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东北石油大学本科生毕业设计（外文翻译）1摘要本文提出了一种基于ZigBee的传感器网络的数据采集和监控系统，采用了商业上可行的ZigBee解决方案。ZigBee模块通过USB接口连接到PC机，在整个传感器网络中起到基站作用。数据通过远程设备采集后，通过无线方式发送到基站的PC机，基站起到数据接收器作用。每个远程设备由一个ZigBee模块产品和一个传感器组成，该传感器由一个热电偶和冷端补偿放大器相连构成。来自放大器的信号输入到ZigBee模块AD转换器的端口。温度数据按照ZigBee协议从远程装置传送到接收数据的PC机。数据采样率是每秒一次；最高的采样率是每秒4次。这些数据通过设备控制软件以十六进制记录，数据文件以文本格式存储在电脑中。按照时间变化的数据可以使用电子表格软件的宏功能监测。根据在大学实验室对试验使用的结果，本系统在教育领域有广泛的应用。关键词：传感器网络，ZigBee协议，温度监控，自动数据显示，热功当量东北石油大学本科生毕业设计（外文翻译）2第1章引言无线传感器网是以下几种应用中的关键技术，如家庭自动化，楼宇控制，节能，汽车监测。开发工具包是由ZigBee模块供应商提供的，如房间的照明和空气调节系统的应用控制器，其中有一个温度传感器，光学传感器，按钮开关，蜂鸣器集成在一个电路板。ZigBee传感器网络适合的潜在许多其他应用。ZigBee模块提供几种类型的接口，他们功耗低，通常是小的模块。该控制该模块的软件与产品捆绑或通过互联网免费下载。在这个系统中，远端传感器的数据发送到基站的计算机，在一个相对较低的成本下完成配置。本文介绍了一种数据采集和监测ZigBee传感器网络。在教育领域被认为是一次新的传感器网络应用。第2章ZigBee的传感器网络无线传感器网络主要功能有两方面：测量和通信。每个传感器装置在网络拓扑结构作为通信节点。该网络由与其他设备通信的传感器组成。由于设备采用无线通讯，因此，不需要网络基础设施。一个设备通过部署在无线通信范围内的相邻设备加入网络。ZigBee是一个标准的名称，指的是的小范围，低通信速率无线个人区域网的应用层。一个近距离，小规模的网络用ZigBee模块很容易配置。另一方面，由于一个ZigBee的网络可管理多达65000个设备，因此可以配置一个大型网络。IEEE802.15.4指定无线个人局域网物理层和媒介访问控制层。物理层是网络通信的硬件。媒介访问控制层对应于开放系统互联（OSI）参考模型的数据链路层。它指定了两个相邻设备之间的数据传输和接收方法。一个设备与周边装置通过无线进行通信。射频灵敏度可以根据设备所处环境变化。设备间通信通过选择互连设备维持，通信线路随着每次数据发送和接收变化。该网络是一个典型的星形，网状或树形拓扑结构。依据所支持的功能，设备分为两种类型。半功能设备发射和接收数据信号，全功能设备（FFD）除了发射和接收还互连数据信号。设备通过无线通信链路传输数据到电脑。PC机起到控制和管理网络的基站作用。如果远程设备处于PC机射频范围外，它的数据通过与其他设备互联传到PC机。远程设备可以通过与其他设备合作来与PC机通信。东北石油大学本科生毕业设计（外文翻译）3第3章温度监测系统ZigBee网络由Telegesis公司的ETRX2设备组成。ETRX2设备通过USB接口与PC机相连，作为基站。该ETRX2设备设置为一个数据接收器，因此远程设备的数据由基站的PC机收集。以下是该ETRX2设备作为ZigBee模块的基本特点：发射频率：2.4GHz频段；数据传输率：250千比特/秒；通道数：16（802.15.4频道11至26）；I/O端口：12个通用I/O端口和2个模拟输入端口；典型距离：100〜300米。图1显示了一个带有ETRX2设备的温度测量远程设备。热电偶与冷端补偿放大器连接。来自放大器的信号输入到ETRX2设备的AD转换器端口。由于此模块作为全功能设备，它发送来自其他测量设备的温度数据和互连讯号。一个J型热电偶作为温度传感器。放大器输出灵敏度是10毫伏对应1摄氏度。温度数据按照ZigBee协议从远端ETRX2设备传送到数据接收PC机。数据采样率是每秒1次。它可以提高到每秒4次采样。数据通过Telegesis终端软件以十六进制格式记录，数据在数据接收PC机存储为文本文件。成功的从远程设备PC机的数据以逗号分隔文件记录。