无线数据监测论文（共8篇）
无线数据监测论文 篇1
在工农业生产中,对于采集数据的传输大多采用有线方式,因为有线方式的传输距离、数据传输速率以及抗干扰能力都要优于无线方式;然而对于在野外或者不便于铺设线缆的地区进行数据采集传输时,采用有线方式就受到了限制。针对这一特点,设计了采用无线传输方式的无线数据采集及远程监测系统。系统选用Cygnal公司的C8051F020单片机作为微控制器,集数据采集、存储、无线传输为一体,并实现通过GSM短消息进行远程监测和报警的功能。整体结构框图如图1所示。
1 系统总体结构及硬件设计
1.1 系统结构
如图1所示,系统分为主机和从机两部分,从机将从传感器上采集的数据通过无线收发单元发送给主机,主机收到数据后,将其在显示单元显示并存储到存储器理。除此之外,主机模块还含有GSM短消息单元,通过该单元可以实现主机与GSM网内手机的短消息通信。GSM网手机用户可以通过短消息提出查询请求,主机收到短消息的请求后进行相应的处理,最终以短消息的形式回复该查询请求。另外,主机可以事先设定所采集数据的临界值,当达到该值时主机会向事先设定好的手机号码发送报警短消息,从而达到报警和远程监测的目的。
1.2 系统主要芯片的选择
系统的主控芯片采用Cygnal公司的C8051F020单片机,该单片机采用高速8051微控制器内核,速度可达25 MIPS,具有8个I/O口,5个通用定时器,5个捕捉/比较模块及专用看门狗定时器,可同时使用SMBus,SPI及2个UART串口,内置64 KB高速存储器。模拟外设方面,芯片具有1个12位ADC,1个8位ADC,2个12位DAC及2个模拟比较器[1]。芯片内部的这些数字和模拟外设将使系统的设计更加简单,集成度更高。
无线收发单元采用PTR8000无线收发模块[2,3,4,5]。PTR8000是高性能嵌入式无线收发模块,它的核心芯片是挪威Nordic VLSI ASA公司的nRF905。具有可选频道多,功耗低,抗干扰能力强的优点,其特性如下:433/868/915 MHz多频道多频段,1.9~3.6 V低电压工作,待机功耗2 μA;超小体积,内置环形天线,性能稳定,对电源不敏感,传输距离更远;最大发射功率+10 dBm,高抗干扰GFSK调制。可跳频通信,数据速率可达50 Kb/s;有独特的载波检测、地址匹配、数据就绪等输出;内置完整的通信协议和CRC,通过SPI接口可以方便地完成所有的无线收发传输,使用简单[6]。
GSM短消息单元,采用SIEMENS公司的GSM无线通信模块TC35i,为其搭建外围电路,构成一个GSM MODEM,微控制器通过串口与其进行通信,控制其工作[7,8,9,10]。GSM MODEM模块电路简图如图2所示。
系统采用128×64点阵液晶显示模块作为显示单元,键盘采用4×4键盘,显示模块支持汉字显示,可以更好进行人机交换,使用者可以更容易、直观地和系统进行信息交互。
存储器部分,因为系统选用的C8051F020微控制器内置64 KB高速存储器,对于一般数据量的存储已经足够。但是,考虑到特殊情况,系统还是设计了外部扩展存储器。外部存储器采用Ramtron公司的一款低电压铁电存储芯片FM24C512。其工作电压为2.7~3.6 V,适合在低功耗的单片机系统中应用。由于采用了铁电体技术,该芯片的数据交换速度极高,数据线可以支持的频率最高达到1 MHz,因此微控制器向FM24C512写入数据时一般无须加延时,并且使用寿命没有限制。系统主机电路简图如图2所示。
2 系统软件设计
2.1 系统工作流程
系统分为主机和从机。主机只有一个,从机数量可以为一个,也可为多个。在整个系统中,无论主机还是从机都有惟一地址表明其各自的身份。系统上电后,根据事先设定的时间,不同的从机会按时向主机发送采集的数据(发送时间间隔根据不同的应用场合可以事先设定)。主机收到数据后,将数据及其所属地址实时的显示在液晶显示模块上,并将其存储到存储器里。
在系统无人值守状态,可以事先通过键盘和液晶显示模块等设备对主机其进行设置,设定报警阈值、报警人的手机号码等信息。当采集到的数据到达或超过阈值时,主机会通过GSM模块向预先设定的手机号码发送报警信息,并在液晶显示模块上显示报警标识。除此之外,任何GSM网手机用户都可以通过短消息的形式向GSM模块提出数据查询请求,GSM模块收到请求后将其送给微处理器进行处理,最终将所查询的数据以短消息的形式回复给查询者,从而达到在无人值守情况下的远程监测和报警的目的[7,9,10]。
2.2 系统的软件设计
根据上述系统工作流程,系统在软件设计上主要分为数据的无线传输、存储和GSM短消息的远程监测及报警两部分。其中,数据的无线传输、存储涉及主机和从机,而GSM短消息的远程监测及报警只涉及到主机。
考虑到野外应用,系统可能长期使用而很少有机会维护,从而对系统在传输可靠性和功耗上提出了较高的要求。所以,在数据无线传输的软件设计上,采用定时发送数据的方法,不同从机按照事先设定的时间间隔进行数据的发送,发送完毕并收到主机的回复信息后,从机进入待机模式。这样就保证了从机工作的大部分时间处于待机模式,有效地节约了电能。数据传输的可靠性方面,系统采用了主从响应式传输机制,主机收到数据后进行数据和校验,然后向从机发送数据正确或错误的回复信息,如果从机收到了数据错误的回复信息或没有收到回复信息,从机将重新发送上一次的数据直到收到正确的回复。
远程监测及报警的设计,由TC35i及其外围电路构成的GSM模块通过单片机串口中断提出处理要求,当GSM模块收到短消息后会马上触发串口中断提出请求,单片机会在中断服务程序里对其进行处理。当需要发送报警信息时,单片机通过串口和GSM模块进行通信并最终完成报警短消息的发送。系统整体软件设计流程图如图3所示。
3 结 语
随着工农业现代化的不断发展,以及新技术的不断产生,无线数据采集和远程监测技术正在进入一个高速发展的阶段。该系统为无线数据采集和远程监测的通信系统提供了一个新颖实用的解决方案。系统能够监测实时参数,当某一项或多项参数出现异常时,处理器调用报警程序通过GSM模块发送报警信息。通过使无线收发模块处于待机状态,有效地降低了模块的功耗。由于该系统采用了短距离无线通信技术,而无须关心数据是如何具体传送的,因此,很多基于有线通讯的类似系统很容易就被该系统所替代。该模块单元有较强的可移植能力,通过更换测量单元传感器的类型,可以应用于工业数据采集、环境监测、海洋石油、无线抄表、智能小区、安防、智能家电等领域。
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无线数据监测论文 篇2
GSM短信系统在广播电视无线监测技术中主要工作流程为，依靠于接收天线发送回来的固定频率下的信号，通过一系列的场强模块测试后与系统所设置的门限值相对比，若数据高于系统设置的门限值即为正常，在此情况下系统将会对固定频率进行信号的测试；若出现数据低于系统所设门限值的情况，控制系统将会以短信传送的方式将发射机故障以及监测情况，反映到技术人员接收系统和相关控制中心服务器上，以提出故障警告。技术检测人员接收到警告短信后在第一时间回到故障现场进行检修，从而缩短因故障所导致的电视停播时间。另一方面，控制中心接收到警报短信后，及时将故障时间、故障原因等情况反馈至此区域负责人员，并在情况核实之后依据相关情况完成故障的上报和登记工作。
