基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)溫度測量系統(tǒng)

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)溫度測量系統(tǒng)郭景濤侯明鋒趙健張洪力（天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津；國家電能表質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（天津），天津；平津戰(zhàn)役紀(jì)念館，天津）摘要文中論述了基于【無線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)溫度測量系統(tǒng)的硬件組成和軟件協(xié)議。與傳統(tǒng)有線傳感器測溫系統(tǒng)相比，無線系統(tǒng)具有很高的靈活性，表現(xiàn)為傳感器數(shù)量可擴(kuò)充，空間覆蓋范圍廣，主機(jī)可置于被測空間之外的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞計量學(xué)；溫度測量；傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)絡(luò)：一引言 通常要求實驗室的室內(nèi)溫度場穩(wěn)定且均勻。例如電能表校準(zhǔn)實驗搴，檢定規(guī)程要求室內(nèi)工作區(qū)域溫度為±。檢測實驗室溫度場是否達(dá)標(biāo)需要借助于多點(diǎn)測溫儀。目前常規(guī)多點(diǎn)測溫儀的溫度探頭采用電纜與主機(jī)

2、相連，應(yīng)用受到諸多限制。首先靈活性較差，一方面表現(xiàn)為探頭數(shù)量受主機(jī)探頭插槽數(shù)量的限制，無法根據(jù)需要擴(kuò)充；另一方面表現(xiàn)為傳感器安放的位置受到電纜的限制。其次由于傳感器與主機(jī)采取有線連接，主機(jī)通常需要安放于被測室內(nèi)，其本身有一定功率消耗，在被測空間區(qū)域較小或要求精度較高的場合該功耗會對測量造成不利影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫系統(tǒng)以無線信道為信號的傳輸媒介，克服了上述有線傳感器測溫系統(tǒng)的諸多不足。此外傳感器網(wǎng)絡(luò)作為通用測量平臺，配以不同類型傳感器（如濕度傳感器、振動傳感器等）即可構(gòu)成相應(yīng)的測量系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。原理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)，工作于個頻段（，）個信道，數(shù)據(jù)率最高可達(dá)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3、分為星形拓?fù)?、簇狀拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洌▓D）。其中簇狀拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)渚粋€主控節(jié)點(diǎn)和若干個路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)，因而可以實現(xiàn)多跳數(shù)據(jù)通信，覆蓋范圍加大，路由可因地制宜動態(tài)調(diào)整。將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于測溫系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性和適用范圍，彌補(bǔ)了有線測溫系統(tǒng)的不足。圖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嗵ㄐ挪捎脽o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以根據(jù)需要靈活設(shè)置（最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量由協(xié)議確定）；由于采用多跳通信方式，系統(tǒng)所覆蓋的范圍不受無線收發(fā)模塊的通信范圍限制，因此，較基站式無線系統(tǒng)有更大的覆蓋空間；此外，主機(jī)可以置于被測室外部，從而將測量儀器本身對被測量的影響降到最低。圖為有線、基站式無線和無線測溫儀示意圖。（）圖中，主機(jī)通

4、過電纜與傳感器，、：、，連接，傳感器數(shù)量及空間位置嚴(yán)格受限：（）圖中，主機(jī)為無線基站，通信只能發(fā)生在基站與傳感器節(jié)點(diǎn)之間，：、，位于無線覆蓋范圍內(nèi)，可以與通信，而。位于覆蓋范圍外，因萬方數(shù)據(jù)而無法與通信；（）圖中，主機(jī)為網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，雖然位于無線覆蓋范圍之外，但處于：覆蓋范圍內(nèi)，因此，可以通過：與通信，此時，充當(dāng)了路由節(jié)點(diǎn)。如果有更多的節(jié)點(diǎn)加入這一系統(tǒng)，那么只需要保證新節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)任意現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的無線覆蓋范圍之內(nèi)就能實現(xiàn)與之間的多跳通信。這一限制相比于基站式無線網(wǎng)絡(luò)要寬松得多。圖各類測溫系統(tǒng)示意圖設(shè)計目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)為：系統(tǒng)工作在的頻段；可容納的最大傳感器數(shù)量不少于；無障礙物條件下，單個傳感器

