車載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)車載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借助通用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為車載系統(tǒng)擴(kuò)展了監(jiān)控范圍和監(jiān)控功能，實(shí)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?fù)淇刂?、拓?fù)洳樵兊裙δ?。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；引言為了滿足人們對(duì)車載安全性、操控性以及舒適性的要求，車載上集成了越來(lái)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(jìn)行控制。本文基于和標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，逐步實(shí)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(jì)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(kuò)展為無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并能分別將各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)串將數(shù)據(jù)上傳到主機(jī)上在主機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形顯示，并以數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(jì)的目的是用一個(gè)監(jiān)控主機(jī)端來(lái)檢測(cè)多個(gè)待測(cè)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(shí)分復(fù)用的方式，逐個(gè)對(duì)網(wǎng)內(nèi)的終端采集點(diǎn)進(jìn)行控制采集。如圖所示，該車載系統(tǒng)分個(gè)部分：車載監(jiān)控中心、車載網(wǎng)關(guān)和車載傳感器節(jié)點(diǎn)。車載網(wǎng)關(guān)是整個(gè)車載系統(tǒng)的核心，可以和所有的車載傳感器節(jié)點(diǎn)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(hào)后發(fā)送給車載傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)車載傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)車載網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(jìn)一步處理。此外，車載傳感器節(jié)點(diǎn)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(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)n圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體圖車載傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期由活躍期和休眠期構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)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(wú)線射頻模塊以節(jié)省能量，直到下一個(gè)活躍期來(lái)臨。系統(tǒng)通過(guò)這種休眠機(jī)制來(lái)減少系統(tǒng)的能量消耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)整體壽命。本系統(tǒng)用機(jī)作為監(jiān)控中機(jī)上的監(jiān)控軟件在環(huán)境下開(kāi)發(fā)，是一個(gè)基于對(duì)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(jì)中，它的功能不限于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，所有的數(shù)據(jù)采集由監(jiān)控軟件通過(guò)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)的方式觸發(fā)?？紤]到原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)的處理與深入的分析，才能對(duì)車載系統(tǒng)的狀況進(jìn)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(lái)講，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都受控于主機(jī)監(jiān)控軟件，工作過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都不需要人為的參與。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(gè)異步串行通信接 、個(gè)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(diǎn)對(duì)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(gè)接信號(hào)分別是、、［亍、。主控通過(guò)控制信號(hào)!?『】、.?退出睡眠模式或休眠模式，通過(guò)無(wú)；了來(lái)復(fù)位收發(fā)器，通過(guò)來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，或者強(qiáng)制收發(fā)器進(jìn)入空閑模式。由傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)的通道位轉(zhuǎn)換后輸入到。通過(guò)進(jìn)行的讀寫操作，并把傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)發(fā)射出去。的中斷通過(guò)引腳和中斷寄存器來(lái)判斷中斷類型。通過(guò)If.偵十引腳來(lái)控制進(jìn)入不同的工作模式。對(duì)傳感器的控制信號(hào)可以從的天線接收進(jìn)來(lái)，通過(guò)傳送到上經(jīng)過(guò)的判斷處理后通過(guò)傳送到傳感器上，完成對(duì)傳感器的控制。同時(shí)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(jì)1軟件整體設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)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(jì)。著重要考慮的因素一個(gè)是效率，另一個(gè)是設(shè)計(jì)的清晰性。車載系統(tǒng)軟件由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)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?yàn)?協(xié)議棧編程模型采用層次設(shè)計(jì)，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(tái)的移植只需修改 和 層，其上各層可以屏蔽硬件差異直接運(yùn)行。如圖所示，本設(shè)計(jì)把軟件分為系統(tǒng)平臺(tái)層、協(xié)議層和應(yīng)用層層。同時(shí)，定義了個(gè) 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(yǔ)言就能直接訪問(wèn)硬件寄存器來(lái)控制硬件。系統(tǒng)平臺(tái)層建立在 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，為協(xié)議層提供系統(tǒng)服務(wù)。硬件驅(qū)動(dòng)模塊提供硬件驅(qū)動(dòng)程序，所有對(duì)硬件的控制都通過(guò)該模塊提供的服務(wù)。系統(tǒng)平臺(tái)層通過(guò)協(xié)議層接為協(xié)議層提供服務(wù)。協(xié)議層則實(shí)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(guò)應(yīng)用層接來(lái)調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù)，實(shí)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(huì)調(diào)用協(xié)議層提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也會(huì)直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和查詢，這主要是通過(guò)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此該模塊會(huì)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)長(zhǎng)期使用的功能需求，傳感器節(jié)點(diǎn)中軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是既能實(shí)現(xiàn)所需的功能，又能最大限度地減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，模塊的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中央處理器和傳感模塊的能耗。