工矿自动化
Industry and Mine Automation
No.8
Aug.2009
文章编号:1671-251X (2009)08-0119-04
基于无线传感器网络的环境监测系统的设计
毛会琼1, 陈世海1, 范建国2, 刘世奎2, 牛光东2
(1.中国矿业大学信电学院,江苏徐州 221008;2.新汶矿业集团,山东新汶 271219)
摘要:文章提出了一种基于无线传感器网络的企业环境监测系统的设计方案,详细阐述了环境监测系统
的体系结构以及无线传感器网络节点的硬件设计和软件功能的实现方法。该系统采用低功耗设计,运行稳定、精度高,可实现对企业环境在无人值守下的远程实时监测。关键词:环境监测;无线传感器网络;节点;低功耗;无人值守 中图分类号:X 84;TP212.6 文献标识码:B
Design of Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks
MAO Hui 2qiong 1, C H EN Shi 2hai 1, FAN Jian 2guo 2, L IU Shi 2kui 2, N IU Guang 2dong 2
(1.School of Information and Electrical Engineering of CUM T.,Xuzhou 221008,China.
2.Xinwen Mining Indust ry Group ,Xinwen 271219,China )
Abstract :The paper p ut forward a design scheme of enterp rise environment monitoring system based on wireless sensor networks ,and expounded t he system architect ure of environment monitoring system ,hardware design ,and implementation met hod of software f unction of wireless sensor networks nodes.The system applies low power consumption and has stable running and high precision ,which can realize remote real 2time monitoring for unattended enterp rise 2oriented environment.
K ey w ords :environment monitoring ,wireless sensor networks ,nodes ,low 2power consumption ,unattended 收稿日期:2009-04-30
作者简介:毛会琼(1978-),女,硕士,助教,2007年毕业于中国矿业大学信电学院,现为中国矿业大学信电学院教师,主要研究方向为检测技术与自动化装置。E 2mail :mhq01234567@126.com
0 引言
近年来,虽然国家相关部门加强了对环境的监督保护力度,但是仍有部分企业利用监管部门监督检查上的漏洞,将大量有毒有害物质直接超标排放到周围的环境中,使周围的人和环境受到极大的危害。传统的环境监测传感器通常采用有线方式供电和传输数据,因此,受线路铺设难、投资成本高以及人为破坏等因素影响,无法实时获取受控环境信息。为此,笔者提出了一种基于无线传感器网络的环境监测系统的设计方案,该系统主要用于监测企业是否超标排放有毒有害物质。
无线传感器网络是一种由大量体积小、成本低的微型传感器节点以无线通信方式组成的自治网络
系统。该网络系统以数据为中心,以获取信息为目
的。与传统的环境监测手段相比,采用无线传感器网络进行环境监测具有3个显著优势[1]:(1)无需布线,网络仅需部署一次,对监控环境人为影响小;(2)节点密度大,数据采集精度高;(3)传感器节点具有一定的计算、存储能力,可实现节点间协同监控,非常适用于无人值守的远程监测。因此,采用无线传感器网络来监测企业是否超标排放有毒有害物质的方法是可行的,是环境监测系统未来发展的一个方向。
1 环境监测系统的体系构架
环境监测系统主要由无线传感器网络节点、网关节点、传输网络和监控终端4个部分构成,系统体系结构如图1所示。 在需要监控的企业周围密集地部署大量的无线传感器节点,以确保数据采集的精度和网络的可靠性。传感器节点负责采集监测区环境数据,并以多
图1 环境监测系统的体系结构图
跳的方式将采集的数据传输给Sink 节点(网关节
点)。Sink 节点是网络内数据的汇聚节点,其存储、计算能力较普通节点强,且具有一定的数据融合能力。另外,Sink 节点是用来连接无线传感器网络与传输网络或者是终端用户的设备,因此可采用卫星链路、GPRS 、无人飞机、WIFI 等无线传输手段将数据传送给监控终端,也可以采用有线方式直接将数据传送给终端用户。终端用户通过对回传数据进行汇总、分析,从而作出决策[2～3]。