5、節(jié)點(diǎn)最大覆蓋半徑不低于；節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑可根據(jù)需要調(diào)整，傳感器密度較大空間內(nèi)，應(yīng)減小無線發(fā)射功率以降低功耗提高電源維持時間；由于承擔(dān)路由任務(wù)的節(jié)點(diǎn)功耗較高，因此能夠應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)動態(tài)選擇路由；典型情況下，以次的采樣頻率，系統(tǒng)應(yīng)能連續(xù)工作以上；主機(jī)接收節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的延時不超過；當(dāng)發(fā)生電池耗盡導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)斷裂時，與主機(jī)失去聯(lián)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)將數(shù)據(jù)保存于自身的存儲器內(nèi)。節(jié)點(diǎn)組成如圖所示，測溫系統(tǒng)由主機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成。主機(jī)為一臺集成了處理器、顯示器、控制鍵盤、數(shù)據(jù)存儲卡和無線收發(fā)模塊的嵌入式計算機(jī)，與常規(guī)測溫儀主機(jī)的不同之處在于增加了無線收發(fā)模塊。該模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊完全相同（將在下文中詳細(xì)介紹

6、），此外主機(jī)仍然保留了傳感器電纜插槽，以兼容有線傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)為自制系統(tǒng)（圖），擁有控制模塊、無線收發(fā)模塊、電源管理模塊和傳感器模塊。在各模塊的設(shè)計和元件的選取中兼顧了節(jié)點(diǎn)可靠性、運(yùn)算能力、吞吐量、無線覆蓋范圍、功耗、成本和軟件資源等多方面因素。圖傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖控制模塊控制模塊以單片機(jī)為核心。該芯片為的低功耗版本，采用精簡指令集，以字為指令長度單位，將操作碼和操作數(shù)安排在一字之中，取指周期短，并可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)。其主要特點(diǎn)包括：）先進(jìn)的精簡指令結(jié)構(gòu)；）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器；）接口；）豐富的外設(shè)資源；）上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測。無線收發(fā)模塊主芯片采用公司推出的射頻芯片怛，符

7、合標(biāo)準(zhǔn)，適用于產(chǎn)品。該芯片只需極少外圍元件，性能穩(wěn)定且功耗極低。芯片支持的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)，可實現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。其層和物理層協(xié)議都符合規(guī)范，工作于面許可證的頻段。該芯片的主要特性參數(shù)為：）工作頻帶；）采用要求的直接序列擴(kuò)頻方式；）數(shù)據(jù)率達(dá)到，碼片速率達(dá)；）采用調(diào)制方式；）超低電流消耗（接收：，發(fā)送：）高接收靈敏度（一）；）抗鄰道干擾能力強(qiáng)（）；）內(nèi)部集成有、以及電源整流器，采用低電壓供電（）；）輸出功率編程可控；）層硬件支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、校驗、電源檢測、自動層安全保護(hù)（，）；）開發(fā)工具齊全；）采用一封裝，外形尺寸只有×。電源管理模塊由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，

8、又往往需要長時間連續(xù)工作，所以高效的電源管理模塊必不可少。節(jié)點(diǎn)主要能耗集中在控制器芯片和射頻芯片。電源管理模塊功能由芯片承擔(dān)。該芯片針對移動計算設(shè)備而設(shè) 萬方數(shù)據(jù)臣蜀匿計，靜態(tài)電流恤。該芯片有固定電壓和可調(diào)電壓兩個版本（圖）?？傻螂妷喊姹緢D功能框圖傳感器模塊采用，公司生產(chǎn)的芯片做傳感器。該芯片采用兩線串行輸出，溫度分辨力達(dá)到，測量范圍一。時該芯片溫度傳感器測量標(biāo)準(zhǔn)差大約為（圖），根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，片共同使測量標(biāo)準(zhǔn)差將為原來的，。該芯片內(nèi)部功能框圖如圖所示。芯片測溫的系統(tǒng)誤差可通過軟件修正。囂】“苤圖。時的溫度誤差路由協(xié)議為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸采用多路徑路由協(xié)議（）。該協(xié)議是動態(tài)源路由的擴(kuò)展。使用

9、的是有發(fā)送端確定路由，而不是由各個節(jié)點(diǎn)決定下一跳的路由。這樣做的好處是中間節(jié)點(diǎn)無需保存路由信息。是基于響應(yīng)的，不需要周期發(fā)送任何消息。這種機(jī)制排出了對周期性路由固定電壓版本溫度一一：極管溫度傳感器轉(zhuǎn)換器控制邏輯工串行接【配置與振蕩器溫度寄存器毛圖內(nèi)部功能框圖廣播和鄰近節(jié)點(diǎn)探測包。協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)和路由保持機(jī)制兩部分。保留了的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，所不同的是得到的為多個路徑。每個被發(fā)現(xiàn)的路由保存在用唯一指標(biāo)標(biāo)志的路由緩存中，以備使用。由于使用源路由，鄰接節(jié)點(diǎn)只做轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)是根據(jù)包頭的指明的路徑。源節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)平衡負(fù)載。實驗驗證計量特性計量特性主要由傳感器芯片的精度決定?？紤]到節(jié)點(diǎn)殼體具有一定的隔熱作用，因此

