基于無線傳感器網絡的溫度采集系統研究

王亮，刑達波

中國飛行試驗研究院，陜西省 西安市 710089

基于無線傳感器網絡的溫度采集系統研究

王亮，刑達波

中國飛行試驗研究院，陜西省 西安市 710089

提出一種基于ZigBee技術的無線溫度數據采集方案。對傳統的飛行試驗中的溫度測量采集系統進行了分析，設計了無線溫度數據采集及傳輸節點，通過交換機將溫度數據按以太網協議傳輸到遙測系統或存儲到網絡記錄器。對測試系統中關鍵的時間同步問題進行了闡述，提供了解決方案。系統滿足飛行試驗對機艙溫度數據參數的要求。

無線傳感器網絡；溫度采集；時間同步

引言

在民用客機的取證試飛中，需要對機艙內的環境溫度進行取樣評估，由于機艙內空間很大，采樣點非常多，傳統的溫度采集系統采用有線形式，存在著線纜眾多、靈活性差、成本高的問題，加大了飛機改裝的難度，也消耗了適航取證的寶貴時間。

無線傳感器網絡是由部署在檢測區域內的大量具有無線射頻功能的傳感器節點組成，通過無線網絡通信技術將數據發送至網關節點的自組織網絡系統。ZigBee協議是一種短距離無線通信技術，專門用于無線傳感器網絡，在智能控制、無線監控和環境監測等領域得到了廣泛的應用[1～2]。允許隨時接入大量節點的能力，使其應用的靈活性大大提高。采用ZigBee技術的無線傳感器網絡實現機艙溫度數據采集和通信是一種切實可行的方案。

本文討論了測溫節點的硬件設計，實現了無線傳感器網絡溫度數據采集節點和匯聚節點，在此基礎上構建了溫度采集系統，解決了時間同步問題，同時結合機載網絡交換機和數據記錄器，實現了溫度參數的無線采集、傳輸和記錄。

1.設計方案

本系統通過測溫節點（RFD）對溫度傳感器進行采樣，以ZigBee協議發送至匯聚節點（FFD），匯聚節點匯總溫度數據，按以太網標準形式將數據通過以太網接口傳輸至交換機，最后到達遙測系統和記錄器。主交換機通過GPS進行對時，成為全網絡的主時鐘，之后通過對時協議將全網絡設備的時鐘同步。總體設計框圖如圖1所示。

圖1 無線溫度采集系統組成

1.1 測溫節點

測溫節點的硬件主要由電源模塊、ZigBee無線模塊和傳感器接口電路等模塊組成。結構框圖如圖2所示。

圖2 測溫節點結構框圖

電源管理模塊負責給測溫節點的各個模塊供電，測溫模塊負責采集溫度參數，經調理電路后送入處理芯片（CC2430），處理好的數據經無線收發器發送給匯聚節點，在發送和接收數據時，指示燈進行閃爍指示工作狀態；JTAG接口用來進行本地調試。

測溫模塊采用Pt100溫度傳感器，零度電阻值為100Ω，電阻溫度系數為0.3851 Ω/℃，是中低溫區最常用的一種溫度檢測傳感器。

1.2 匯聚節點

匯聚節點連接無線傳感器網絡與外部網絡，實現協議之間的轉換。同時，擔負組網任務，協調時間同步和采集任務，把采集的數據轉發到外部網絡。本文設計了一種無線傳感器網絡與以太網總線的匯聚節點。

與采集節點不同，匯聚節點承擔的任務繁重，所以采用MSP430和CC2420組成處理芯片和射頻芯片的部分，接收采集數據和協調任務，網絡部分采用DM9000以太網接口芯片，將單片機接受的數據進行以太網幀封裝，發送。完成數據和外部網絡的交換。結構框圖如圖3所示。

圖3 匯聚節點的硬件框圖

CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA 4個引腳表示收發數據的狀態;而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發送命令；系統的網絡接口部分主要完成物理層和鏈路層的功能。MSP430作為主控芯片，采用ISA16bit模式與DMA9000進行連接，P9與P10同數據總線SD[0~15]相連，CMD與P8.1相連，高為數據控制，低為地址控制。INT,IOR,IOW,AEN,WAIT,RST與P8.2～P8.7相連，POW_RST懸空，用來初始化DM9000。