在整个检测工作流程中，GSM短信服务系统发挥着至关重要的作用。总结起来就是，GSM短息服务系统将所接收的发生故障时间、地点以及具体故障情况，以短信的方式发送至监测技术人员手机和控制中心短信池，控制中心则对相关短信进行处理之后发送至检测室显示屏幕上，如此一来工作人员可以明确掌握故障的，并结合实际情况进行准确的处理。由此可见，监测控制中心的信息来源主要依靠于GSM短息服务系统，通过接收到的短信清晰掌握不同区域的故障问题和详细时间，并作出准确的判断和处理，从而保障了整片区域的广播电视播放顺畅，满足了不同用户的收看要求，及时缓解或者改善了电视停播故障问题，因此，GSM短信服务系统在广播电视无线监测技术中起着举足轻重的作用。
2在广播电视无线检测技术中应用GSM短信的优势
（1）由于短信发送费用低廉且接收短信不需要收取费用，因此GSM短信服务在很大程度上缩减了系统运行所需成本费用，同时该系统的组网较为简单，所需建设周期较短，故具有投资小回报大等特点。另外，GSM短信在不同区域也能够实现短消息互联，所以在实际应用中较为方便和实惠，在电话资源和线路节省方面较之传统的拨号有线系统更胜一筹，完善地解决了部分地区因各种因素无法实现发射机数据连接的问题。GSM短信服务系统在实际应用中不需要设置天线，因而节省了一系列不必要的手续费用，该特点比一般无线网络更为经济。在广播电视无线监测技术中有效应用GSM短信系统，能够简化建设步骤降低投资成本，及时解决故障缓解播出风险。
（2）由于GSM短信服务系统具有覆盖范围广、应用资费少
可以跨区域发送、接收短信等特点，因而打破了传统数据接收系统对于发射数据地点的局限性，就目前来说，该系统信号覆盖的优越性是没有任何系统能够与之相提并论的。同时，该系统运营机构通过在一些偏远地区设置信号站等措施，全面解决了某些地区因为用户稀少或者地域限制而导致的信号较弱问题。
（3）通常情况下
发射机工作运行中所传输的数据大致在几个字节之间所需容量不大，然而GSM短消息服务系统能够支持发送140字节，因而为发射机的数据传输提供了有利条件。同时，由于GSM短息服务系统校验方式较多标准较为规范，因此有效降低了误码概率保证了系统数据传输中的准确度。
3结语
无线数据监测论文 篇3
1 基于CDMA 1 X网络的数据传输
CDMA 1 X执行CDMA 2000的第一阶段标准(速率高于IS 21995标准,低于2 Mb/s),提供高达307.2 kb/s的数据传输业务,网络部分引入分组交换,可支持移动IP业务,是在现有CDMA IS 21995系统上发展起来的一种新的承载业务,目的是为CDMA用户提供分组形式的数据业务。目前,CD2MA 1 X的实际应用传输速率大约为100 kb/s(双向对称传输),在此信道上利用TCP/IP连接。CDMA1 X网络可以用于移动IP、Internet连接、数据传输业务等[2]。从数据传输速率、安全性能、经济性和可升级性等角度来看,CDMA技术优于GPRS(如表1所示)。
2 机制的系统和网络架构
“基于CDMA无线网络的监测数据实时汇总机制”是集数据采集技术、通信技术、数据库技术及计算机网络技术于一体的综合系统。通过数据采集系统获取现场数据,利用通信接口及传输设备将其传输到基地数据网络控制中心,实现对目标植被的全面监测与管理[3]。系统网络架构分为现场与基地两个部分,现场以单台计算机为单元,基地以高性能服务器为单元,通过无线网络建立专用数据传输网络。
2.1 数据传输模式
由于CDMA 1 X网络始终保持在线,数据传输模式选择余地较大,可通过软件控制实现实时与随机两类数据传输模式[4]。随机数据传输模式主要包括现场手工录入数据传输、数据迁移、验收信息双向传输、现场数据采集系统升级、即时通信信息传输等多个方面。
2.2 网络验收技术
网络验收是根据相应验收标准,利用双向数据传输与文档图形化等技术,实现了以报表或记录两种不同方式的网络验收操作功能,验收信息提交管理员,保证了在无线网络环境下数据采集、汇总的严肃性和可用性。
3 结束语
基于CDMA 1 X无线网络的监测数据实时汇总机制较好地实现了双向数据传输、实时解压缩、数据迁移、系统在线升级、智能传输、网络验收、双机备份和即时通信等功能。它具有模块体积小、服务费用低、始终在线和宽带适应的特点,为探讨新的网络条件下数据传输功能的开发提供了技术支持,为数字农业领域中基于遥感信息的网络化分散、广域作物监测有着重要的作用。
摘要：CDMA是在数字技术上发展起来的一种新的无线通信技术,利用CDMA进行无线网络环境下的监测数据实时汇总,可突破监测工作的时空限制。针对本研究,文中将主要描述关键技术手段、系统框架等。该研究为探讨新的网络条件下数据传输功能的开发提供了技术支持,为数字农业领域中基于遥感信息的网络化分散、广域作物监测有着重要的作用。
关键词：CDMA,无线网络,监测数据,汇总机制
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无线数据监测论文 篇4
目前所讨论的无线传感器网络拥塞主要分为节点本地拥塞和网络区域拥塞。前者主要因为节点缓存资源有限,数据包到达速率超过节点服务速率导致队列长度过长而产生拥塞,一般发生在sink节点附近或网络中数据流量较大的某些关键节点;后者是指多个节点同时感知事件发生,同时竞争信道,并都以较高速率发送突发数据,冲突导致信道资源利用率降低,数据包传输时延增大、网络吞吐量降低,通常发生在事件发生区域。上述两种拥塞机制互相影响,节点本地拥塞因队列长度过长缓存溢出,从而使更多节点竞争信道,加剧网络区域拥塞;反之,网络区域拥塞严重时,信道碰撞、 竞争加剧,节点长时间得不到信道资源而导致队列溢出,加剧节点本地拥塞。
对于节点本地拥塞,一般通过调节拥塞节点速率降低网络流量而减缓拥塞,相关算法有CODA[1]、 Sen TCP[2]等,但采用速率控制方式会影响网络监测的逼真度,仅适用于小规模网络。对于网络区域拥塞,大都采用多路径、数据融合等网络资源控制方法,如CO- TA[3]、BGR[4]等一般采用多路径分流方法避免拥塞,其区别在于多路径建立方法与多路径撤销时机不同,然而这种建立多路径方式比较复杂,能量开销过大,不太适合网络中出现的短暂拥塞;又如CONCERT[5]、PREI[6]等算法,根据数据包中时间、地点或其他有价值信息, 数据源节点采取一定融合策略从而降低网络数据流量,从根本上减缓网络区域拥塞,然而数据融合方式同样会降低数据逼真度;还有Funneling- MAC算法[7],针对sink节点附近容易拥塞的问题,从另外一个角度提出了解决办法,在sink节点拥塞区域运行本地TDMA算法[8]减缓拥塞,然而Funneling- MAC仅能解决sink节点附近的拥塞,并没有考虑网络其他区域的拥塞,且不适用多sink节点的情形。由此可见,目前尚没有公认完善的办法来解决面向事件监测领域无线传感器网络区域拥塞问题。根据事件发生区域数据具有突发性特点,考虑到网络区域拥塞主要是由短时高负载加上信道无序竞争造成,利用TDMA适用于高负载的优点,本文提出了一种面向事件监测无线传感器网络的突发数据拥塞控制协议BCCP(Burstiness- data Conges- tion Control Protocol),在拥塞区域节点自动嵌入基于时隙的TDMA调度算法,在不降低源节点发送速率的情况下分时隙转发数据从而避免冲突、减缓拥塞,当拥塞减轻或消除后,则恢复以前的CSMA/CA调度机制。由于TDMA仅在拥塞区域工作,且无需全网时间同步开销,能够很好的解决因突发信息造成的网络拥塞问题。