10、節(jié)點(diǎn)啟動到進(jìn)人工作狀態(tài)需要一定的間隔時間。下處于穩(wěn)定狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)放人恒定室溫下，節(jié)點(diǎn)所測量的數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定于環(huán)境溫度。圖為該條件下節(jié)點(diǎn)溫度讀數(shù)隨時間的變化曲線?？梢钥闯龇昼娨院笸亮拷秹艍|?。好梭?！至萬方數(shù)據(jù)宙圈節(jié)點(diǎn)讀數(shù)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)以后度數(shù)變化幅度在之內(nèi)。（）“）圖節(jié)點(diǎn)環(huán)境。時節(jié)點(diǎn)讀數(shù)還應(yīng)注意到初始狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)與被測環(huán)境的溫差越大，節(jié)點(diǎn)啟動到進(jìn)人工作狀態(tài)所需的時間就越長。圖給出了穩(wěn)定時間與溫差的關(guān)系。“）、廠、，刪（。）圖節(jié)點(diǎn)讀數(shù)穩(wěn)定時間網(wǎng)絡(luò)特性網(wǎng)絡(luò)特性主要考察自組網(wǎng)建立所需的時間以及數(shù)據(jù)采集的延時和延時抖動。網(wǎng)絡(luò)的建立時間與節(jié)點(diǎn)數(shù)量及節(jié)點(diǎn)的空間分布有關(guān)。在×的矩形區(qū)域內(nèi)，同一水平高

11、度上隨機(jī)放置個傳感器節(jié)點(diǎn)，主機(jī)位于矩形域中心處。經(jīng)過次建立連接的實驗，統(tǒng)計得出連接的平均建立時間為，建立時間方差為。當(dāng)連接建立后，從基站發(fā)出采集數(shù)據(jù)的指令到得到各個節(jié)點(diǎn)的返回數(shù)據(jù)時間各節(jié)點(diǎn)延時的平均值為，方差為。各節(jié)點(diǎn)的延時抖動小于。維持時間節(jié)點(diǎn)電池的維持時間與節(jié)點(diǎn)的空間分布、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、采樣頻率以及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。在（±）境溫度下，若采樣頻率為次，維持時間與節(jié)點(diǎn)間距之間的關(guān)系如表。表節(jié)點(diǎn)的維持時間節(jié)點(diǎn)間距采樣周期維持時間節(jié)點(diǎn)類型（）（）（）終端節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)結(jié)論與展望基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測溫系統(tǒng)克服了有線傳感器測溫系統(tǒng)的不足，能夠支持多達(dá)個傳感器節(jié)點(diǎn)，由于采用了多跳無

12、線通信技術(shù)，系統(tǒng)的覆蓋范圍顯著提高。該系統(tǒng)在典型應(yīng)用情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)小時不間斷數(shù)據(jù)采集。測溫系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息交換和處理的通用平臺，若配以不同類型的傳感器可構(gòu)成相應(yīng)的測量系統(tǒng)，具有高度可擴(kuò)展性。由于不同類型的傳感器數(shù)據(jù)率、功耗、空間分布等情況有所不同，因此需要相應(yīng)的協(xié)議支持。參考文獻(xiàn)，“一，”，“”，“，?！笔ⅢE，謝式千，潘承毅概率論與數(shù)理統(tǒng)計北京：高等教育出版社。，“，?！??！?，“，”，九，“，”，萬方數(shù)據(jù) 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)溫度測量系統(tǒng)作者：郭景濤， 侯明鋒， 趙健， 張洪力作者單位：郭景濤,侯明鋒,趙健(天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院,天津,300192;國家電能表質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(天津,天津,300192， 張洪力(平津戰(zhàn)役紀(jì)念館,天津,300131刊名：計量技術(shù)英文刊名：MEASUREMENT TECHNIQUE年，卷(期：2010(12參考文獻(xiàn)(7條3. T.L Incorporated High-Accuracy,Low-Power,D