CN103237362B - 一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，包括：键盘输入模块，用于输入校准模式和所测参数的真实值；处理器模块，用于接收来自键盘输入模块的校准模式和所测参数的真实值；还用于接收待校准的传感节点的传感器测量值再根据所述的真实值执行校准算法并生成校准命令；无线通信模块，用于接收所述的传感器测量值并将该传感器测量值传送给处理器模块，还用于向待校准的传感节点发送处理器模块的校准命令；显示模块，用于显示处理器模块接收到的输入信号和传感器测量值；电源模块，用于向键盘输入模块、处理器模块、无线通信模块和显示模块供电。与现有技术相比，本发明不仅能进行更为准确的多点校准，而且使用范围更广。

Description

一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点。

背景技术

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，而在研究自然现象和规律以及生产活动中，单靠人们自身的感觉器官是远远不够的。传感器是人类五官的延长，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，传感器监视和控制着生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态。没有众多优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

一般的传感器会经过出厂校准、首次应用的校准，然而随着使用时间的延长，各种不确定性因素会导致传感器检测的数据与实际出现偏差。现在基本的共识是，对使用中的传感器进行定期校准是必须的。

传感器校准方法可以分为硬件校准和软件校准两种，由于硬件校准并不是在任何情况下都能进行的，所以在使用软件处理传感器数据的应用场合下，使用软件对所测的数据进行校准是非常方便实用的一种方法。

无线传感器网络技术是近年新兴的数据采集技术，成为国内外研究的热点。无线传感器网络的传感节点通过各种传感器采集数据，然后将采集的数据通过无线通信模块以多跳路由或者经由簇头节点最终发送至汇聚节点。国内外已经开发出一些基于无线传感器网络的监测系统，如在畜禽舍，温室，果园等的应用。

但是，对无线传感器网络中的传感器进行校准的方法却很少有人研究。由于传感节点通常不含显示模块，所测数据经过简单处理直接向上层发送；除了无线通讯模块外没有与外界信息交换的接口；更有小体积，低功耗的特点，使得传统的校准传感器的方法不适用于无线传感器网络。国外针对无线传感器网络节点规模大，数据冗余度高的特点，提出了“宏观校准”方法，即不对单个传感器的性能进行校准，而整体考虑整个网络测量的准确性，根据传感节点冗余的特点用分布参数估计的方法进行联合校准。这种方法适用于大规模的具有冗余节点的应用场合，但是对于小规模的固定节点的网络，比如畜禽舍，温室等，则无能为力。

公告号为CN202075433U的中国专利文献公开了一种手持式气象传感器现场校准器，用来校准自动气象站中的气象传感器。这种手持式校准器标准数据通过串口输入，但是大部分标准器件并没有电信号的接口；这种方法对于校准时的数据处理方法没有说明，也不能对传感器进行更为准确的多点校准。

发明内容

本发明提供了一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，该移动节点使用范围广，适用于传感器节点位置可知可触及且环境非急剧变化的一切无线传感器网络。

一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，包括：

键盘输入模块，用于输入校准模式和所测参数的真实值；

处理器模块，用于接收来自键盘输入模块的校准模式和所测参数的真实值；还用于接收待校准的传感节点的传感器测量值再根据所述的真实值执行校准算法并生成校准命令；

无线通信模块，用于接收所述的传感器测量值并将该传感器测量值传送给所述的处理器模块，还用于向待校准的传感节点发送处理器模块的校准命令；

显示模块，用于显示处理器模块接收到的输入信号和传感器测量值；所述的输入信号为从键盘输入模块输入的校准模式和所测参数的真实值；

电源模块，用于向键盘输入模块、处理器模块、无线通信模块和显示模块供电。

处理器模块用于控制本发明移动节点的运行，具体包括：初始化节点，加入当前网络，通过显示模块提示用户输入校准模式和所测参数的真实值、接收用户通过键盘输入模块摄入的校准模式和所测参数的真实值并通过显示模块显示、接收无线通信模块传入的传感器测量值并通过显示模块显示、存储数据、执行校准算法、通过无线通信模块发送校准命令给待校准的传感器节点。

本发明的无线传感器网络移动节点提供两种校准模式。用户可根据需要进行选择。作为其中一种，所述的校准模式为单点校准。作为其中另一种，所述的校准模式为多点校准。

为方便用户操作，所述键盘输入模块为矩阵键盘。在一个具体实施方式中，所述的矩阵键盘为4*4矩阵键盘。该矩阵键盘中设有数字键，用于对不同校准模式进行选择（输入0即选择单点校准，输入1即选择多点校准）、输入所测参数的真实值；还设有“确认”键和“校准”键，“确认”键为用户输入真实值后按键，“校准”键为数据采集完成后开始校准计算按键。