1突发数据拥塞控制机制协议
假设事件发生区域,某时刻有许多上行节点同时需要经过传感器节点n进行大量信息转发,上行节点通过CSMA/CA竞争有限信道资源,导致数据包频繁发生碰撞而丢失,此时节点n的缓存队列并没有发生溢出,但收不到上行节点发来的数据。传统基于队列长度检测或者拥塞度(服务速率与到达速率比值)检测方法, 并不能准确、有效地检测出这种由于碰撞造成的网络拥塞,因此需要重新设计拥塞检测方法。下面我们从分析非时隙CSMA/CA算法执行流程入手,试图找到一种新的网络区域拥塞检测机制。
1.1非时隙CSMA/CA算法分析
为了降低能耗,IEEE 802.15.4标准规定了传感器节点底层MAC协议采用无信标的非时隙CSMA/CA工作模式。该工作模式涉及两个关键参数:
(1)退避次数NB(Number Of Backoff)。如果发送数据前节点检测到信道忙,则进行退避,每退避一次,退避次数加1,直到达到最大退避次数mac Max CS- MABackoffs(默认值为4),则丢弃该数据。
(2)退避指数BE (Backoff Exponent)。节点在0~ 2BE- 1之间随机选取退避时延。
非时隙CSMA/CA算法执行流程如图1所示。当节点需要发送数据时,首先置NB=0,BE=mac Min BE, 接着在0~2BE- 1之间随机选取退避时延;退避结束后,通过空闲信道评估CCA(Clear Channel Assessment) 检查信道是否空闲,若空闲则发送数据。反之如果信道繁忙,则置NB=NB+1,BE=min {BE+1,Max BE},其中Max BE取BE的最大默认值5;然后判断NB是否超过了最大退避次数mac Max CSMABackoffs,若超过则放弃发送,否则继续在0~2BE- 1之间随机选取退避时延, 直到信道空闲才可发送数据。
分析上述非时隙CSMA/CA算法执行流程可知,事件发生区域拥塞严重、碰撞加剧时,节点发送数据时检测到信道繁忙的概率会增大,节点退避次数必将增多, 节点中数据包的排队时延也将增大。因此,我们可以根据数据包在节点中的排队时延来检测事件发生区域的网络拥塞。
1.2网络突发数据区域节点数据包排队时延
首先我们分析数据包从节点ni传输至节点nj的时延。假设长度为L的数据包到达节点ni的时间为Tini,数据包到达节点后在队列中等待发送,其排队时延为Ti,节点处理时延为Tiproc,一旦竞争信道成功则立即发送数据,数据包离开节点ni时间为Touti,则数据包在节点ni的总滞留时延Tistay,如公式(1)所示。
已知无线传感器网络带宽为B,节点ni发送长度为L的数据包所需发送时延为Tsend=L/B;节点ni至节点nj的距离为di,j,电磁波在空气中传播速度为C,则数据包从节点ni传输至nj的传播时延为Ttran=di,j/C。计算数据包从节点ni传输至节点nj的总时间开销T,如公式(2)所示。
资源受限的无线传感器节点,通信距离通常在百米以内,因此传播时延Ttran一般控制在微秒级;而处理时延则由传感器节点选取的处理器处理能力决定,在实际测试环境中处理时延在微秒级,Ttran与Tiproc一般可忽略不计。节点的滞留时延Tistay容易通过记录数据包到达节点和离开节点的时间获得。因此,对于任意接收节点nj通过公式(1) 可以很容易获得来自发送节点ni数据包的排队时延Ti,如公式(3)所示。
为减少瞬时突发采样对平均排队时延的影响,nj每接收到一个新的数据包都按公式(4)对排队时延进行更新。
其中Wk为第k个观测值Ti(k)的权重,M为平滑窗口,且满足。其中M、Wk取值可综合考虑时延变化敏感度和噪声去除因素灵活设置。
1.3网络突发数据区域拥塞判断
假设节点nj的上行节点集合为Kj,任意上行节点ni接收到数据后按公式(3)计算排队时延,并将时延信息捎带在数据包中;当nj每接收到一个来自节点ni的新数据包时,按照公式(4)进行更新,节点nj根据基本准则1判断事件发生区域是否发生拥塞,根据基本准则2判断事件发生区域拥塞是否消除。
准则1:当有节点nj的任何一个上行节点ni的排队时延大于门限 δ 时,则拥塞发生。
t>δ,(存在ni∈Kj)
准则2:当节点nj的所有上行节点的排队时延均小于门限 θ 时,则拥塞消除。
t <θ,(任意ni∈Kj)
1.4网络突发数据区域拥塞控制
根据判断事件发生区域是否拥塞,传感器节点可以选择工作在两种不同的模式:CSMA正常工作模式和TDMA拥塞工作模式。BCCP并不需要调整源节点速率,节点可以根据网络状况按需进行调度方式切换, 当拥塞发生时在拥塞区域嵌入TDMA工作模式,直到拥塞消除而重新恢复至CSMA工作模式。每个节点用标志位flag记录当前工作模式,flag初始值为CSMA; 当节点nj根据准则1检测到区域拥塞后,按照下列步骤在拥塞区域节点嵌入TDMA调度算法,其过程如图2所示。
(1)为了避免nj的邻居节点检测到拥塞而同时发送调度请求信息产生冲突,节点nj在随机退避一段时间 ξ 后再广播发起TDMA调度请求信息request。
(2)nj的上行节点ni收到请求信息request后回复应答信息response,应答中包含数据优先级、自身带宽需求等信息。
(3)nj收到应答信息response,根据相关信息为上行节点ni分配时隙,然后发送广播调度信息message, 其中包含参与局部TDMA的节点个数,nj节点自身时钟,各节点地址以及为它们分配的时隙。
(4)nj的上行节点ni回复调度信息message的应答ACK,并设置flag=TDMA,进入TDMA工作模式,并提取nj节点时钟与其同步,然后在为其分配的时隙完成数据发送。
(5)nj收到调度信息应答ACK后,设置flag=TD- MA,进入TDMA工作模式。
进入TDMA工作模式后,拥塞区域内各上行节点按照nj为其分配的时隙发送数据,这样就缓解了拥塞区域由于碰撞造成的网络拥塞。如果节点nj因自身资源不足而造成队列拥塞,那么还可以通过多路径分流、 降低源速率等其它措施进行拥塞处理。
当节点nj根据准则2检测到拥塞消除后,则按下列步骤恢复到CSMA正常工作模式,其过程如图3所示。
(1)为了避免冲突,nj节点随机退避 ξ 时间后发送TDMA撤销信息cancel,并设置flag=CSMA。