圖4 PTP同步

2.時間同步問題及解決方案

時鐘同步在測量和控制系統中是一個非常重要的因素。機載測試系統當中對時鐘同步要求十分嚴格，現行的Intemet網絡時間協議NTP(network time protoco1)、簡單網絡時間協議SNTP(simple network time protoco1)等只能達到毫秒級，不能達到所要求的同步精度，在這種情況下，IEEE Precision Time Protocol(PTP) 1588標準同步精度可達到微秒級，滿足了高精度網絡測量的時鐘精確同步的需求。目前該標準已經在新一代飛行試驗網絡測試系統中得到了廣泛的應用。

網絡中最精確的時鐘同步其它時鐘。網絡中有兩種角色：主時鐘（用來同步其它時鐘）和從時鐘（被同步）。所有的時鐘都可以作為主或從角色。整個系統中最佳的時鐘為最高級時鐘，有著最好的穩定性、精確性。有最佳主時鐘算法自動選擇各子網內的主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步[3～5]，PTP協議同步過程如圖4所示。

PTP協議通過在網絡中連續的發送一系列時間信息，檢測主從時鐘之間的偏移和網絡中信息的傳輸延遲，進行時鐘的偏差修正。主時鐘以確定的時間間隔周期性的發送同步信息（Sync message）到從時鐘。時間戳機制以最高精度記錄精確的發送時間t1，并將其以第二條信息的形式，即Follow_up message，發送給從設備。從時鐘測量并記錄Sync message的精確接收時間。接收到Sync和相對應的Follow_up message后，從時鐘計算相對于主時鐘的偏移進行校正。現在，主從時鐘之間的差就是Sync message在網絡中傳輸的傳輸延遲。因此，需要另一個信息的交換來測量主從時鐘之間的延遲。從時鐘發送一個叫做延遲請求（Delay_Req）的數據包到主時鐘。測量這條信息的精確發送和接收時間t3和t4。延遲響應（Delay_Resp）信息攜帶t4發送到從時鐘，現在延遲和偏差就可以從4個時間戳t1,t2,t3和t4中計算出來：

延遲+偏差=△1=t2-t1

延遲-偏差= △2=t4-t3

延遲= (△1+△2)/2

偏差= (△1-△2)/2

另外，連續的同步測量可以補償從時鐘的頻率漂移。為了不至于因頻繁的同步導致數據傳輸受阻，將同步間隔設定為2秒。

3.試驗結果

將上述方案設計的無線溫度測試系統與傳統機載測試系統進行比較試驗，通過多次對比分析，無線溫度采集系統達到傳統系統的采集精度。表1是幾個測溫點的數據的對比。

表1 試驗結果

從實際測量結果可以看出測量誤差很小，在合理范圍內，滿足飛行試驗測試要求。測量值與標準值之間的誤差主要是由于傳感器本身存在誤差，網絡傳輸過程不會引入誤差。

4.結語

針對飛行試驗中機艙溫度測量的不足，基于無線傳感器網絡的溫度采集系統，充分利用單片機的高集成度，體積小，功耗低，無布線需求，性能可靠等特點，克服了傳統測量的不足，從實際測試數據可以看出，系統的精度達到要求，能夠滿足實際使用要求，有廣泛的利用價值。

[1]戴善溪,張效民.基于ZigBee技術的數字式溫濕度檢測網絡設計[J].國外電子測量技術,2010,29(2):47～49.

[2]李風保,李凌.無線傳感器網絡技術綜述[J].儀器儀表學報,2005,8(26):559～561.

[3]IEEE Standard.1588-2002,IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2002

[4]EIDSON J C.IEEE-1588 standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control[J].SystemsTest and Measurement Applications,2005(10):10～13

[5]張妍,孫鶴旭.IEEE-1588在實時工業以太網中的應用[J].微計算機信息,2005,21(9):19～21

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.076