CN103926004A - 一种基于无线传感网络的温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于无线传感网络的温度检测方法。所述其中温度检测系统包括可视化界面端以及若干无线传感网模块；每个无线传感网模块包括一个sink节点和若干个端节点，每个sink节点包括一个MCU、射频芯片、以太网芯片以及电源模块，每个端节点包括一个单片机、射频芯片、非接触式红外测温芯片以及电源模块；可视化界面端与sink节点通过以太网连接，sink节点与端节点之间通过射频芯片进行通信。所述同步方法及通信方法为sink节点和端节点之间的时间同步方法和通信方法，其中通信方法包括上行通信和下行通信。通过大量低功耗多功能的无线传感网节点协同工作，完成网络覆盖区域内温度数据的实时监控、感知、采集和处理。

Description

一种基于无线传感网络的温度检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感网络的温度检测方法。

背景技术

电力系统中的高压设备常因为大电流或者关键部位接触电阻的增加，致使温升过高而引发事故。因此需要对这些发热敏感部位加以实时监控。传统的监控系统一般需要布线和接触式的检测，而高压设备不适合这种方法的应用.

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种基于无线传感网络的温度检测系统及同步和通信方法，通过大量低功耗多功能的无线传感网节点协同工作，完成网络覆盖区域内温度数据的实时监控、感知、采集和处理，通过无线电波汇聚到汇聚节点，再经过以太网传送到用户终端，利用无线传感网技术有效的解决变电站排线、触头、母线等不易监测的难题。

技术方案：为了实现发明目的，本发明公开了一种基于无线传感网络的温度检测方法，其中包括一个温度检测系统，所述温度检测系统包括可视化界面端以及若干无线传感网模块；每个无线传感网模块包括一个sink节点和若干个端节点，每个sink节点包括MCU、射频芯片、以太网芯片以及第一电源模块，每个端节点包括单片机、射频芯片、非接触式红外测温芯片以及第二电源模块；可视化界面端与sink节点通过以太网连接并且采用TCP/IP协议通信，sink节点与端节点之间通过射频芯片进行通信；视化界面端用于对端节点非接触式红外测温芯片的温度查询以及端节点的配置；

上述无线传感网络的温度检测系统中sink节点和端节点的同步方法，包括以下步骤：

（a1）无线传感网模块上电后，开启射频芯片并置于等待状态，sink节点向其所在模块中的每个端节点发送空闲信号帧，当sink节点发送空闲信号帧至最后一个端节点，端节点在接收到空闲信号帧后向sink节点发送申请配置帧；

（a2）sink节点向一个端节点发送端节点配置帧，配置帧包括网络号、节点号、发送周期、温度阀值以及sink节点的本地时间；

（a3）端节点根据步骤（a2）中的端节点配置帧修改相关配置，同时开启本地时间定时器，并且向sink节点发送其本地时间；

（a4）sink节点根据步骤（a3）发来的端节点本地时间计算出时间差，并将其发送给上述端节点；

（a5）端节点根据sink节点发来的时间差校准端节点本地时间，并且根据校准的本地时间计算出发送时间，端节点进入正常工作状态。

作为优选，为了使所述系统能够更好地应用于不同的需求且不需要重新编写大量程序，只需要操作系统提供的接口修改少量与传感器有关的组件及通过与硬件无关的接口作少量的应用程序修改即可,所述无线传感网模块运行于片上操作系统上，片上操作系统包括硬件接口层、硬件适配层以及硬件表示层；硬件表示层通过存储器和端口映射输入输出来接入硬件，硬件适配层通过硬件表示层的映射关系来构建合适的抽象，硬件接口层通过硬件适配层的抽象将其转化为与硬件无关的接口。

作为优选，为了使测得的温度能够得到更准确的验证及校正，所述端节点还包括接触式测温芯片。

作为优选，为了能够让所述系统实现低功耗从而适应无法更换电池及持续充电的要求，sink节点的MCU使用STM32F103芯片，端节点的单片机使用MSP430F2618芯片以及sink节点和端节点的射频芯片使用CC2520芯片。

为了更进一步实现发明目的，本发明中中sink节点和端节点的通信方法包括下行通信以及上行通信；

下行通信包括：

sink节点接收到可视化界面端发送的数据包，根据接收到的数据包判断是否为查询命令，若是查询命令，则通过sink节点的射频芯片转发该数据包至相应的端节点，否则为更改命令，即配置相应无线传感网模块，包括sink节点号、网络号、发送周期及预警值，并且在配置节点的同时还需要判断时间是否同步，若不同步则需要更新该无线传感网模块sink节点及端节点的时间；

