基于无线传感器网络的振动监测系统的研制
摘要
一些灾难性事件如地震等会对建筑物的结构产生肉眼看不到的破坏，这些损伤严重威胁着人类的生命财产安全。通过对建筑物的振动情况实时监测，可以减少甚至避免不必要的损失。此外建筑随着时间的推移也会因为侵蚀、老化、冲刷等影响而逐步退化，产生不安全因素。因此对建筑物的实时、周期监测，显得十分必要。无线传感器网络监测系统较传统的监测系统相比具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适合对远程环境、设备、设施的状况进行监测，应用前景十分广阔。据此，本文以交通部西部开发项目“桥梁无线监测技术研究与开发”课题为依托，设计了一种振动监测传感器节点并组成无线网络，可以对大型结构进行振动监测，为结构健康监测提供数据，具有重要的应用价值。
本文主要介绍系统中无线传感器节点的设计以及无线通讯协议的实现。无线传感器网络中的节点采用电池供电，可以使用的电能非常有限，因此节约无线传感器节点的能量是无线传感器网络软硬件设计的核心问题。本设计从节点硬件设计到软件协议实现都围绕节能的核心进行。首先，在器件选型上，尽量用低功耗芯片：节点的微处理器采TI公司的MSP430F149超低功耗单片机；传感器采用ANALOG DEVICES公司生产的单片集成加速度传感器ADXL105；AD转换芯片采用TI公司16位微功耗高速采样模数(A／D)转换器ADS8325：射频收发单元采用nRF905。其次，在协议设计上，设计实现了基于CSMA／CA的媒体接入控制方式，在非工作时间内节点处于低功耗模式。定时时间到，一个采集周期开始，节点进入工作模式，收到主节点发来的同步信号后开始采集、发送数据。最后，本文给出了实验结果，证明了设计的无线传感器节点以及通信协议能够正确工作，并对系统的不足，提出了改进方案。
Extreme events like earthquakes can cause sever damage to the health of civil infrastructures which is usually invisible. Such damage may threaten the safety and property of the people. The loss of life and property caused by collapse of civil infrastructures can be effectively reduced, or even avoided through the near real-time structure condition monitoring systems. In addition to the extreme events, the civil infrastructure will undergo gradually deterioration over its life span due to corrosion, fatigue, scour, etc. So, periodic condition monitoring is a very important method to provide information about the soundness of the civil infrastructure over its operational life. Compared with the traditional monitoring systems, the wireless sensor networks have many advantages, such low cost, easy installation, low cost of maintenance and update. Therefore, wireless sensor networks have a very wide range of prospects for application, and have become one of the hottest research field .Thus, under the project of Research and development of bridge wireless monitoring technology founded by the Ministry of Communications, this paper designs a kind of vibration monitoring sensor node, then organizes these sensor nodes into a wireless network for structural health monitoring.
This paper mainly introduces the design and implementation of the wireless sensor node and the realization of the wireless communication protocol. The wireless sensor node usually uses battery to supply energy, so the energy is limited. As a result, how to save the energy of the wireless sensor networks is the core issue in the hardware and software design of the network. With the consideration the core issue, the hardware and software are designed in this paper. On the one hand, we choose micro-power chips: the MCU of the nodes is the ultra low energy embedded processor MSP430F149 manufactured by the Texas Instrument Company, and the sensor unit is ADXL105, a monolithic IC accelerometer made by ANALOG DEVICES Company. The analog to digital converter is ADS8325, which is a 16-bit, high-speed, micro-power chip of TI
本文主要介绍系统中无线传感器节点的设计以及无线通讯协议的实现。无线传感器网络中的节点采用电池供电，可以使用的电能非常有限，因此节约无线传感器节点的能量是无线传感器网络软硬件设计的核心问题。本设计从节点硬件设计到软件协议实现都围绕节能的核心进行。首先，在器件选型上，尽量用低功耗芯片：节点的微处理器采TI公司的MSP430F149超低功耗单片机；传感器采用ANALOG DEVICES公司生产的单片集成加速度传感器ADXL105；AD转换芯片采用TI公司16位微功耗高速采样模数(A／D)转换器ADS8325：射频收发单元采用nRF905。其次，在协议设计上，设计实现了基于CSMA／CA的媒体接入控制方式，在非工作时间内节点处于低功耗模式。定时时间到，一个采集周期开始，节点进入工作模式，收到主节点发来的同步信号后开始采集、发送数据。最后，本文给出了实验结果，证明了设计的无线传感器节点以及通信协议能够正确工作，并对系统的不足，提出了改进方案。
Extreme events like earthquakes can cause sever damage to the health of civil infrastructures which is usually invisible. Such damage may threaten the safety and property of the people. The loss of life and property caused by collapse of civil infrastructures can be effectively reduced, or even avoided through the near real-time structure condition monitoring systems. In addition to the extreme events, the civil infrastructure will undergo gradually deterioration over its life span due to corrosion, fatigue, scour, etc. So, periodic condition monitoring is a very important method to provide information about the soundness of the civil infrastructure over its operational life. Compared with the traditional monitoring systems, the wireless sensor networks have many advantages, such low cost, easy installation, low cost of maintenance and update. Therefore, wireless sensor networks have a very wide range of prospects for application, and have become one of the hottest research field .Thus, under the project of Research and development of bridge wireless monitoring technology founded by the Ministry of Communications, this paper designs a kind of vibration monitoring sensor node, then organizes these sensor nodes into a wireless network for structural health monitoring.