(2)节点nj的上行节点ni收到撤销信息,回复撤销应答,并设置flag=CSMA,此时表明网络负载已减轻,可以恢复到CSMA正常工作模式了。
2协议测试及性能分析
2.1实验环境搭建
为了测试BCCP性能,在传感器节点Waspmote节点上应用BCCP,节点采用低功耗处理器Atmega128L, 集成符合IEEE802.15.4标准的CC2420无线射频芯片,工作频率2.4GHz,最大发送速率250kbps。实验测试场景如图4所示,事件发生时数据源S1、S2、S3有大量数据需要转发至Sink节点,正常周期性速率是1包/ 秒,Sink通过网关与服务器连接,在服务器端对接收到的数据进行统计分析。
在正常工作模式传感器节点运行非时隙IEEE 802.15.4 MAC协议,影响MAC协议性能的NB、BE等参数及BCCP相关实验参数见表1。
2.2实验结果分析
如图4所示实验场景,三个数据源S1、S2、S3分别建立三条到汇聚节点的路径:S1- A- E- H- Sink、 S2- B- E- H- Sink、S3- C- E- H- Sink,S1、S2、S3分别在0s、60s、120s时刻产生突发数据包,数据包长度为100Byte,突发数据速率为100包/ 秒,实验持续时间180s。数据在节点E汇聚并导致区域拥塞,下面以B节点作为参考节点,从丢包率、吞吐量、延时等方面对BCCP与CSMA/CA性能进行比较分析。
2.2.1丢包率
在IEEE802.15.4 CSMA/CA正常工作模式,传感器节点发送数据帧后如果在重传计时器规定的时间没有收到确认帧ACK,就必须重传此数据帧,直到收到确认为止,或者经过mac Max Frame Retries次的重传失败后放弃发送,丢弃该数据帧。每隔10s统计一次丢包率,统计结果如图5所示,0~60s内,网络负载较轻,丢包率几乎为0; 在60s S2开始发送数据时,IEEE 802.15.4CSMA/CA在无序竞争状态下丢包率将显著增加至0.2左右,在120s S3开始发送数据时,丢包率升至0.3左右,这表明网络拥塞时,各节点都试图占用信道发送数据,竞争越激烈发生碰撞的可能性越大,数据包丢失率也越高。而BCCP检测到拥塞后,各节点嵌入到TDMA工作模式,节点按所分配的时隙轮流占用信道,丢包率几乎为0,有效缓解了节点因无序竞争造成的网络拥塞。
2.2.2吞吐量
吞吐量指单位时间内网络数据的传送能力。三个数据源节点S1、S2、S3的突发速率为100包/ 秒,每数据包长度为100Byte,这样相当于突发速率为80kbps, 每间隔10s在服务器端对吞吐量进行统计,单个源节点S1的吞吐量如图6所示。在0~60s低负载网络环境下,IEEE 802.15.4非时隙CSMA/CA与BCCP都能取得比较理想的吞吐量76kbps,但分别在60s、120s随着S2、S3突发数据的产生,两者的吞吐量均有大幅度下降,但我们通过图6发现BCCP的吞吐量下降得更厉害,这是因为60s后,在拥塞区域节点嵌入局部TDMA调度机制,S1与S2、S3轮流占用信道发送数据,而CSMA/CA工作模式下源节点S1在较高丢包率情况下与其它节点无序竞争信道,发生碰撞后发送了大量数据包,从而获得了比BCCP更高的吞吐量。
包括三个数据源节点S1、S2、S3在内的整个网络吞吐量如图7所示。实验期间,BCCP因为拥塞发生时S1、S2、S3按照TDMA分配的时隙轮流占用信道,一个节点发送时其他节点暂停发送,因此吞吐量一直稳定在单个节点发送数据时的数值76kbps左右;而采用IEEE 802.15.4非时隙CSMA/CA机制因为多个节点无序竞争信道发送了大量数据包,60s后吞吐量迅速增加,增加到一定程度后其吞吐量稳定在120kbps左右, 然而其吞吐量增加是以较高的丢包率为代价的。
2.2.3延时
延时主要指事件发生区域网络拥塞发生时节点竞争信道发生退避,数据包在节点队列中的排队延时。 在服务器端对成功接收到的数据包排队时延进行统计分析,结果如图8所示。IEEE 802.15.4非时隙CS- MA/CA机制,在前60s以内,只有S1节点发送数据, 延时稳定在5ms左右;在60s~120s区间,S1和S2节点同时发送数据,延时急剧增加并出现较大波动;在120s以后,S1、S2、S3同时发送数据产生无序竞争,造成更为严重的退避时延,延时在0ms到100ms之间剧烈抖动。而对于BCCP而言,当多个节点同时竞争信道,节点E检测到网络区域拥塞后,在拥塞区域嵌入局部TDMA调度机制,节点S1、S2、S3按所分配时隙有序发送数据,其排队时延几乎没有变化,且一直维持在单个节点发送时延5ms左右的稳定状态。
3结束语
本文提出了一种面向事件监测的突发数据拥塞控制协议。通过数据包在节点中的排队时延实现对事件发生区域的拥塞判断,从而实现了TDMA调度算法与CSMA/CA工作机制的互相切换。相对于IEEE 802.15.4非时隙CSMA/CA,测试结果表明BCCP大大降低了数据传输时延及丢包率,保持了吞吐量稳定,能够很好的处理网络中因突发数据造成的短时拥塞问题,提高数据传输的可靠性。但本文BCCP是在假设sink节点唯一且位置固定的前提下提出的,然而在事件监测应用领域,有时出现多个sink节点并且存在移动的可能。 因此,在此基础上研究适用于多个且可移动的sink节点的突发数据拥塞控制是值得进一步深入研究的内容。
摘要：针对基于竞争的CSMA/CA信道接入方式无法适应高负载网络下数据流传输,容易形成较为严重的短时区域拥塞问题,提出了一种面向事件监测无线传感器网络突发数据拥塞控制协议BCCP,将节点由于竞争退避引起的时延作为拥塞检测的依据,利用TDMA适用于高负载的优点,在拥塞区域节点嵌入TDMA调度算法,拥塞减轻或消除后恢复CSMA/CA机制。BCCP实现简单、开销小。仿真测试结果表明,BCCP能够很好的解决突发数据造成的网络拥塞,降低数据传输时延及丢包率,提高数据传输的可靠性。
关键词：事件监测,无线传感器网络,突发数据,拥塞控制
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无线数据监测论文 篇5
农业温室大棚技术是设施农业中的一种最常见的形式。温室大棚是一种能透光、保温 (或加温) , 用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节, 能提供生育期和增加产量, 多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室大棚营造了适合植物生长的环境, 提高了产量, 对发展集约型的农业生产方式有较大的意义。
Zigbee技术是一种新兴的短距离无线通信技术。它最大的特点是成本低、功耗低、能自组网、传输速率低、安全可靠。将Zigbee技术与传感器技术结合起来就能够实现对农业温室大棚的环境监测。目前将这一方法应用到温室大棚的例子有很多。张晓峻完成了基于Zig Bee温室大棚监控系统的应用研究, 应用CC2430作为Zig Bee节点, 完成了温室大棚的多点温湿度测量。吕健设计了基于Zig Bee协议的温室无线传感器网络, 将传感器节点组成一个整体, 汇聚环境信息并按时发送到终端设备。张晓龙实现了基于Zig Bee的农业温室大棚监控系统设计, 分别设计了数据采集节点和数据汇聚节点, 并对Zig Bee网络时间同步和节能机制进行了改进。