上行通信包括以下步骤：

（b1）端节点上电后进行初始化工作，待操作系统启动完毕，端节点每隔一秒向sink节点发送申请端节点号数据帧直到sink节点成功向该端节点发送配置帧，根据配置帧信息，开启三个定时器，分别为：发送温度定时器、采样定时器及唤醒定时器，若发送温度定时器到达则进入步骤（b2），若采样定时器到达则进入步骤（b3），若唤醒定时器到达，则进入步骤（b4）；

（b2）端节点的单片机被唤醒，单片机将射频芯片置于激活状态，单片机成功接收到射频芯片激活成功的信息之后唤醒非接触式红外测温芯片并进行初始化，待非接触式红外测温芯片采集温度完成，单片机再次关闭非接触式红外测温芯片，单片机将采集到的温度数据打包并通过射频芯片发送给sink节点，发送任务完成将射频芯片置于低功耗状态，并且单片机也进入低功耗状态，若发送失败，则将本次数据保存等待下一次发送温度定时器到达时与下一次温度数据一起打包发送；

（b3）端节点的单片机被唤醒，唤醒非接触式红外测温芯片并进行初始化，采集温度，若采集到的温度超过预警值，则单片机唤醒射频芯片并发送报警信息，否则关闭非接触式红外测温芯片；采集完成，将单片机置于低功耗状态，若发送报警信息则也将非接触式红外测温芯片置于低功耗状态；

（b4）将射频芯片置为激活状态，单片机成功接收到射频芯片激活成功的信息之后向sink节点发送唤醒标志帧，并开启500ms定时器，待500ms定时器到达则将射频芯片置于低功耗状态。

有益效果：本发明与现有技术相比，通过大量低功耗多功能的无线传感网节点协同工作，完成网络覆盖区域内温度数据的实时监控、感知、采集和处理，通过无线电波汇聚到汇聚节点，再经过以太网传送到用户终端，利用无线传感网技术有效的解决变电站排线、触头、母线等不易监测的难题。

附图说明

图1为本发明基于无线传感网络的温度检测系统的结构图；

图2为本发明操作系统的结构示意图；

图3为本发明sink节点和端节点的时间同步建立流程图；

图4为本发明sink节点和端节点的时间同步维护流程图；

图5为本发明sink节点和端节点的通信协议结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，所述系统包括PC可视化界面端以及若干sink节点，PC可视化界面端通过以太网与sink节点连接，采用TCP/IP协议通信；每个sink节点下设有32个端节点，sink节点与端节点之间采用IEEE802.15.4标准进行通信；PC可视化界面端采用JAVA语言实现，用于对目标温度的查询、端节点的配置以及端节点号的更改等功能；Sink节点由NET_ID区别，端节点由NODE_ID区分，编号从0到31；Sink节点发送地址为广播地址，源地址为0xBEEF，端节点的发送目的地址为0xBEEF，源地址皆为0x2000，通过判断发送端的发送目的地址以及源地址，端节点之间不能相互通信；Sink节点，由MCU芯片STM32F103+射频芯片CC2520+以太网芯片enc28j60构成。端节点，以MSP430F2618+射频芯片CC2520+红外测温芯片TMP006构成。

如图2所示，本系统基于片上操作系统实现，操作系统中采用三层硬件抽象架构，使得底层硬件平台功能和与平台独立的硬件接口相适配，同时也使得应用程序可以调用一个平台的全部功能。顶层是硬件接口层，通过提供与平台无关的硬件接口促进了可移植性；中间层是硬件适配层，通过丰富的硬件相关接口丰富了效率；底层是硬件表示层，负责访问硬件寄存器和处理中断。

硬件表示层的组件直接位于软硬件边界之上，其主要任务是使用操作系统的原生概念来“表示”硬件功能。它们通过存储器和端口映射输入输出来接入硬件。相反地，硬件通过发送中断信号请求业务。硬件表示层通过这种通信方式隐藏了硬件复杂度，为系统提供了更容易理解的接口。硬件表示层组件应当是无状态的，并提供由抽象硬件模型的功能所确定的接口。这种与硬件紧耦合的方式使组件的设计和实现具有较少的自由度。每个硬件表示层组件与底层硬件都是一一对应的，但它们结构相似。硬件表示层所包含的组件如表1所示。

表1

硬件适配层的组件代表了架构的核心。它们使用硬件表示层的组件提供的原始接口来构建合适的抽象，以降低与硬件资源使用相关的复杂性。与硬件表示层组件不同的是，它们可以维持状态，来执行仲裁和资源控制。硬件适配层接口并不隐藏通用模型背后个别硬件功能，而是提供特定的功能和最好的抽象来简化硬件开发，同时保持资源的有效利用。硬件适配层组件提供丰富、定制的接口来访问这些抽象，而不是通过标准接口来接入这些抽象，这可使得编译更加高效。硬件适配层层包含的组件如表2所示。