This paper mainly introduces the design and implementation of the wireless sensor node and the realization of the wireless communication protocol. The wireless sensor node usually uses battery to supply energy, so the energy is limited. As a result, how to save the energy of the wireless sensor networks is the core issue in the hardware and software design of the network. With the consideration the core issue, the hardware and software are designed in this paper. On the one hand, we choose micro-power chips: the MCU of the nodes is the ultra low energy embedded processor MSP430F149 manufactured by the Texas Instrument Company, and the sensor unit is ADXL105, a monolithic IC accelerometer made by ANALOG DEVICES Company. The analog to digital converter is ADS8325, which is a 16-bit, high-speed, micro-power chip of TI
引文
[1] 张宏锋．基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究．武汉：武汉理工大学学报，2006年8月第28卷第8期．
[2] 徐金星．无线传感器网络设计与研究(硕士学位论文)．杭州：浙江大学，2005．
[3] 孙利民，李建中，陈渝．等．无线传感器网络．北京：清华大学出版社，2005．
[4] 贾伯年，俞朴．传感器技术．东南大学出版社 1992．
[5] 柯炜．无线传感器网络关键技术及其研究难点．电信科学，2005年第6期．
[6] J.P. Lynch, A. Sundararajan. Power-Efficient Data Management for a Wireless Structural Monitoring System. Proceedings of the 4th International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford, CA, USA, September 15-17,2003.
[7] 马春庭，高萍，关士成，高文汉．地面战场侦察传感器系统的发展状况及技术分析．军械工程学院学报．2003，15(4)：15-20．
[8] 刘婷．一种无线传感器网络节点的设计．世界电子元器件，2006年一月总第128期．
[9] 王万里．无线传感器网络及其微型操作系统的研究．计算机应用研究，2005年第9期．
[10] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
[11] 沈建华．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2004．
[12] 吴淇泰．振动分析．浙江大学出版社 1989，5．
[13] 张思．振动测试与分析技术．清华大学出版社 1992．
[14] http://hi.baidu.com/mjy2008/blog/item/d6181ed50ab881c450da4ba7.html
[15] 李文芳．ADC的选择及其使用中注意的问题。太原：山西电子技术，2006年第五期．
[16] 16-bit, high-Speed, 2.7Vto5.5V MicroPower Sampling ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER.
[17] 铁电存储器原理及应用比较．www.duozhao.com．
[18] 刘德贤．非易失性铁电存储器芯片FM18L08原理及其应用．微计算机信息，2006年2月．
[19] 刘琐，李辉，顾亮．射频识别技术软硬件系统研制．电子技术，2002年第3期．
[20] 高章飞，朱善安．基于MSP430和nRF905的多点无线通讯模块．电子器件，2006年3月．
[21] 张铭，刘银峰．基于nRF401的PC机无线收发模块的设计．电子技术应用，2002年第4期．
[22] 黄智伟．射频集成电路芯片原理与应用电路设计．北京：电子工业出版社 2004．
[23] 运贵祯．射频电路的分析和设计．北京：北京广播学院出版社，2003．
[24] Cart, Joseph J. Secrets of RF circuit design. New York:McGraw-Hill, 2001.
[25] 陈邦嫒．射频通信电路．北京：科学出版社 2002．
[26] 张洁萍．高速印制电路板的设计及布线要点．印制电路信息，2005年第5期．
[27] 高传善．无线传感器路由协议研究综述．世界科技研究与发展．2005年8月：1-8．
[28] 于宏毅．无线移动自组网．北京：人民邮电出版社，2005年8月．
[29] Venkata A. Kottapalli. Two-tiered wireless sensor network architecture for structural health monitoring. SPIE' s 10th Annual International Symposium and Materials. March 2-6,2003.
[30] R. Bruno, M. Conti and E. Oregori. "A simple protocol for the dynamic tuning of the back off mechanism in IEEE 802.11 networks". Computer Networks, vol. 37, pp. 33-44, 2001.
[31] Gislason Drew, Gilman Tim. ZigBee wireless sensor networks. Dr. Dobb's Journal, v29nl 1, November, 2004, p40-42.
[32] 张维勇，冯琳，魏振春．Zigbee实现家庭组网技术的研究．合肥工业大学学报(自然科学版)，2005(7)：755-759．
[33] Liu Gang Zhou. Energy-efficient in the wireless sensor networks}J}. Journal of Information and Computation Science, v2, n4, December, 2005, p723-728.
[34] 鲁士文．计算机网络协议和实现技术．清华大学出版社，2000，p146-153．
[35] 解读IEEE802.11标准http://cs.nju.edu.cn/yangxc/dcc2003.files/jszc-sub/jszc-060.html．
[36] 常用标准简介[中国电子论坛]http://www.ecbbs.com/dispbbs.asp?boardID=2005&ID=6739．
[37] 鲁士文．计算机网络协议和实现技术．清华大学出版社，2000，p1230-236．
[38] 载波侦听多路访问／冲突避免(CSMA／CA)协议．http://baike.chinaecnet.com/eewiki http://www.hbzhy.net/mingci/liebiao/200701/5087.html．
[39] 徐文龙，李立宏．无线传感器网络MAC层协议的对比研究．信息技术，2005(9)：88-90．
[40] 王道平，张义忠．故障智能诊断系统的理论与方法．第1版．北京：冶金工业出版社，2001．
[41] 付彬．RF电路设计中的常见问题及解决方案．单片机与嵌入式系统应用，2005(4)73-74．
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