太阳能集热装置的无线监测系统设计

【摘要】：随着社会的发展，工业的进步，很多大型工业设备、厂区的出现，为了让这些工业设备能够长期安全稳定的运行，实时掌握系统的运行状态和参数，监控系统是必不可少的，但早期的有线监控系统需要繁琐复杂的连线，而且成本高昂，存在很大的局限性，更重要的是在现代工业场合中，由于存在高危险性等一些特殊情况，不便于维护人员直接接触检修和操作，无线监控系统的出现很好的解决了这些难题。本文就是针对大型太阳能集热装置而设计的一款短程无线监测平台，主要解决设备工作在有毒、高温、高压、易燃等危险场合中各个部位状态信号的采集、处理和通信等问题，从系统可靠性、数据准确性以及节点的低功耗出发。 太阳能集热装置是一个高效率吸收太阳能辐射的试验系统，同时还能将太阳能转换成其他形式的能量，本文根据该装置实际需求，设计了一套短程无线监测系统。首先对各种无线网络进行了深入分析和比较，选取了ZigBee标准为系统的通信协议，设计了以MSP430F149和CC2530F256为核心控制器的无线传感节点，并对无线网关进行了软硬件设计，搭建了基于ZigBee规范的星型无线传感网络平台；各种无线传感节点将系统每个部位的状态信号实时采集，包括温度、应变、压力和流量等传感信号，并在采集终端节点对这些数据进行简单的数据分析处理，然后通过ZigBee无线网络发送给汇聚节点，再次进行数据融合处理，最后将处理结果通过串口发送给监控中心显示，实现了太阳能集热装置的短程无线监测功能。 另外，考虑到无线节点是电池供电，为了尽可能的长期稳定工作，还对节点进行了低功耗设计，根据对节点系统的功耗分析，主要采用低功耗核心控制芯片和减少无线通信数据量的措施，通过增加控制器的计算和处理能力，即牺牲处理器CPU资源，来减小无线网络的通信载荷，达到节能的目的，大大延长了无线节点的使用寿命。 最后，对系统性能指标进行了测试和分析，包括网络通信测试、误帧率测试、低功耗测试和系统运行数据分析；总结了系统完成的工作以及存在的不足，对下一步要做的工作进行的详细的分析和展望。 【关键词】：无线监测系统 ZigBee无线网络 无线传感节点 无线网关 低功耗
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1;TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景9-11
• 1.1.1 课题来源及需求分析9-10
• 1.1.2 短程无线传感器网络概述10-11
• 1.2 短程无线监测系统研究现状11-13
• 1.3 课题研究目的和论文组织结构13-14
• 1.3.1 课题研究目的13
• 1.3.2 论文组织结构13-14
• 第2章 无线监测系统总体设计14-24
• 2.1 系统设计要求14
• 2.2 无线通信标准选取14-16
• 2.2.1 几种无线通信标准比较14-16
• 2.2.2 无线标准选择16
• 2.3 系统整体设计16-23
• 2.3.1 电源设计17-18
• 2.3.2 无线节点设计18-19
• 2.3.3 无线网关设计19-20
• 2.3.4 监测界面设计20-23
• 2.4 本章小节23-24
• 第3章 无线监测系统硬件设计24-47
• 3.1 节点系统低功耗设计24-30
• 3.1.1 节点系统能量消耗分析24-26
• 3.1.2 超低功耗控制器26-28
• 3.1.3 节点双 MCU 设计28-29
• 3.1.4 电源节能电路设计29-30
• 3.2 节点硬件设计30-44
• 3.2.1 电源模块30-33
• 3.2.2 传感器选型及接口电路33-38
• 3.2.3 信号采集及调理电路38-42
• 3.2.4 参考电压电路42-43
• 3.2.5 数据处理模块43-44
• 3.3 网关硬件设计44-47
• 3.3.1 USB 转串口电路设计44-45
• 3.3.2 网关主控电路设计45-47
• 第4章 无线监测系统软件设计47-65
• 4.1 ZigBee 协议栈分析47-54
• 4.1.1 基于 IEEE 802.15.4 的物理层48-51
• 4.1.2 基于调度的 MAC 层51-53
• 4.1.3 基于采集的的应用层53-54
• 4.2 无线传感节点程序设计54-61
• 4.2.1 数据采集程序设计55-56
• 4.2.2 数据存储程序设计56-59
• 4.2.3 节点入网及数据收发程序设计59-61
• 4.3 无线网关程序设计61-65
• 4.3.1 网络初始化62-63
• 4.3.2 组网程序设计63-65
• 第5章 系统测试数据分析65-71
• 5.1 监测节点入网测试65-66
• 5.2 无线监测系统误帧率测试66-67
• 5.3 监测节点低功耗测试67-68
• 5.4 系统运行数据68-70
• 5.5 实物展示70-71
• 第6章 总结与展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-75

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