所述单点校准即选用精度更高的标准测量器件所测值作为真实值与待校准的传感节点的传感器测量值进行比较从而校准。该模式的校准方法为：

在本发明无线传感器网络移动节点上电运行，加入当前网络；选定待校准的传感节点及待校准的传感器；根据显示模块的提示，从键盘输入模块输入0，即选择单点校准；将标准测量器件放在尽可能靠近待校准传感器的位置，根据显示模块的提示，输入标准测量器件的测量值作为真实值，按下“确认”键；显示模块显示此真实值，并且通过处理器模块自动读取无线通信模块接收到的传感器测量值并显示；延时一段时间后，当显示模块再次提示输入真实值时，重复上面的输入步骤；如此重复测得n组对应的真实值和传感器测量值，按下“校准”键，处理器模块将自动转入校准算法，并通过无线通信模块发送校准命令给待校准的传感节点使其校准。

选择单点校准时，处理器模块的校准算法为：计算n组数据的平均偏差作为传感器的偏差。单点校准过程中，n值优选为10，n值过小将影响校准的效果，n值过大将使耗时过长。

所述多点校准即使用标准的发生器（如温度发生器），或者提供标准的样品（如标准气体或者标准酸碱度溶液），得到待校准的传感节点在不同给定真实值下的传感器测量值，从而实行校准。该模式的校准方法为：

在本发明无线传感器网络移动节点上电运行，加入网络；选定待校准的传感节点及待校准的传感器，根据显示模块的提示，从键盘输入模块输入1，即选择多点校准；准备标准环境或者标准样品（标准环境及标准样品的参数应在传感器的量程范围内，且能提供尽可能接近传感器满量程的标准环境或标准样品）；将待校准的传感器暴露在标准环境中或以其测量标准样品，待测量稳定后，根据显示模块的提示，输入此时的标准环境或者标准样品参数作为真实值；按下“确认”键，显示模块显示此真实值，并且通过处理器模块自动读取无线通信模块接收到的传感器测量值并显示；改变标准环境或提供不同的标准样品，重复上面的输入步骤；如此重复测得m组对应的真实值和传感器测量值，按下“校准”键，处理器将自动转入校准算法，并通过无线通信模块发送校准命令给待校准的传感节点使其校准；

选择多点校准时，处理器模块的校准算法为：以（真实值，传感器测量值）为一个数据点进行线性拟合，与标准的直线Y=X相比较，进行线性校准。多点校准过程中，m值应不少于3。

优选地，所述处理器模块为单片机。在一个具体实施方式中，所述的单片机为MSP430F149单片机。

优选地，所述无线通信模块为射频模块。在一个具体实施方式中，所述的射频模块为CC2420射频模块。以完成本发明无线传感器网络移动节点与待校准的传感节点之间的无线通信。

优选地，所述显示模块为液晶显示屏。在一个具体实施方式中，所述的液晶显示屏为LCD12864液晶显示屏。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的无线传感器网络移动节点不仅能进行更为准确的多点校准，而且使用范围广，适用于传感器节点位置可知可触及且环境非急剧变化的一切无线传感器网络。

附图说明

图1为本发明用于传感器校准的无线传感器网络移动节点的结构框图；

图2为本发明用于传感器校准的无线传感器网络移动节点的校准流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，包括：4*4矩阵键盘、MSP430F149单片机、LCD12864液晶显示屏、CC2420射频模块，以及分别对4*4矩阵键盘、MSP430F149单片机、LCD12864液晶显示屏、CC2420射频模块供电的电源。

本发明的无线传感器网络移动节点提供两种校准模式：单点校准和多点校准；单点校准即选用精度更高的标准测量器件所测值作为真实值与待校准的传感节点的传感器测量值进行比较从而校准；多点校准即使用标准的发生器（如温度发生器），或者提供标准的样品（如标准气体或者标准酸碱度溶液），得到待校准的传感节点在不同给定真实值下的传感器测量值，从而实行校准。

为方便用户操作，4*4矩阵键盘上设有数字键，用于对校准模式进行选择（输入0即选择单点校准，输入1即选择多点校准）以及输入所测参数的真实值；还设有“确认”键和“校准”键，“确认”键为用户输入真实值后按键，“校准”键为数据采集完成后开始校准计算按键。

CC2420射频模块用于完成本发明无线传感器网络移动节点与待校准的传感器节点之间的无线通信；包括建立无线通道，接收待校准的传感器节点的传感器测量值并传送给MSP430F149单片机。

MSP430F149单片机接收从4*4矩阵键盘输入的校准模式和真实值、从CC2420射频模块传来的传感器测量值并显示在LCD12864液晶显示屏上；MSP430F149单片机作为处理器模块进行存储数据、执行校准算法，并通过CC2420射频模块发送校准命令给待校准的传感节点。

使用时，在本发明无线传感器网络移动节点上电运行，加入当前网络，选定待校准的传感节点即待校准的传感器，根据LCD12864液晶显示屏上的提示，选择校准模式进行校准；选择单点校准时，则输入0；选择多点校准时，则输入1。校准流程如图2所示。