但是, 上述温室大棚监控系统只偏重于数据通信的建立及系统功能的实现, 并未重点研究各个无线节点的低功耗细节。各个节点采用电池供电, 在电池容量有限的前提下降低系统的能耗是延长网络工作周期的有效手段。传统的无线节点低功耗实现主要通过路由算法优化实现。陈岩提出了低占空比和低碰撞数的新型节能分帧MAC协议 (DF-MAC协议) , 避免了及诶单闲置时反复侦听网络造成的能量浪费。林恭祺提出了一种基于S-MAC的Zig Bee协议改进方案, 进一步降低了IEEE802.15.4标准在MAC层的功耗, 从而达到了延长电池寿命的目的。谈佳提出了一种基于负载均衡的Zig Bee网络分群设计与实现。该设计主要思路是采用宏观拓扑控制和局部网络分群的方式对网络拓扑结构进行精细控制, 在此基础上阐述了基于网络分群的路由策略, 最终达到降低功耗的目的。
而本文针对温室大棚的应用环境, 在改进MAC层协议的同时还采用了更适用于温室大棚的动态触发数据传输策略。
硬件电路设计
在本设计中根据温室大棚环境监测的要求, 需要实时采集大棚中的温度、湿度、二氧化碳气体浓度和光照度几个物理参数。各个节点的数据以无线传输的方式汇总到数据汇集节点, 然后传通过RS485接口传输给上位机。本系统的总体设计图如图1所示。
由图可知, 本系统有上位机监控软件、协调器节点、路由器节点和数据采集节点4部分组成。上位机监控软件主要功能是接收协调器发送的数据, 并在监控软件中对各个节点的环境参数进行实施显示, 也可把这些数据存储起来作为历史参数以备查询;协调器节点主要功能是管理整个Zig Bee网络, 并把各个数据采集节点发送过来的数据汇总打包, 然后传送给上位机;路由器节点的主要作用是协助其他节点加入网络, 作为数据跳转、协助子终端节点通讯;数据采集节点即为Zig Bee终端节点, 它主要负责环境参数的测量。读取各个传感器数据之后发送给协调器节点。在本设计中需要用到的传感器有温湿度传感器、可见光照度传感器和二氧化碳浓度传感器。
数据采集节点硬件设计框图如图2所示。
数据采集节点的核心部分为CC2530。CC2530是TI公司研制的一款用于Zig Bee通信的SOC, 采用增强型51内核, 时钟频率以及存储器容量都比普通的AT89C51单片机大大提高。同时芯片内部集成了适应2.4GHz的IEEE 802.15.4标准的RF收发器, 再配合少量的外围元件就能实现无线数据传输。
温湿度传感器选用DHT11。它是具有低功耗、抗干扰能力强的单总线数字温湿度复合传感器;光照度传感器选用数字式传感器BH1750FVI模块。传感器内置16bit AD转换器, 直接数字输出, 光照度范围:0-65535lx, 可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。模块内部包含通信电平转换, 标准IIC通信协议可直接与CC2530通信;二氧化碳浓度传感器选用COZIR-P。它是超一款低功耗探头式红外二氧化碳传感器。它的工作原理是:二氧化碳气体能够吸收波长为4.26um的红外光, 通过监测传感器中波长为4.26um的红外光强度的变化, 从而推算出二氧化碳气体的浓度。
协调器节点与路由器节点的硬件电路与数据采集节点类似, 区别是没有连接传感器。
系统低功耗软件设计
在CC2530上运行的Zig Bee协议栈具有传输数据速率低、功耗低、网络自愈自组织的特点。它的物理层和MAC层直接采用了IEEE802.15.4标准, 该标准的前提是网络中的每个节点都有固定不变的发射接收功率。Zig Bee协议栈没有在MAC层采用更高效的策略, 这也是影响电池使用时间的重要因素之一。因此, 在本系统的Zig Bee通信程序中首先采用高效的MAC层协议也可以显著的降低系统功耗延长节点存活期。除此之外, 在应用层采用动态触发数据传输的低功耗策略。
MAC层协议改进
Zig Bee网络的MAC协议导致电池电量额外损耗的最主要因素有:串音、碰撞后重传和多余的监听。这些原因导致了网络中各个节点的电量浪费。本系统将采用交替性的休眠与监听和防碰撞策略来优化程序, 达到减小不必要的电池电量浪费的目的。
交替性休眠与监听
交替性的休眠与监听使Zig Bee节点能够定期处于休眠状态, 而不必一直处于监听状态, 因此可以降低节点能耗。改进后的协议栈代码中, 时间被划分为一定长度的时间片, 一个时间片由休眠状态和监听状态组成。时间片格式如图3所示。
某一节点处于监听状态时, 它可以与处于其通信范围中的其他节点实现数据通信;处于休眠状态时, 节点会禁止所有数据传输停止RF收发器工作, 到达规定的时间之后节点将会被唤醒。
节点被唤醒后, 为了减小传输数据的各种开销恢复正常的数据通信, 相邻的节点要记录相互的时间调度表和休眠唤醒时间。节点被唤醒后首先侦听有无相邻节点发送时间调度表, 若有则记录并使用最新的时间调度表, 若无则以广播的方式发送自己的时间调度表, 让相邻的节点准确掌握自己的状态。时间调度表里的休眠和侦听时间分配比例的确定依赖于节点接收和发送的数据量。如果收发的数据量越大那么节点侦听时间就越长休眠时间就越短, 反之节点侦听时间越短休眠时间越长。因此此节点在无数据收发期间的不必要侦听得到有效控制。
防碰撞策略
当某一节点处于侦听时段的时候, 如果有多个相邻节点想和它通信, 将会发生数据碰撞。为了避免这样的情况发生, 本系统采用了载波监听和RTS/CTS结合的通信方案。节点间通信的过程如图4所示。
当某一节点被唤醒, 首先会侦听有无调度表传输。若有调度表传输, 则接收此数据并用它来更新原有的调度表。若无调度表传输, 则建立一个自己的调度表并以广播的方式向相邻节点发送此调度表。
某节点被唤醒后如果有数据要发送首先会进行载波监听。当发现信道可用的时候就发送一个RTS信号给目的节点, 其中包含了通信所需的持续时间等内容。目的节点收到该RTS数据之后会反馈一个CTS信号给源节点。源节点接收到CTS信号, 表示双向连接建立成功, 启动数据传输。在上述过程中, RST信号和CTS信号也会被邻居节点收到。收到这些信号之后, 邻居节点会自动进入休眠状态, 休眠的时间会从RST和CTS数据里获得。这样的方式有效的避免了通信过程中多余的侦听和数据碰撞。
动态触发数据传输
除了改进MAC层的协议, 还在应用层使用了动态触发数据传输来达到节能的目的。本设计中采集温室大棚中的温度、湿度、光照强度和二氧化碳溶度4种环境数据。在温室大棚环境中这几种参数变化比较平缓, 不会出现大幅度波动。若周期性的把这4中数据发送出去的话, 多数情况下传输的将会是一些重复的数据, 并且浪费了电量。