表2

硬件接口层，采用硬件适配层提供的平台相关的抽象，并将其转化为与硬件无关的接口，供跨平台的应用程序使用。这些接口通过屏蔽硬件差异来简化应用软件的开发。要达到此目的，API应当体现出传感器网络应用中需要的典型硬件服务。该操作系统中硬件接口层所包含的组件如表3所示。

表3

如图3所示，温度检测系统中sink节点和端节点的同步方法，包括以下步骤：（a1）无线传感网模块上电后，开启射频芯片并置于等待状态，sink节点向其所在模块中的每个端节点发送空闲信号帧，当sink节点发送空闲信号帧至最后一个端节点，端节点在接收到空闲信号帧后向sink节点发送申请配置帧；（a2）sink节点向一个端节点发送端节点配置帧，配置帧包括网络号、节点号、发送周期、温度阀值以及sink节点的本地时间；（a3）端节点根据步骤（a2）中的端节点配置帧修改相关配置，同时开启本地时间定时器，并且向sink节点发送其本地时间；（a4）sink节点根据步骤（a3）发来的端节点本地时间计算出时间差，并将其发送给上述端节点；（a5）端节点根据sink节点发来的时间差校准端节点本地时间，并且根据校准的本地时间计算出发送时间，端节点进入正常工作状态。如图4所示，在系统运行过程中也需要对系统的时间同步进行维护，实际上就是网络正常工作期，Sink节点正常接收各端节点采集的数据，同时时间同步方案要可纠正sink节点与端节点时钟的误差，并允许任一端节点随时加入该无线传感器网络。并在一个采集周期中同步完成，如此设计便于该网络的维护和检修。

下面结合实施例对本发明的通信方法作更进一步的说明。

该通信过程分为两部分：下行通信和上行通信，其通信协议的帧结构如图5所示。下行通信：

Sink节点接收到PC端发送的IP包处理请求，首先根据接收的数据包判断是否为查询命令，若是，则通过射频直接转发该命令至端节点；否则更改某节点的ID命令来匹配，再则配置节点命令，包括节点号、网络号、发送间隔和预警值。另一方面，在配置节点命令的同时，需注意时间是否同步，否则要更新本地时间，实现同步发送，PC与Sink每15分钟同步一次。

Sink节点发送流程：首先节点初始化，包括系统时钟的配置、中断配置、GPIO配置、串口初始化、uIP初始化、实时时钟初始化以及射频初始化。当存在无线数据包时，通过无线数据包处理函数，判断为何种帧结构，再发送至端节点。

端节点接收流程：当应用层接收事件触发时，首先获取数据包的载荷长度，然后根据数据包的长度判断数据帧的类型。若为配置帧，则更新节点配置信息；若为查询帧，则发送即时温度信息；若为节点号替换帧，则更新节点号。最后设置射频芯片进入低功耗模式。

上行通信sink节点接收到可视化界面端发送的数据包，根据接收到的数据包判断是否为查询命令，若是查询命令，则通过sink节点的射频芯片转发该数据包至相应的端节点，否则为更改命令，即配置相应无线传感网模块，包括sink节点号、网络号、发送周期及预警值，并且在配置节点的同时还需要判断时间是否同步，若不同步则需要更新该无线传感网模块sink节点及端节点的时间；

上行通信包括以下步骤：

（b1）端节点上电后进行初始化工作，待操作系统启动完毕，端节点每隔一秒向sink节点发送申请端节点号数据帧直到sink节点成功向该端节点发送配置帧，根据配置帧信息，开启三个定时器，分别为：发送温度定时器、采样定时器及唤醒定时器，若发送温度定时器到达则进入步骤（b2），若采样定时器到达则进入步骤（b3），若唤醒定时器到达，则进入步骤（b4）；

（b2）端节点的单片机被唤醒，单片机将射频芯片置于激活状态，单片机成功接收到射频芯片激活成功的信息之后唤醒非接触式红外测温芯片并进行初始化，待非接触式红外测温芯片采集温度完成，单片机再次关闭非接触式红外测温芯片，单片机将采集到的温度数据打包并通过射频芯片发送给sink节点，发送任务完成将射频芯片置于低功耗状态，并且单片机也进入低功耗状态，若发送失败，则将本次数据保存等待下一次发送温度定时器到达时与下一次温度数据一起打包发送；

（b3）端节点的单片机被唤醒，唤醒非接触式红外测温芯片并进行初始化，采集温度，若采集到的温度超过预警值，则单片机唤醒射频芯片并发送报警信息，否则关闭非接触式红外测温芯片；采集完成，将单片机置于低功耗状态，若发送报警信息则也将非接触式红外测温芯片置于低功耗状态；