下面分别以温度传感器的单点校准和在线pH计的多点校准为例说明本发明无线传感器网络移动节点的使用方法。

实施例2温度传感器的单点校准

以高精度的水银温度计为测温标准器件，其所测值为真实值。

在本发明无线传感器网络移动节点上电运行，待其加入当前网络后，选定待校准的传感节点以及待校准的温度传感器，根据LCD12864液晶显示屏上的提示，输入0选择单点校准进行校准；

将水银温度计放在尽可能靠近待校准的温度传感器的位置，待水银温度计读数稳定后，根据LCD12864液晶显示屏上的提示，输入此时水银温度计的读数作为真实值；按下4*4矩阵键盘上的“确认”键，此温度真实值会显示在LCD12864液晶显示屏上；MSP430F149单片机自动读取CC2420射频模块接收并传送来的传感器测量值，并显示在LCD12864液晶显示屏上；

延时1min后，当LCD12864液晶显示屏上再次提示输入真实值时，重复上述读水银温度计读数-输入读数-按“确认”键-延时步骤；如此重复测得10组对应的温度真实值和传感器测量值，按下“校准”键，MSP430F149单片机将自动计算此温度传感器的偏差，并将发送校准命令给待校准的传感节点校准此偏差。

实施例3在线pH计的多点校准

在线pH计的量程为0-14。需准备标准pH溶液，如pH为1.68的草酸盐溶液，3.56的草酸盐溶液，4.01的邻苯二甲酸盐溶液，6.86的磷酸盐溶液，9.18的硼酸盐溶液，12.45的氢氧化钙溶液；准备标准pH溶液时的温度应恒定为25°C，若温度有偏差可查表确定此时标准溶液的真实pH。

在本发明无线传感器网络移动节点上电运行，待其加入当前网络后，选定待校准的传感节点以及待校准的在线pH计，根据LCD12864液晶显示屏上的提示，输入1选择多点校准进行校准；

取pH为1.68的标准溶液，将pH计探头用蒸馏水洗净后，浸泡入标准溶液中；待pH计稳定后，根据LCD12864液晶显示屏上的提示，输入标准溶液的pH值（1.68）作为真实值；按下4*4矩阵键盘上的“确认”键，此pH真实值会显示在LCD12864液晶显示屏上；MSP430F149单片机自动读取CC2420射频模块接收并传送来的pH计测量值，并显示在LCD12864液晶显示屏上；

另取不同pH的标准溶液，重复上面的清洗-测量-延时等待-输入真实溶液pH值-按“确认”键步骤；如此重复测得6组对应的pH真实值和pH计测量值（组数可按所备标准pH溶液的数目灵活选取，不应低于3组），按下“校准”键，MSP430F149单片机将自动计算出线性校准参数，并发送校准命令给待校准的传感节点使其校准pH计。

Claims (5)

1.一种用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，其特征在于，包括：

键盘输入模块，用于输入校准模式和所测参数的真实值；

处理器模块，用于接收来自键盘输入模块的校准模式和所测参数的真实值；还用于接收待校准的传感节点的传感器测量值再根据所述的真实值执行校准算法并生成校准命令；

无线通信模块，用于接收所述的传感器测量值并将该传感器测量值传送给所述的处理器模块，还用于向待校准的传感节点发送处理器模块的校准命令；

显示模块，用于显示处理器模块接收到的输入信号和传感器测量值；所述的输入信号为从键盘输入模块输入的校准模式和所测参数的真实值；

电源模块，用于向键盘输入模块、处理器模块、无线通信模块和显示模块供电；

所述的校准模式为多点校准，校准方法为：

在无线传感器网络移动节点上电运行，加入网络；选定待校准的传感节点及待校准的传感器，根据显示模块的提示，从键盘输入模块选择多点校准；准备标准环境或者标准样品；将待校准的传感器暴露在标准环境中或以其测量标准样品，待测量稳定后，根据显示模块的提示，输入此时的标准环境或者标准样品参数作为真实值；按下“确认”键，显示模块显示此真实值，并且通过处理器模块自动读取无线通信模块接收到的传感器测量值并显示；改变标准环境或提供不同的标准样品，重复上面的输入步骤；如此重复测得m组对应的真实值和传感器测量值，按下“校准”键，处理器将自动转入校准算法，并通过无线通信模块发送校准命令给待校准的传感节点使其校准。

2.如权利要求1所述的用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，其特征在于，所述键盘输入模块为矩阵键盘。

3.如权利要求1所述的用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，其特征在于，所述处理器模块为单片机。

4.如权利要求1所述的用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，其特征在于，所述无线通信模块为射频模块。

5.如权利要求1所述的用于传感器校准的无线传感器网络移动节点，其特征在于，所述显示模块为液晶显示屏。