因此, 本设计采用动态触发数据传输的方式来达到节能的目的。设定某时刻采集到的环境参数为, 其中S1t、S2t、S3t、S4t分别表示t时刻采集到的温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度值。前一时刻采集到的环境参数为。, 表示上述4种参数的传输触发界限, 这4个值将根据温室大棚所种植的具体植物来设置。
当时, 该参数不会被发送。
当时, 该参数会被发送。
由上述分析可知, 数据采集节点每启动一次数据传输所发送的物理参数是动态组合而来的, 而不是固定格式。这样最大限度的减小了传输的数据量, 对降低系统的能耗有作用。
测试
本系统部署在广西职业技术学院智能化温室大棚进行测试。温室尺寸为长100m, 宽60m, 高4m。温室墙体为亚克力板透明结构, 温室上方为可移动遮阳网。温室大棚内均分为两个空间, 标记为1号温室和2号温室。1号温室培育青瓜, 2号培育西红柿。在1号温室中部署采用低功耗数据传输的系统, 2号温室部署没有进行低功耗数据传输设计的系统进行对比测试。各个节点分别如图5所示。
丢包率测试
由于本系统对通信协议进行了改进, 为了确保通信的正常, 对系统的丢包率进行了测试。在测试过程中, 两个温室的4个数据采集节点分别向各自的协调器节点发送数据包, 每个节点发送1000个数据包, 总共测试10次。测试结果如表1所示。
在本测试中, 1号温室4个节点传输数据的平均丢包率分别为0.94%、0.91%、0.92%、0.78%, 总体平均丢包率为0.89%。2号温室4个节点传输数据的平均丢包率分别为:2.44%、2.12%、2.08%、2.13%, 总体平均丢包率为2.19%。总体平均丢包率减低了1.3%。这些数据说明改进协议之后降低了数据碰撞的几率, 传输的可靠性提高, 网络跟加稳定。
电池有效期测试
在2013年3月1日至2014年6月30期间对温室1及温室2中各个节点的耗电量进行了对比测试。在起始时间给两个温室各个节点换上3节全新南孚AA碱性电池供电。由于生产工艺原因每节电池电量可能有细微差别, 在此忽略不计。因此为各个节点供电的电池起始电量相同。在经过长达1年多的测试情况下, 各个节点的正常工作时间如表2所示。
由上表可知在相同电量电池供电的前提下, 采用低功耗设计的节点的平均有效存活期为408d, 比未采用此设计的节点平均有效存活期317.75d提高了90.25d。说明本设计采用的低功耗策略效果明显, 特别适用于温室大棚这种需要长时间进行参数采集的场合。
结语
本设计介绍了一种基于低功耗无线数据传输的温室大棚环境监测系统, 可在温室大棚中部署多个无线数据采集节点, 每个节点可采集温湿度、光照强度、二氧化碳浓度几个参数。可对大棚中的小气候情况进行实时监控, 科学管理。
测试结果表明, 采用了低功耗设计的节点与未采用此策略的普通节点比较, 前者的数据传输的稳定性和可靠性更高、耗电量更低, 更适合应用于温室大棚这类需要长时间、间歇性无线数据传输的场合。
无线数据监测论文 篇6
埋在土壤中的金属燃气管道当外壁绝缘防护层破损时会产生电化学腐蚀。长输天然气管道主要采用外加电流阴极保护法。外加电流法又称强制电流法。将被保护金属与外加电流负极相连, 由外部电源提供保护电流, 以降低腐蚀速率的方法。外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下, 通过土壤提供给被保护金属, 被保护金属在大地电池中仍为阴极, 其表面只发生还原反应, 不会再发生金属离子的氧化反应, 使腐蚀受到抑制, 以达到抑制腐蚀的目的。维护人员定期对该管线进行现场管线保护电位时行测试, 确定管道是否处于受保护状态。
按照国家相关规范要求, 燃气管道至少每隔1km设置1根测试桩。目前, 仅重庆燃气集团所属输气管网就1万多公里, 其中大部分管网处于山区, 因此管道检测的工作量非常繁重。
燃气管线阴极保护参数GPRS无线数据传输监测系统采用先进、成熟的网络数据传输设备和先进的网络数据传输技术, 将分布在全市的管网数据参数传送给监控中心, 逐步建立起全市范围内埋地燃气管道在线监控网络, 为燃气管道监管提供实时、准确、具体、全面的质量和监控数据信息。
2 系统构成
燃气管线阴极保护参数GPRS无线数据传输监测系统由保护电位采集器、GPRS无线传输和数据管理系统3部分构成 (图1) 。
.保护电位采集器设在测试桩上, 其定时对天然气管线保护电位进行测试, .保护电位采集器实现将在线监测设备输出的电压的模拟信号采集后通过GPRS设备传输到监测中心, 数据传输采用GPRS方式进行无线数据上传, 利用GPRS设备和移动通讯提供的GPRS网络实现数据的无线实时上传, 保证数据传输的稳定性。数据管理系统实现对上传数据进行存储、统计和分析, 实现管线不同段参数、不同管线的日数据的报表、年图表、趋势图等不同方式的表现和分析, 为维护部门提供准确的统计分析结果。同时根据分析对保护电位值达不到国家规范要求的管线, 自动对恒电位仪的输出进行加大, 以保证天然气管线处于被保护状态。
3 保护电位采集器
(1) 按照设定的时间定时采集保护电位数据、存储数据、加工数据、转送到上层微机或指定的信息系统;采集、加工好的数据可通过采集器的另外一个通信接口以ASCII码格式传送给GPRS信息系统。
(2) 采集器提供512k的存储空间, 保证至少可以保存半年的数据, 数据每隔一定的时间保存一次, 保证在断电的情况下不丢失数据。
4 数据管理系统
在线监测数据传输系统是对监测数据进行接收、存储、管理、统计和分析的系统。系统由2部分组成:服务器端和客户端。
4.1 软件工作原理
(1) 各个监测端的数据采集器将定时采集到的数据通过GPRS设备和GPRS网络传送到应用部门监测中心的服务器上;
(2) 安装在服务器上的程序将接收到的数据自动存储在数据库中;
(3) 安装在不同地点的客户端的程序, 通过内部的局域网根据各自不同的权限得到相应监测子站的数据;
(4) 通过客户端提供的功能可以得到日数据、月数据、报表和分析图表;
4.2 服务器端
主要功能是:
(1) 在线站点设置。设置在线站点的名称、地址、地址编号、ID号等。
(2) 实时数据。可以查看各个监测子站的数据。
(3) 权限设置。对不同的用户设置查看不同子站数据的权限。
4.3 客户端
主要功能是各种报告和各种图表生成, 以及对达不到最低保护电位值的管线恒电位仪输出进行调整, 使其管线保护电位达到规范要求, 以保证天然气管道处于阴极保护状态。整个系统完成了从管线检测桩站至监控中心至监控中心各客户端的完整的监测数据的管理体系, 能够为用户提供翔实、准确、及时、全面的监测数据。
5 系统工作原理
本系统充分利用移动通讯提供的网络条件, 利用保护电位采集设备和GPRS设备进行数据的传输, 保证了网络的稳定性和数据传输的快速及时和准确, 通过本系统可以对燃气管线保护电位进行定时监测, 同进还可以对恒电位仪输出进行自动调整以保证所测天然气管线始终处于保护状态。使用专用GPRS无线调制解调器把数据发送给GPRS网络, 再通过INTERNET主干网 (或GPRS网络专线) 上传给监控中心, 在监控中心进行实时监测并管理的解决方案, 每个测试桩点的保护电位数据能够定时实进地显示在监测中心的主机上。每一个现场信息监测站点配置一台保护电位采集器、一台GPRS无线调制解调器, 调制解调器通过RS-232接口与数据采集器相连, 保护电位数据采集器与现场测试桩连接, 并以一定的时间间隔采集、上传数据。