（b4）将射频芯片置为激活状态，单片机成功接收到射频芯片激活成功的信息之后向sink节点发送唤醒标志帧，并开启500ms定时器，待500ms定时器到达则将射频芯片置于低功耗状态。

Claims (5)

1.一种基于无线传感网络的温度检测方法，其特征在于，提供温度检测系统，所述温度检测系统包括可视化界面端以及若干无线传感网模块；每个无线传感网模块包括一个sink节点和若干个端节点，每个sink节点包括MCU、射频芯片、以太网芯片以及第一电源模块，每个端节点包括单片机、射频芯片、非接触式红外测温芯片以及第二电源模块；可视化界面端与sink节点通过以太网连接并且采用TCP/IP协议通信，sink节点与端节点之间通过射频芯片进行通信；视化界面端用于对端节点非接触式红外测温芯片的温度查询以及端节点的配置；

温度检测系统中sink节点和端节点的同步方法，包括以下步骤：

（a1）无线传感网模块上电后，开启射频芯片并置于等待状态，sink节点向其所在模块中的每个端节点发送空闲信号帧，当sink节点发送空闲信号帧至最后一个端节点，端节点在接收到空闲信号帧后向sink节点发送申请配置帧；

（a2）sink节点向一个端节点发送端节点配置帧，配置帧包括网络号、节点号、发送周期、温度阀值以及sink节点的本地时间；

（a3）端节点根据步骤（a2）中的端节点配置帧修改相关配置，同时开启本地时间定时器，并且向sink节点发送其本地时间；

（a4）sink节点根据步骤（a3）发来的端节点本地时间计算出时间差，并将其发送给上述端节点；

（a5）端节点根据sink节点发来的时间差校准端节点本地时间，并且根据校准的本地时间计算出发送时间，端节点进入正常工作状态。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的温度检测方法，其特征在于，所述无线传感网模块运行于片上操作系统上，片上操作系统包括硬件接口层、硬件适配层以及硬件表示层；硬件表示层通过存储器和端口映射输入输出来接入硬件，硬件适配层通过硬件表示层的映射关系来构建合适的抽象，硬件接口层通过硬件适配层的抽象将其转化为与硬件无关的接口。

3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的温度检测方法，其特征在于，所述端节点还包括接触式测温芯片。

4.如权利要求1所述基于无线传感网络的温度检测方法，其特征在于，sink节点的MCU使用STM32F103芯片，端节点的单片机使用MSP430F2618芯片以及sink节点和端节点的射频芯片使用CC2520芯片。

5.根据权利要求1所述基于无线传感网络的温度检测方法，其特征在于，其中sink节点和端节点的通信方法包括下行通信以及上行通信；

下行通信包括：

sink节点接收到可视化界面端发送的数据包，根据接收到的数据包判断是否为查询命令，若是查询命令，则通过sink节点的射频芯片转发该数据包至相应的端节点，否则为更改命令，即配置相应无线传感网模块，包括sink节点号、网络号、发送周期及预警值，并且在配置节点的同时还需要判断时间是否同步，若不同步则需要更新该无线传感网模块sink节点及端节点的时间；

上行通信包括以下步骤：

（b1）端节点上电后进行初始化工作，待操作系统启动完毕，端节点每隔一秒向sink节点发送申请端节点号数据帧直到sink节点成功向该端节点发送配置帧，根据配置帧信息，开启三个定时器，分别为：发送温度定时器、采样定时器及唤醒定时器，若发送温度定时器到达则进入步骤（b2），若采样定时器到达则进入步骤（b3），若唤醒定时器到达，则进入步骤（b4）；

（b2）端节点的单片机被唤醒，单片机将射频芯片置于激活状态，单片机成功接收到射频芯片激活成功的信息之后唤醒非接触式红外测温芯片并进行初始化，待非接触式红外测温芯片采集温度完成，单片机再次关闭非接触式红外测温芯片，单片机将采集到的温度数据打包并通过射频芯片发送给sink节点，发送任务完成将射频芯片置于低功耗状态，并且单片机也进入低功耗状态，若发送失败，则将本次数据保存等待下一次发送温度定时器到达时与下一次温度数据一起打包发送；

（b3）端节点的单片机被唤醒，唤醒非接触式红外测温芯片并进行初始化，采集温度，若采集到的温度超过预警值，则单片机唤醒射频芯片并发送报警信息，否则关闭非接触式红外测温芯片；采集完成，将单片机置于低功耗状态，若发送报警信息则也将非接触式红外测温芯片置于低功耗状态；

（b4）将射频芯片置为激活状态，单片机成功接收到射频芯片激活成功的信息之后向sink节点发送唤醒标志帧，并开启500ms定时器，待500ms定时器到达则将射频芯片置于低功耗状态。