WSN基础上高压设备温度检测体系研究

绪论

无线传感网（WSN：Wireless Sensor Network）是通信技术、计算机技术、传感器技术和网络技术相结合的产物，是一门知识高度集成的热门研究学科。随着物联网概念的兴起，无线传感网技术再次受到了人们的广泛重视，它被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一。
在一定的区域中散布若干低功耗、多功能、低成本的无线传感网节点，通过各节点的协同工作，可以完成测量、控制、定位等多种功能，功能的完善性和应用场合的多样性使得WSN 在军事防御、城市建设、工农业生产、生物医疗、救灾抢险等诸多领域都有其应用的潜力与价值。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，而高压设备附近强烈的电磁干扰阻碍了这种方法的应用，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，并通过无线电波以自组织多跳的方式汇聚到汇聚节点，之后经过互联网或卫星等多种途径传送到用户终端，利用无线传感网技术可以有效的解决变电站排线、触头、母线等不易监测的难题。

1.1 无线传感网概述
无线传感网是一种由大量低成本的无线传感器节点构成的网络。
这种网络不需要基站或交换机作为中转，节点间通过点对点通信，又称作 ad hoc 网络，即一种特殊的多跳移动无线网络。无线传感网为人类深入研究客观世界开创了新的纪元，也是当今 IT 领域中的一个前沿学科。美国最先开始研究无线传感网，自 20 世纪 70 年代研究人员通过点对点连接的方式将传统传感器与传感控制器连接起来进行数据感知和传输，构成应用于军事领域的第一代传感器系统；到了 20 世纪 80 年代，传感器节点大幅提升了信息获取能力以及信号综合处理能力，通过与传感控制器的相联，组成了具备简单感知和综合处理能力的第二代传感器网络；20 世纪 90 年代末期，无线通信技术和现场总线技术被成功的引入到传感器网络的构建中，能够智能感知的无线传感网愈发呈现出微型化、智能化的趋势，标志着无线传感网进入了新的纪元。目前，无线传感网仍处于不断发展的阶段，也存在着不少的缺点，市面上相对成熟的产品还为数不多，因此，无线传感网有着非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类生活和生产带来极其深远的影响。1.1.1 无线传感网特点及体系结构
WSN 通常为适应某种特定应用背景而设计，且传感器节点能量受限，相比于为提供多样化需求高服务质量的传统网络有一些独有的特点，正是由于这些特点使得 WSN 拥有很大的优势，但同时也产生了许多新的问题。无线传感网的主要特点有：
（1）节点数量大、密度高。由于无线传感网节点体积小巧，一定程度上制约了节点的传感和通信半径，一般为十几米到几十米不等，所以为了确保网络的质量需要在监测区域内布设大量的传感器节点，使得通信范围可以完全覆盖所测区域。
（2）无中心和自组织。无线传感网的构建和展开不依赖于交换机或路由器这类特定的网络设备，开机后节点即可按照预设策略迅速地、自发地形成一个独立自主的网络，网络中的节点有序的工作，任意单一节点的失效不会影响网络的正常运行。
（3）动态拓扑。由于 WSN 中传感器节点大部分时间处于休眠状态以及传感器节点随时可能由于电池耗尽或者人为破坏等原因发生故障而失效，或者为了提高网络的质量加入一些新的传感器节点，这些特性都会使得 WSN 的拓扑结构随时变化。网络具有动态拓扑的特点。
（4）以数据为中心。在 WSN 中，人们不会去关注具体某个节点采集到什么样的数据，而只会关注监测区域中某个特定指标的值。以数据为中心的特点就要求 WSN 能够摆脱传统网络寻址的过程，快速灵活有效的组织起各个节点，按照一定的策略进行数据汇聚、融合等工作，提取出对用户有用的信息并发送给用户。
（5）面向应用的网络。无线传感网的选择会依据应用的不同，在网络拓扑结构，路由协议，数据汇聚方式上做出不一样的设置。因而，面向对象性是该网络不同于其它网络的一个重要特性。一般典型的 WSN 系统架构通常包括传感器节点、汇聚节点和用户终端三个部分,如图 1.1所示。通过人工埋置或者随机播撒等方式将大量传感器节点布设在需要监控的范围内，以无线方式自组织形成通信网络，通过多跳中继方式将感知采集到的监测数据传到汇聚节点。汇聚节点对整个区域的数据进行融合压缩后经过 Internet、串口、USB 等多种途径传输到远程管理中心进行集中处理。
目前无线传感网的研究发展速度非常的迅猛，集中体现在协议研究、网络管理、网络支撑和应用开发四个方面：在协议研究方面，科研人员基于现有的 MAC 协议和路由协议有针对性的改善部分协议以及开发新型的协议。在网络管理方面，数据管理以及节能一直是该领域中研究的热点，随着信息安全概念的兴起，人们对于网络安全的需求呈直线上升之势，网络安全的规划已成为研究人员新的课题；在网络支撑方面，节点的定位问题、时间同步问题以及用户应用接口问题是有待解决的难题。在开发方面，Dust Networks 和 Crossbow Tech-nologies 等公司的智能尘埃、Berkeley Motes，Mica 等节点已走出实验室，进入应用测试阶段。中科院微系统所主导的团队积极开展基于 WSN 的电子围栏技术的边境防御系统的研发和试点，已取得了阶段性的成果。中科院软件所在地下停车场基于 WSN 技术实现了细粒度的智能车位管理系统，使得停车信息能够通过广播、大屏幕等方式迅速告知周边的车辆，为用户停车带来了极大的便利。

第二章 系统总体方案............................. 7
2.1 总体方案设计 ....................7
2.2 工作内容的制定与安排 ................................. 7
2.3 本章小结 ........................ 9
第三章 温度采集模块的实现 ............................ 10
3.1 传感器模块设计 ............................. 10
3.2 模块需求分析及选型 ............................11
3.3 传感器硬件方案设计 .................... 21
3.4 Pt100 硬件方案 .............................. 21
第四章 能量收集模块的实现 ............................. 35
4.1 总体方案设计 ............................ 35
4.2 需求分析及收集方案的比较与制定 ................................ 35
4.3 能量收集硬件方案设计 ...................................... 37
4.4 实验结果分析及改进 ............................... 39
第五章 组网方案的设计............................... 44
5.1 网络拓扑的设计 .......................... 44
5.2 数据汇聚方案的设计 ..................................... 45
5.3 路由协议的选取与改进 ....................................... 46

结论
基于无线传感网的高压设备测温系统的设计本文分四章进行展开，首先是温度传感器模块的设计，包括选型、软硬件方案以及最后的实现，根据接触式以及非接触式等不同需求构建了三类传感器模块；其次是自供电系统的设计，根据课题要求尝试了三种环境能量收集方案，并在实验室进行了实物测试，以太阳能效果最为明显；接着在节点组网方面根据应用需求制定了网络拓扑以及数据汇聚的方案，比较分析了 TinyOS 操作系统中几种主流的路由协议，通过实验以及仿真选择了汇聚树 CTP 为最后的路由协议。最后较为简单的功能性的设计了测温系统的人机界面，设计了温度显示和主动温度查询以及历史记录查询等功能。

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