示?；?操作系統(tǒng)，分別構(gòu)建系統(tǒng)任務(wù) 、 星型組網(wǎng)任務(wù) 、網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點交互任務(wù) 、臨控中心端監(jiān)聽任務(wù) 等一系列應(yīng)用任務(wù)，從而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件的應(yīng)用功能。4主機監(jiān)控軟件的設(shè)計本系統(tǒng)最終目的是將采集到的車載傳感器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)樣本。除此以外，作為整個系統(tǒng)的主控方和數(shù)據(jù)采集請求的發(fā)起者，需要能夠按照要求發(fā)送數(shù)據(jù)請求信號。根據(jù)以上要求，在環(huán)境下開發(fā)了一個基于對話框的應(yīng)用程序。這個應(yīng)用程序包括了個模塊:①實時數(shù)據(jù)顯示波形模塊。該模塊的作用是將節(jié)點的數(shù)據(jù)以波形的形式實時地進行顯示，實現(xiàn)的方式是利用 和 控件。②拓撲顯示模塊。當(dāng)用戶希望了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)建情況時，可以查看拓撲信息欄，了解網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的加入和丟失情況。③歷史數(shù)據(jù)顯示模塊。在車載網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(zhǔn)確的判定。借助歷史數(shù)據(jù)顯示模塊，可以將監(jiān)控中心從車載網(wǎng)關(guān)中得到的數(shù)據(jù)，按照不同節(jié)點的屬性、地址和時間分別保存到數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)字段中，并可以通過波形圖的方式將歷史數(shù)據(jù)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(guān)心某一個車載傳感器節(jié)點的數(shù)值，或者需要對某一個傳感器進行閾值設(shè)置，以便待監(jiān)測的環(huán)境出現(xiàn)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(yīng)的設(shè)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行了解和使用。測試與驗證1組網(wǎng)測試測試設(shè)備 個 芯片節(jié)點，個作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其余個作為傳感器節(jié)點。測試方法：網(wǎng)關(guān)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(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到傳感器節(jié)點的 幀后， 閃爍一次；當(dāng)傳感器節(jié)點收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的分配地址后， 也閃爍一次。至此，組網(wǎng)過程和地址綁定過程完成。4.2ZigBee

射頻通信測試測試設(shè)備： 節(jié)點個，計算機終端臺。測試方法：根據(jù) 傳輸?shù)膸袷?，實際傳輸總字節(jié)數(shù)為 即個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)包。根據(jù)設(shè)定的軟件參數(shù)，如有數(shù)據(jù)包丟失則丟包數(shù)加。若接收到數(shù)據(jù)包，則接收數(shù)據(jù)包數(shù)加 然后與發(fā)送數(shù)據(jù)進行比較，若數(shù)據(jù)正確則正確包數(shù)加反之錯誤包數(shù)加。最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果，就可以知道數(shù)據(jù)的丟包率和誤包率。個節(jié)點組建一個網(wǎng)絡(luò)，其中個作為網(wǎng)關(guān)，其余個節(jié)點作為傳感器節(jié)點。編寫程序設(shè)定：個節(jié)點均與網(wǎng)關(guān)通信，計算機終端與網(wǎng)關(guān)通過相連終端設(shè)備軟件記錄從個節(jié)點接收數(shù)據(jù)的情況，節(jié)點工作在頻段下，傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，循環(huán)發(fā)送次。最后取得個節(jié)點的測試平均數(shù)作為數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。星形網(wǎng)射頻通信誤碼率測試結(jié)果如表所列。表果形網(wǎng)射藪通信誤四率測試結(jié)果通信距離收到數(shù)據(jù)包數(shù)/今丟包率誤碼率/mn值(天障礙)正確數(shù)/(%)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(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)傳輸，測試結(jié)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(wǎng)關(guān)節(jié)點和傳感器節(jié)點的功耗情況，測試結(jié)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(wǎng)關(guān)節(jié)點r43-450.55怡贍器節(jié)點14-150.85結(jié)語本文分析和協(xié)議，結(jié)合通信