为了加强网络的健壮性和可靠性以及避免网络遭到人为有目的的破坏,本监测系统以Sink 节点为中心(根节点),在受监控企业周围将网络布设成树形,系统无线传输协议采用ZigBee 协议,节点间可以拓扑成星形、簇形或者网形。本设计中树形网络的所有枝节点、叶节点都采用网状拓扑结构。2 节点硬件设计
传感器节点是无线传感器网络的基本单元,节点的稳定运行是整个网络可靠的基本保证。传感器节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线传输单元和电源等4个部分组成。图2给出了以CO 监测为例的传感器节点的硬件结构,数据采集单元也可以根据监测需要采用其它种类的传感器
。
图2 传感器节点硬件结构框图
数据采集单元用于感知、获取外界的信息,并将
其转换为数字信号。数据处理单元负责控制传感器工作以及对采集的数据进行必要的处理、执行高层网络协议和控制电源的工作模式等。无线收发单元主要实现传感器节点之间的无线通信。电源为传感器节点提供运行所需的能量,通常由微型蓄电池提供。另外,本文选用DS1305时钟芯片为系统提供具体时间信息和定时触发功能,一方面使网络内所
有节点同步工作,另一方面也为网络终端用户提供确定时间依据。为保证节点长期可靠地工作,设计中选用功耗低、稳定性强的芯片。2.1 数据处理单元
传感器节点数据处理单元选用TI 公司的超低功耗16位混合信号处理器MSP430F149[4～5]。MSP430F149内置的温度传感器用于检测环境温
度,补偿校准CO 数据。A/D 转换器用于将CO 传
感器输出的模拟量转换为数字量。通过硬件乘法器,实现对CO 传感器A/D 采样数据的高速数字滤波、线性插值和温度补偿等运算。MSP430F149具有1种工作模式和5种睡眠模式,可以利用应用程序关闭MSP430F149中没有使用的模块,并根据需要切换睡眠模式和工作模式,从而大大降低系统功耗。MSP430F149的运行环境温度范围为-40～+85℃,可以适应各种恶劣的环境。因此,该芯片非常适用于低功耗无线传感器网络中的数据采集和数据处理
。数据处理单元电路如图3所示。
图3 数据处理单元电路图
2.2 数据采集单元
数据采集单元通常由传感器、放大滤波电路以
及A/D 转换电路等部分构成。本文设计的无线传感器网络主要用于监测企业是否超标排放有毒有害气体,因此,可以选用CO 、SO 2、NO 2等气体传感器。本文以监测CO 浓度为例介绍数据采集单元,传感
・021・工矿自动化2009年8月
CO/CF-1000传感器输出信号较弱,易受外界干扰。为提高系统精度,数据采集电路中采用了高精度、低噪、低温漂的集成运算放大器O P90,用来驱动CO/CF-1000传感器工作、滤波,并对采样信号进行多级放大。放大器输出与气体浓度对应的电压信号进入MSP430F149的A/D转换模块进行模数转换,再经过数字滤波、线性插值、温度补偿等处理后,得到CO浓度测量值。
2.3 无线收发单元
系统无线收发单元采用CC2420无线射频芯片[6]。CC2420是Chipcon公司推出的一款工作在ISM波段(2.4GHz)、符合IEEE802.15.4规范的RF射频芯片。该芯片性能稳定、功耗低、唤醒时间短(<30ms);采用CSMA-CA通道、状态检测等,具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力,确保通信的有效性和可靠性;最高数据传输率高达250kbit/s,可以实现多点对多点的快速组网。CC2420在硬件上集成了ZigBee协议的物理层(P H Y)及媒体访问控制层(MAC),简化了系统的开发;正常工作时需要的外部元器件极少,与主控制器接口简单,非常适用于低功耗的无线传感器网络。
MSP430F149通过SPI接口(SI,SO,SCL K, CSn)设置CC2420的工作模式,并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等;FIFO和FIFOP管脚用于设置发射/接收缓存器;CCA管脚控制清除通道估计;SFD管脚控制时钟/定时信息的输入。具体硬件电路如图4所示。
2.4 系统电源
系统工作需要双路电源:一路采用1片MAX1615,使其输出5V电压,为数据采集单元供电;另一路使用1片MAX1615,使其输出3.3V电压,为MSP430F149和无线收发单元供电。经实际测量,传感器节点在连续工作状态下,数据采集单元与无线收发单元耗电量约占系统总耗电量的90%。因此,设计中使用软件控制传感器节点定时采集环境数据,采集结束后立即关闭传感器电源。当节点采样数据不超限或无数据转发任务时,无线收发单元处于睡眠状态,从而降低节点能耗,延长节点和网络生命周期