6 结语
燃气管网防腐保护数据传输监测系统的建设使相关决策部门能更及时、准确具体、全面地掌握燃气管网的受保护程度的数据和信息, 为强化管理提供技术支持。整合现有资源, 充分发挥和最大限度地利用已有网络、监测设备的作用, 使管网监测数据能够实时和比较全面地在全市得到利用。监控中心的数据分析功能可以为科学决策提供技术支持。
参考文献
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无线数据监测论文 篇7
我国是农业大国, 农业的发展对国民经济的发展具有重要作用。农业生产依赖于环境因素的影响, 因此及时检测农业生产环境, 准确的检测数据是现代化农业生产的重要研究内容。随着信息技术的蓬勃发展, 无线传感器网络技术的引入, 为农业生产数据的检测提供了有效手段。
无线传感器网络融合了微电子、嵌入式计算、分布式信息通信及处理等先进技术, 在智能家居、环境监测、大型建筑和设备维护等众多领域中有很高的应用价值。无线传感器网络技术应用于农田环境监测中, 可以弥补传统农田中获取数据难度大、传输不及时、资源投入高等缺点。借助无线传感器网络, 工作人员能够实时对农田地面信息 (光照强度、CO2浓度等) 、土壤信息 (土壤温湿度、墒情等) 、营养信息 (氮、磷、钾、PH值、离子浓度等) 等生长参数进行监控, 使设施农田的空间立体化信息监控网络得以实现。传感器网络由传感器和汇聚节点构成。传感器节点的能量十分有限, 一旦部署, 难以再次进行能量的补充。而由于农田面积大、分布不规则等原因, 设施农田中无线传感器网络的布局需要合理安排, 此外还要考虑农田的水塘、土坡、碎石和过度密集植被等区域中无法放置传感器节点的问题。当无线传感器网络中的节点需要将获取到的感测数据传送到诊断决策中心时, 我们需要考虑如何能够快速绕过障碍物、高效的寻找到一条最优的路径实现无线传感器网络节点中信息向诊断决策中心传输, 这一问题已经成为现代设施农田无线传感器网络研究领域要解决的重要问题之一。
1 改进的蚁群路由算法
1.1 蚁群算法简介
蚁群算法ACA (Ant Colony Algorithm) 是根据蚂蚁群体的智能觅食行为得到的一种仿生优化算法, 具有多样性和正反馈的特点。蚁群移动的路径主要由两点之间的信息素和距离决定。蚂蚁在经过的路径上会加强信息素, 后面的蚂蚁会根据残留信息素的强弱逐渐找出一条最优路径, 所以蚁群算法在解决无线传感器网络的路径寻找问题中有其优越性。
1.2 改进的蚁群路由算法
基本蚁群路由算法ACR (Ant Colony Routing) 解决的是寻找最优路径问题。在无线传感器网络中, 传感器节点造价高昂、节点能量补充困难、信号强度易受障碍物影响。由于基本蚁群路由算法只考虑寻找最优路径, 而没有考虑传感器节点的能耗问题, 所以这种算法在农田无线传感器布局中应用会导致多条传输路径向一条路径上汇聚, 这条路径被称为“热路径”。“热路径”不仅会因为传输大量的数据包而导致网络传输延迟, 而且也会由于路径上节点耗能过多造成网络中出现空白区域, 此时传感器网络中的大多数节点虽然依旧能够工作, 但是网络已经无法满足一些必要的需求, 甚至最终会造成整个网络崩溃。改进的蚁群路由算法在基本蚁群路由算法的概率选择公式中加入了限制参量。一旦一条最优路径被选中, 依靠限制参量该算法可以降低此路径下一次被选中的几率, 使多条传输路径不在汇聚于一条“热路径”上, 即使有发生汇聚的现象, 也尽量减少“热路径”的长度。
1.3 改进的概率选择公式
ρij (t) :t时刻蚂蚁从节点i选择节点j的概率。α:信息素对选择路径的影响参数。β:距离对选择路径的影响程度参数。τij (t) :t时刻节点i到节点j的路径上的信息素浓度。
dij:节点i到节点j的距离。dij越小, ηij (t) 越大, ρij (t) 越大。
οij (t) :t时刻节点i选择节点j为下一跳的概率。θ:节点i和节点j如果存在于最优路径上, 那么下一次被选中的概率是θ。
1.4 信息素更新
最优路径的距离越短, 两点之间的信息素增值越大。ρ:最优路径上信息素的挥发系数。τopt:最优路径上的信息素浓度。dopt:最优路径的距离。
1.5 算法流程图
改进蚁群路由算法流程图如图1。
1.6 算法实现过程
(1) 确定农田中障碍物区域、传感器节点和诊断决策中心的位置, 初始化传感器节点之间的信息素浓度, 限制参量和其他影响参数的默认值, 找出每个节点的可通讯节点。 (2) 将蚁群放置在需要获取数据信息的位置。 (3) 蚁群中的蚂蚁逐个被放出, 根据公式 (1) 搜寻下一跳的节点, 直到到达诊断决策中心的位置。当m个蚂蚁被全部释放后, 选出优秀路径, 根据公式 (4) 更新信息素。 (4) 重新执行步骤 (2) 、 (3) 的过程直到迭代结束。 (5) 从优秀路径中选出一条最优的路径, 利用限制参量降低最优路径上的信息素浓度。 (6) 将蚁群放置在另一个需要获取信息的位置。重复执行 (2) 、 (3) 、 (5) 的过程, 直到将所有需要的信息获取后结束。
2 仿真实验
在改进蚁群路由算法中空间距离和障碍物都会对传输路径产生影响, 因此, 仿真中会参考实际的网络情况构建一些障碍物, 设定一些无法放置传感器节点的禁区, 来模拟实际农田中的一些水池、山坡等的地理位置, 这些区域都会对蚁群中蚂蚁的通过造成阻碍。为了使网络的监控数据具有一定的精度和足够的连通度, 传感器节点的覆盖采取了确定式的部署方式, 在非障碍物的区域都放置了传感器节点, 这些节点既负责信息的监控工作也承担数据的传输工作。当监控区域需要上报感测数据时, 区域内的传感器执行改进蚁群路由算法, 找出一条到诊断决策中心的最优路径。
2.1 仿真模型
利用matlab对算法进行仿真实验, 仿真环境建立在32*32的网格范围内, 每个格子由左至右, 从上到下进行编号, 编号设定为1号、2号直到1023号、1024号。设置四个需要获取信息的位置, 编号分别是63号、70号、86号、897号, 诊断决策中心的编号是1024号:α=1, β=20, θ=0.7。
格子内的传感器节点只能与其相邻和对角的节点进行通信, 如图2所示。
节点1的可通信节点是节点2、节点4和节点5。节点2的可通信节点是节点1、节点3、节点4、节点5和节点6。节点5的可通信节点是节点1、节点2、节点3、节点4、节点6、节点7、节点8和节点9。
2.2 仿真效果
黑色区域为障碍物, ⊙表示诊断决策中心位置, ·表示蚁群路由算法找到的优化路径。
3 结果比较