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)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(diǎn)上電各功能模塊初始化完成、并加入了網(wǎng)絡(luò)后，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，中央處理器周期地被定時(shí)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(diǎn)的工作流程如圖所示。X網(wǎng)關(guān)基褂.時(shí)間采集數(shù)據(jù)圖傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)車載網(wǎng)關(guān)向下管理傳感器節(jié)點(diǎn)，向上完成和監(jiān)控中心的交互，需要進(jìn)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(gè)網(wǎng)關(guān)，為應(yīng)用任務(wù)的高效運(yùn)行提供良好的軟件平臺(tái)支撐。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，將 、協(xié)議有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)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(kāi)發(fā)應(yīng)用程序?；?擴(kuò)展的網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)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(diǎn)交互任務(wù) 、臨控中心端監(jiān)聽(tīng)任務(wù) 等一系列應(yīng)用任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件的應(yīng)用功能。4主機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)最終目的是將采集到的車載傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到主機(jī)，并在主機(jī)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(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的主控方和數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求的發(fā)起者，需要能夠按照要求發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)。根據(jù)以上要求，在環(huán)境下開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序。這個(gè)應(yīng)用程序包括了個(gè)模塊:①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示波形模塊。該模塊的作用是將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以波形的形式實(shí)時(shí)地進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)的方式是利用 和 控件。②拓?fù)滹@示模塊。當(dāng)用戶希望了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)建情況時(shí)，可以查看拓?fù)湫畔冢私饩W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(yùn)行到一定時(shí)期，可能需要對(duì)過(guò)去某一段時(shí)間的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的處理與深入的分析，以便對(duì)車載系統(tǒng)的狀況進(jìn)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(diǎn)的屬性、地址和時(shí)間分別保存到數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)字段中，并可以通過(guò)波形圖的方式將歷史數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，供用戶分析。④控制模塊。在車載系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能關(guān)心某一個(gè)車載傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，或者需要對(duì)某一個(gè)傳感器進(jìn)行閾值設(shè)置，以便待監(jiān)測(cè)的環(huán)境出現(xiàn)異常情況可以及時(shí)地報(bào)告給系統(tǒng)。這些都可以通過(guò)控制模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，控制模塊還可以對(duì)系統(tǒng)中的某個(gè)不需要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除操作?？傊?，通過(guò)主機(jī)監(jiān)控軟件用戶可以直觀且多方面地對(duì)通用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了解和使用。測(cè)試與驗(yàn)證1組網(wǎng)測(cè)試測(cè)試設(shè)備 個(gè) 芯片節(jié)點(diǎn)，個(gè)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其余個(gè)作為傳感器節(jié)點(diǎn)。測(cè)試方法：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，個(gè) 同時(shí)點(diǎn)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(diǎn)上電后，個(gè) 在掃描信道的同時(shí)，輪詢點(diǎn)亮。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)的 幀后， 閃爍一次；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的分配地址后， 也閃爍一次。至此，組網(wǎng)過(guò)程和地址綁定過(guò)程完成。4.2ZigBee

射頻通信測(cè)試測(cè)試設(shè)備： 節(jié)點(diǎn)個(gè)，計(jì)算機(jī)終端臺(tái)。測(cè)試方法：根據(jù) 傳輸?shù)膸袷?，?shí)際傳輸總字節(jié)數(shù)為 即個(gè)字節(jié)為一個(gè)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(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)正確則正確包數(shù)加反之錯(cuò)誤包數(shù)加。最后統(tǒng)計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中個(gè)作為網(wǎng)關(guān)，其余個(gè)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)。編寫程序設(shè)定：個(gè)節(jié)點(diǎn)均與網(wǎng)關(guān)通信，計(jì)算機(jī)終端與網(wǎng)關(guān)通過(guò)相連終端設(shè)備軟件記錄從個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的情況，節(jié)點(diǎn)工作在頻段下，傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，循環(huán)發(fā)送次。最后取得個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試平均數(shù)作為數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。星形網(wǎng)射頻通信誤碼率測(cè)試結(jié)果如表所列。表果形網(wǎng)射藪通信誤四率測(cè)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(shí)驗(yàn)分析:在星形網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試結(jié)果明顯差于單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)傳輸方式。這主要是因?yàn)?，在傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間存在一定的頻率干擾和其他干擾。3功耗測(cè)試作狀態(tài)和休眠狀態(tài)下，分別使用萬(wàn)用表測(cè)試網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗情況，測(cè)試結(jié)果如表所列。表2功耗測(cè)試節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)下待機(jī)狀東下/mA/mA網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)r43-450.55怡贍器節(jié)點(diǎn)14-150.85結(jié)語(yǔ)本文分析和協(xié)議，結(jié)合通信