。
图4 无线收发单元硬件电路图
3 系统软件设计
传感器节点主要实现采集、处理和发送本节点数据、转发网络中其它节点数据以及和Sink节点通信等功能。本系统设计的无线传感器网络节点应用于无人值守环境监测,采用电池供电,因此,软件设计时在考虑实现必要功能的同时,还考虑了节能问题。系统软件采用模块化编程方式,包括数据采集与处理程序、时钟控制程序、无线收发程序等。系统主程序流程如图5所示
。
图5 系统主程序流程图
网络中的节点上电复位后,发出校时请求,Sink 节点或已校时节点收到请求后,发送网络时间代码,
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2009年第8期毛会琼等:基于无线传感器网络的环境监测系统的设计 保证所有节点同步工作。由于传感器节点的电能、处理能力、存储空间以及通信带宽都十分有限,因此系统设定节点每隔30min采集一次环境数据。采集时间到,传感器开始上电预热,CO传感器需要有40s的预热时间后才能采集数据。数据采集完毕立即关闭传感器的供电电源。CO传感器输出的模拟信号进入MSP430F149的ADC12进行模数转换,再经数字滤波、线性插值、温度补偿等处理后,得出CO浓度值。然后,初始化CC2420,判断本节点采集的数据是否超限,若超限,将采集数据与时间一起打包以多跳方式发送给Sink节点,再经传输网络发送给终端用户,否则不发送本节点数据。最后,无线收发单元要检测是否有转发其它节点数据的任务,如果有,接收并转发其它节点数据;若没有,当无线信道空闲下来,立即关闭无线收发单元,使节点进入睡眠状态,减少能耗。直到下次采集数据时间到,再开始新一轮的工作。
4 结语
本文提出了一种用于企业环境监测的无线传感器网络系统及其节点的设计方案,该系统功耗低、运行稳定、精度高,可实现对企业环境在无人值守下的远程实时监测。将无线传感器网络应用于企业周围环境监测上,突破了传统企业环境监测的方法和思路,提高了监测水平和可靠性,并且该系统可移植性强,通过改变传感器类型便可实现对不同环境的监测,如森林火灾、精细农业等。因此,无线传感器网络在环境监测领域的应用必将对加强环境监督保护起到重要作用。
参考文献:
[1] 李 功.无线传感器网络在环境监测中的研究设计
[D].杭州:浙江大学,2006.
[2] 谭 龙.基于无线传感器网络的环境监测系统的设计
[J].黑龙江环境通报,2005,29(2).
[3] 何科奭,马正华.无线传感器网络在环境监测中的应用
[J].环境监测管理与技术,2009(2).
[4] 胡大可.MSP430系列16位单片机原理与应用[M].
北京:北京航空航天大学出版社,2000.
[5] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实
例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[6] 王秀梅,刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现
ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件,2005(3).
第8期
2009年8月
工矿自动化
Industry and Mine Automation
No.8
Aug.2009
文章编号:1671-251X(2009)08-0122-04
油田采油系统无功功率补偿方案设计
陈 洁
(德州学院机电工程系,山东德州 253023)
摘要:文章结合实际测量的采油电机功率曲线,分析了油田采油电机的运行状态及功率特点,阐述了功率因数补偿的重要性。针对油田采油系统具有地域分散、无功损耗随负载的变化较大的特点,提出了油田采油系统无功功率就地补偿方案。实验测试的数据说明了该方案的实用性与有效性。
关键词:油田;采油电机;功率因数;无功补偿
中图分类号:TM761;TE933 文献标识码:B
0 引言
我国石油资源比较丰富,机械采油是目前国内石油采集的主要手段,采油电机是石油开采中的重
收稿日期:2009-04-21
作者简介:陈 洁(1975-),女,硕士,讲师,2005年毕业于天津工业大学,现在德州学院机电工程系从事自动化专业的教学工作及电源技术、PL C控制技术的研究工作,已发表文章十余篇,E2mail: chjrgf@sohu.com 要设备。据不完全统计,我国共有油井八万多个,共有八万多台采油电机在同时运行,其电能消耗量很大,在总电费支出中,采油电机的耗电量占相当大的比重。而且采油机械为感性负载,消耗大量的无功功率,使电网的功率因数偏低,极大地影响了电网电能质量,造成大量的电能浪费,增加了石油开采成本。因此,提高采油系统的功率因数、平衡无功功率、改善电压质量是十分重要的。本文结合采油电机的工作特点,分析了无功功率的变化规律,提出相下载本文
