王亮，刑达波

中国飞行试验研究院，陕西省 西安市 710089

基于无线传感器网络的温度采集系统研究

王亮，刑达波

中国飞行试验研究院，陕西省 西安市 710089

提出一种基于ZigBee技术的无线温度数据采集方案。对传统的飞行试验中的温度测量采集系统进行了分析，设计了无线温度数据采集及传输节点，通过交换机将温度数据按以太网协议传输到遥测系统或存储到网络记录器。对测试系统中关键的时间同步问题进行了阐述，提供了解决方案。系统满足飞行试验对机舱温度数据参数的要求。

无线传感器网络；温度采集；时间同步

引言

在民用客机的取证试飞中，需要对机舱内的环境温度进行取样评估，由于机舱内空间很大，采样点非常多，传统的温度采集系统采用有线形式，存在着线缆众多、灵活性差、成本高的问题，加大了飞机改装的难度，也消耗了适航取证的宝贵时间。

无线传感器网络是由部署在检测区域内的大量具有无线射频功能的传感器节点组成，通过无线网络通信技术将数据发送至网关节点的自组织网络系统。ZigBee协议是一种短距离无线通信技术，专门用于无线传感器网络，在智能控制、无线监控和环境监测等领域得到了广泛的应用[1～2]。允许随时接入大量节点的能力，使其应用的灵活性大大提高。采用ZigBee技术的无线传感器网络实现机舱温度数据采集和通信是一种切实可行的方案。

本文讨论了测温节点的硬件设计，实现了无线传感器网络温度数据采集节点和汇聚节点，在此基础上构建了温度采集系统，解决了时间同步问题，同时结合机载网络交换机和数据记录器，实现了温度参数的无线采集、传输和记录。

1.设计方案

本系统通过测温节点（RFD）对温度传感器进行采样，以ZigBee协议发送至汇聚节点（FFD），汇聚节点汇总温度数据，按以太网标准形式将数据通过以太网接口传输至交换机，最后到达遥测系统和记录器。主交换机通过GPS进行对时，成为全网络的主时钟，之后通过对时协议将全网络设备的时钟同步。总体设计框图如图1所示。

图1 无线温度采集系统组成

1.1 测温节点

测温节点的硬件主要由电源模块、ZigBee无线模块和传感器接口电路等模块组成。结构框图如图2所示。

图2 测温节点结构框图

电源管理模块负责给测温节点的各个模块供电，测温模块负责采集温度参数，经调理电路后送入处理芯片（CC2430），处理好的数据经无线收发器发送给汇聚节点，在发送和接收数据时，指示灯进行闪烁指示工作状态；JTAG接口用来进行本地调试。

测温模块采用Pt100温度传感器，零度电阻值为100Ω，电阻温度系数为0.3851 Ω/℃，是中低温区最常用的一种温度检测传感器。

1.2 汇聚节点

汇聚节点连接无线传感器网络与外部网络，实现协议之间的转换。同时，担负组网任务，协调时间同步和采集任务，把采集的数据转发到外部网络。本文设计了一种无线传感器网络与以太网总线的汇聚节点。

与采集节点不同，汇聚节点承担的任务繁重，所以采用MSP430和CC2420组成处理芯片和射频芯片的部分，接收采集数据和协调任务，网络部分采用DM9000以太网接口芯片，将单片机接受的数据进行以太网帧封装，发送。完成数据和外部网络的交换。结构框图如图3所示。

图3 汇聚节点的硬件框图

CC2420与处理器的连接非常方便。它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA 4个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令；系统的网络接口部分主要完成物理层和链路层的功能。MSP430作为主控芯片，采用ISA16bit模式与DMA9000进行连接，P9与P10同数据总线SD[0~15]相连，CMD与P8.1相连，高为数据控制，低为地址控制。INT,IOR,IOW,AEN,WAIT,RST与P8.2～P8.7相连，POW_RST悬空，用来初始化DM9000。

图4 PTP同步

2.时间同步问题及解决方案

时钟同步在测量和控制系统中是一个非常重要的因素。机载测试系统当中对时钟同步要求十分严格，现行的Intemet网络时间协议NTP(network time protoco1)、简单网络时间协议SNTP(simple network time protoco1)等只能达到毫秒级，不能达到所要求的同步精度，在这种情况下，IEEE Precision Time Protocol(PTP) 1588标准同步精度可达到微秒级，满足了高精度网络测量的时钟精确同步的需求。目前该标准已经在新一代飞行试验网络测试系统中得到了广泛的应用。

网络中最精确的时钟同步其它时钟。网络中有两种角色：主时钟（用来同步其它时钟）和从时钟（被同步）。所有的时钟都可以作为主或从角色。整个系统中最佳的时钟为最高级时钟，有着最好的稳定性、精确性。有最佳主时钟算法自动选择各子网内的主时钟，从时钟与主时钟保持同步[3～5]，PTP协议同步过程如图4所示。

PTP协议通过在网络中连续的发送一系列时间信息，检测主从时钟之间的偏移和网络中信息的传输延迟，进行时钟的偏差修正。主时钟以确定的时间间隔周期性的发送同步信息（Sync message）到从时钟。时间戳机制以最高精度记录精确的发送时间t1，并将其以第二条信息的形式，即Follow_up message，发送给从设备。从时钟测量并记录Sync message的精确接收时间。接收到Sync和相对应的Follow_up message后，从时钟计算相对于主时钟的偏移进行校正。现在，主从时钟之间的差就是Sync message在网络中传输的传输延迟。因此，需要另一个信息的交换来测量主从时钟之间的延迟。从时钟发送一个叫做延迟请求（Delay_Req）的数据包到主时钟。测量这条信息的精确发送和接收时间t3和t4。延迟响应（Delay_Resp）信息携带t4发送到从时钟，现在延迟和偏差就可以从4个时间戳t1,t2,t3和t4中计算出来：

延迟+偏差=△1=t2-t1

延迟-偏差= △2=t4-t3

延迟= (△1+△2)/2

偏差= (△1-△2)/2

另外，连续的同步测量可以补偿从时钟的频率漂移。为了不至于因频繁的同步导致数据传输受阻，将同步间隔设定为2秒。

3.试验结果

将上述方案设计的无线温度测试系统与传统机载测试系统进行比较试验，通过多次对比分析，无线温度采集系统达到传统系统的采集精度。表1是几个测温点的数据的对比。

表1 试验结果

从实际测量结果可以看出测量误差很小，在合理范围内，满足飞行试验测试要求。测量值与标准值之间的误差主要是由于传感器本身存在误差，网络传输过程不会引入误差。

4.结语

针对飞行试验中机舱温度测量的不足，基于无线传感器网络的温度采集系统，充分利用单片机的高集成度，体积小，功耗低，无布线需求，性能可靠等特点，克服了传统测量的不足，从实际测试数据可以看出，系统的精度达到要求，能够满足实际使用要求，有广泛的利用价值。

[1]戴善溪,张效民.基于ZigBee技术的数字式温湿度检测网络设计[J].国外电子测量技术,2010,29(2):47～49.

[2]李风保,李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报,2005,8(26):559～561.

[3]IEEE Standard.1588-2002,IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2002

[4]EIDSON J C.IEEE-1588 standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control[J].SystemsTest and Measurement Applications,2005(10):10～13

[5]张妍,孙鹤旭.IEEE-1588在实时工业以太网中的应用[J].微计算机信息,2005,21(9):19～21

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.076