基于IEEE1451.5标准网络传感器的研发

发布时间：2020-10-23 09:29

　　 无线传感网是集数据采集、数据传输、数据处理于一体的智能控制系统,有着巨大的应用范围和实用价值。IEEE1451标准提供了无线传感器的接口标准,此标准使得传感器配置简单、通用性强、可靠性高,解决了各类现场总线的智能传感器接口不统一的问题。本文在IEEE1451.5标准协议下搭建具有即插即用功能的无线智能传感网,目的是实现传感节点的无线接入和智能化识别。本文在IEEE1451.5协议基础上,分别搭建WTIM的模块框架和NCAP的模块框架。智能变送器(WTIM)采用STM32F103处理器为核心进行软硬件开发,配置TEDS表格,扩展外围电路。同时采用基于ZigBee技术的无线单片机CC2530芯片,设计以称重传感器为核心的采集模块,并将采集后的数据通过无线传输到网络适配器中,实现了在整体框架下基于IEEE1451.5标准的无线传感器接口模块的设计,完成了数据采集、信号调理、模数转换、数据存储和无线传输的功能。系统设计的网络适配器(NCAP)模块主要实现的功能有协调器的组网、接收和存储数据的功能。同时针对传感器的非线性化输出搭建了校正引擎,结合三次样条插值法、最小二乘法和神经网络算法分析校正引擎,采用了一种改进的神经网络算法作为系统校正模型,将实验采集的数据进行分析对比,改进后的算法满足系统的整体需求,实现了网络传感器的智能化。最后,将采集处理过的信号通过串口的方式输入到计算机中,采用基于LabVIEW软件的远程面板技术,将实验数据发送到网络中,经实验验证,采集到的数据可以上传到网络中,实现了对传感器的管理和监控。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.9;TN929.5
【部分图文】：

２?ＩＥＥＥ１４５１标准和ＺｉｇＢｅｅ协议的主要内容??２．１?ＩＥＥＥ１４５１标准体系??制定ＩＥＥＥ１４５１标准的目标是定义一套通用的通信接口，使变送器同微处理??器、仪器系统或网络相连接［１９］。ＩＥＥＥ１４５１标准既允许不同的厂家生产的传感器??支持多种网络，还让用户根据自己的需求选择类型不同的传感器和网络（有线??或者无线），同时支持即插即用，最终目标是实现不同厂商产品的互换性和互??操作性。??目前，ＩＥＥＥ１４５１标准集合包含了?８个标准，从ＩＥＥＥ１４５１．０－ＩＥＥＥ１４５１．７。??ＩＥＥＥ１４５１标准由８个不同的子标准组成，但在通信协议和ＴＥＤＳ格式＿的配置??上有不兼容问题。ＩＥＥＥ１４５１．０标准定义了通用的协议模式和接口标准，加强了??子协议之间的相互操作性，方便有线和无线网络进行相互通信。??＾＾??

同时传输的数据只可以在相邻层里流动。ＺｉｇＢｅｅ协议也是在ＯＳＩ参考模型??［３４］的基础上，结合无线网络的特点，采用分层的思想来实现的。ＺｉｇＢｅｅ协议栈??模型如图２．３所示。??应用层ＡＰＬ?＇＇??１麵呈?ＺＤ〇??序对象?ＺＤ（Ｄ?＼??：：：：：：：二：：：＝＝—．???丨?ＺｉｇＢｅｅ协??｜议定义＼??＾?应用程序支持层（ＡＰＳ）丨?丨?＼??１?一．．．．．．．＝二二—＝＝ＬＪ?／?＼??沒?ｔ?ｉ?１?／?ＺｉｇＢｅｅ无??＾?＜＝＝ｑ?网络层（ｎｗｋ）?／?线网络??介质访问层（ＭＡＣ）?、?／??ｉ?＇?ＩＥＥＥ８０２．１５．／??＂Ｔ－！?１?”规范定义ｚ??物理层（ＰＨＹ）??图２．３?ＺｉｇＢｅｅ协议栈模型??Ｆｉｇ．?２．３?Ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ＺｉｇＢｅｅ?ｐｒｏｔｏｃｏｌ??从图中可以看出，ＩＥＥＥ８０２．１５．４仅仅定义了?ＰＨＹ层和ＭＡＣ层的数据传输??规范，而ＺｉｇＢｅｅ协议定义了网络层、应用程序支持子层和应用层的数据传输规??范，这两部分组合在一起就是ＺｉｇＢｅｅ无线网络。下面将分层次介绍每个层的作??用。??物理层定义了物理无线通道和介质访问层之间的接口，提供给物理层信息??服务和物理层中的管理服务［３５］。物理层数据服务是从无线物理通道上接收和发??送数据，另一个是维护数据库的资料。??ＰＨＹ层主要是在硬件中的驱动程序上，来实现数据的无线传输和物理信道??的管理。??ＭＡＣ层使用物理层提供的服务实现每个传感器间数据帧的传输从根本??上来讲

线传输简化编程。芯片的内部有着高度集成的内存［３７］、射频收发器和振荡器，??简化了外围电路的设计又可以在公共频段中持续工作。基于ＩＥＥＥ１４５１．５标准的??网络传感器系统模型如图３．１所示：??ＷＴＩＭ?ＮＣＡＰ??传感器十二ＡＤＣ…］?ＷＩＦＩ?网??Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ???络??执行器ＤＡＣ—Ｌ?Ｚ，ｇＢｅｅ?［—￣校正引擎￣１网????Ｃ?二￥?络?＜＝＾＞??［变送器；ＤＩ／Ｏ?—?无线传输??接??????｜＾应用处理￣｜?口??｜变送器…??ＴＥＤＳ」??＼／??图３．１?ＩＥＥＥ１４５１．５标准典型结构模型??Ｆｉｇ．?３．１?Ｔｈｅ?ｔｙｐｉｃａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｍｏｄｅｌ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｓｔａｎｄａｒｄ?ｏｆ?ＩＥＥＥ?１４５１．５??１４??
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本文编号：2852854