仿真结果中可以看出“热路径”只集中需要获取信息的63号和86号的路径上, 所以只对这两条路径上的“热路径”进行分析和比较。通过比较, 基本蚁群路由算法中的“热路径”由768号、800号、832号、864号、896号、928号、960号和992号组成, 长度是8个单位。改进蚁群路由算法中“热路径”由960号和992号组成, 长度是2个单位。仿真12次的统计结果如表1。
4 结论
本文针对设施农田无线传感器网络的特点, 提出了一种改进的蚁群路由算法。通过在概率选择公式中引入限制参量, 降低了蚁群路由算法下最优路径的信息素浓度, 最终避免了多条传输路径的汇聚。仿真结果表明:改进的蚁群路由算法能够有效的缩短热路径的长度, 动态优化的选择无线传感器信息传输路径。算法增强了设施农田监测网络的传输可靠性, 延长了无线传感器网络的生存时间。
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无线心电监测系统的设计 篇8
关键词：无线心电监测系统,MSP430单片机,心电信号
心脏机械性收缩之前,心肌先发生电激动。心肌的电激动传布全身,在身体不同部位的表面发生电位差。通过心电图机把不断变化的电位连续描记成的曲线,即心电图[1]。本文依心电图机原理设计了一种新型的无线遥测心电监测系统。
1 系统整体设计
系统的总体结构框图如图1所示:
1.1 单片机的选择
系统选用的是TI公司MSP430系列中的MSP430F413型单片机。该单片机带有8KB FLASH;256B RAM;有48个I/O口;96段LCD驱动电路;16位看门狗定时器(WDT);8位基本定时器(Basic Timer1);1个16位定时器Timer_A(带有3个捕获/比较寄存器);比较器A(Comparator_A)等采用64PM封装[2]。
1.2 多路选择开关的设计
心电信号不同导联方式可以通过多路开关进行选择,本系统所用的多路选择开关为CD4052。该芯片是一个双4选1的多路模拟选择开关,应用时可以通过单片机对该芯片AB两端口的控制来选择输入哪一路。例如需要输入的信号为第3路Y组,只要单片机对AB写入11即可选中该路,然后进行处理。
1.3 放大电路和滤波电路的设计
缓冲放大器其输入接CD4025的输出信号,按照心电行业国家标准,其输入阻抗大于2MΩ。主放大电路分两级,总放大倍数满足A/D转换芯片的量程要求。采集的体表心电图会有干扰,为排除干扰得到真实可靠的心电信号要对采集的信号进行滤波。心电信号为低通信号,为去掉高频杂波在电路中设计一个100Hz低通滤波电路,达到滤波的目的[3]。
1.4 A/D转换部分设计
经过滤波后的心电信号仍然为模拟信号,需要把模拟信号转化为数字信号。MSP430F413内部没有集成A/D转换模块,虽然可以利用集成的比较器A进行A/D转换,但是考虑到积分电路的转换时间,实际应用中采用了A/D转换芯片TLV5580。该芯片是TI公司生产的80 MSPS高速流水线A/D转换器,其输出和电压与3.3V TTL/CMOS兼容,不需要外加电源,简化了电路设计。该芯片完全满足心电信号转换的要求。
1.5 无线通讯部分设计
无线通讯部分采用了n RF2401芯片。n RF2401是单片射频收发芯片,工作于全球开放的2.4GHz频段,芯片内置频率合成器、功率放大器等功能模块。该芯片有125个频道,满足多频及跳频需要;高速率1Mbps,高于蓝牙,具有高数据吞吐量;发射和接收的电路相同,只需很少的外围设备就可以使其工作。本系统为实现节能的目的,采用Shock Burst TM收发模式。在Shock Burst TM收发模式下,n RF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时,自动加上字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。该方式减轻了软件设计的工作量[5]。
1.6 串行通信部分设计
本系统采集的心电信号可以发送给PC,PC可以实现对接收到的心电信号的记录。由于PC串行口采用的EIA-RS-232C标准与单片机的TTL电平和逻辑关系是不同的,所以RS-232C与TTL电路接口时需进行电平转换。本系统采用的RS-232电平转换芯片为SP3220E。该芯片仅需外接5个0.1μF的电容(如图2所示),就可以实现RS232C和TTL电平间的相互转换。由于MSP430F413没有硬件通用串行同步/异步模块,所以只能利用定时器模块由用户软件控制,将数据一位一位的移入和移出。
2 软件设计
软件设计包括了初始化、定时模块、采集模块、无线通讯模块和串行通讯模块几部分。框图如图3所示:
2.1 初始化
该程序的功能是进行初始化系统各个模块,设定单片机的中断体系,等待中断的发生。
2.2 定时器模块
该程序的功能是设定系统中的时间,比如多路开关转换的时间,开启A/D转换的时间,无线通讯中发射信息的时间等。
2.3 采集模块
该程序的功能是采集心电信号。其中的多路开关控制程序控制不同电极信号的输入,依次传入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、a VR、a VL、a VF、V1~V6十二导联心电信号,A/D转换程序则控制TLV5580芯片的工作。
2.4 无线通讯模块
该程序的功能是信号的无线传输。由于使用了n RF2401芯片,不需要设计通讯协议和和错误校验,从而简化了程序的设计。
2.5 串行通讯
PC端串行通信程序的功能是将心电监测仪传来的数据接收进PC以供进一步处理。利用Visual Basic的MSComm控件可以较容易实现此功能[6]。
3 结果
完成硬件封装和软件调试后,我们对该系统进行了测试。在实验室环境中,接收部分和计算机连接,由用户携带该系统的采集和发射部分,在半径20m内,用户可以自由活动,接收端可以接受到心电信号并传递给计算机。由于简化了电路,缩小了仪器的体积,用户在测量时并未感觉行动不便。
4 总结
本课题研究的心电检测系统,体积小、低功耗,便于病人携带。使用无线通讯方式可以在记录心电信号的同时在计算机实时观察到信号。另外,数据传递给计算机后由计算机存储在硬盘中,不需要监测系统本身外加扩展存储器,节约了成本。串行通信部分,使用定时器实现串行通信。这种方法的传输可靠性较高,对系统资源的占用较少。由于没有采用硬件UART模块,也大大降低了系统的成本。
该仪器可以准确地测得患者的心电,和PC相连还可以通过进一步编写计算机软件来检测心率异常,并打印心电图。
参考文献
[1]郭航达.简明临床心电图手册[M].上海:复旦大学出版社,2002.
[2]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[3]吕伟,等.基于嵌入式的心血管血流参数检测系统[J].中国医疗设备,2008(10):1-3.
[4]王爱明,李艾华,杨金岩.TLV5580超高速模数转换器原理及应用[J].国外电子元器件,2002(12):47-50.
[5]邢文生,李希臣.nRF2401的ShockBurst(TM)模式及其单片机KeilC语言实现[J].电子工程师,2007,33(1):49-53.