图2显示数据格式。每一行包含四个数据项。第一个项目，在“SDATA”旁，是ZigBee模块的ID号。第二个是12个数字输入/输出端口的状态，表示为4位十六进制数字。由于一位十六进制数对应4位二进制数，四个十六进制数字的3位就是数字输入输出端口的12位数据。第三个和第四个项目是模数转换的值，对应端口＃1和端口#2。这样，冷端补偿的输出电压加到端口＃1。十六进制数'00C1'是等于十进制数'193'。它表示模数转换器端口1的电压幅值为193毫伏。温度计算为19.3摄氏度，系数为0.1摄氏度/毫伏。由于数据采样率是1次/秒，时间相关数据的图形变化在PC屏幕上显示，通过使用电子表格软件的宏功能。一个半实时的数据的变化显示出来。第4章实验测量用ZigBee测量系统做了一次测试实验。本实验的目的是确认ZigBee测量系统与当前过程实测数据一致。上述的温度测量设备插入到目前的实验器具中测量热功东北石油大学本科生毕业设计（外文翻译）4当量。图1温度测量装置该仪器在实验中使用的是水量热计带有一个电加热器元件和搅拌器，一个水银温度计，一个电源，一个电流表和一个电压表。图3展示了测量热工当量实验装置的结构图。所有操作是在福冈大学的科学课程实验室由学生亲自动手完成的。水热量计中的蒸馏水是通过电源加热的。作者：热功当量值通过电压和电流值以及加热前后温度变化量计算出来的。图2数据文件格式东北石油大学本科生毕业设计（外文翻译）5图4显示水热量计的组件。温度计，热电偶，加热器和搅拌器注入装有蒸馏水的铜容器。由加热器加热的水在铜容器内被搅动，以保持在容器中的水温均匀。水温由测ZigBee测量系统的热电偶测量，以及水银温度计人工测试的方法。容器中的水被不断的，充分搅拌很重要。仪器打开5分钟，以稳定水温。水被加热5分钟，给加热器提供电流。加热器电流后关闭后，该仪器冷却5分钟，以稳定水温。一个试验周期为15分钟。图3温度装置热功当量值J计算由以下公式计算：))((12wmcVItJ（1）其中I是加热器电流，V是加热端子间电压，t是水的加热时间，C是水的比热，m是蒸馏水质量，W是铜容器，搅拌器和温度计等量的水，θ2−θ1是水加热前后的温度差。三个测量操作是为三搅拌条件：1）持续15分钟搅，一次一秒；2）无搅拌15分钟，3）每5秒搅拌5次，持续15分钟。图5显示了水的温度随时间的变化的三种情况和2种温度测量方法。由ZigBee系统所测量的数据与由水银温度计测量的一致。该ZigBee的温度测量系统被认为适合温度监测。ZigBee系统由于热电偶热容量小响应更迅速。情况一，被认为是均匀测量容器中的水温，在加热期间水温在与时间成固定比率。加热后水温几乎保持不变。情况二，热量在水中以对流方式转移。在加热初期，水温的上升速度很慢。之后，温度快速增长，接着变慢。加热停止后，温度逐渐下降。情况三，是一个介于中间的情况。温度迅速变化发生在搅拌开始后。这不是东北石油大学本科生毕业设计（外文翻译）6水银温度计检测的。在每次搅拌后，水温测量值升高接着迅速下降。后来，几乎不变。结果值，温度θ1和θ2，热功当量J列于表1。其中J值的计算为θ1和θ2，分别是0s到300s和600s到900秒之间温度的平均值。表1中情况1的J值，4.19J/卡路里，与热功当量的定义值4.18605J/卡吻合。温度数据和情况1，2和3的热功当量的计算值，其中V=2.50V，I=1.50J，T=600秒，ç=1.00卡/克，M=150克，w=8.80克。表1实验室通常班级包含科学和技术专业的大一和大二年级课程。对于部分学生进行实验操作时困难的，因为他们在高中教育课程缺乏经验。成立一个支持学生的系统是必要的，帮助他们进行合适的实验和获得正确的结果。教学人员（指导教师）与学生在实验室讨论实验结果是非常有意义的。如果导师同时有4个或5个实验项目，他们很少检查所有学生的实验过程。四组的两名学生每人都有进行一个实验题目，课程期间（180分钟）有16至20个项目开放。一名指导教师要负责32至40名学生的实验操作。教师对正在进行实验的数据检查是值得的。在ZigBee的数据采集系统适用于监测学生的实验过程。鉴于在现有的实验室设施和空间的限制以及实验设备布局变化频繁，基于ZigBee的数据采集系统，适用于此情况。无线网络配置和小型设备对于实验室数据监测系统是非常可取的。在实验期间学生不正确的操作可以被导师及时发现，通过回放监测系统报告的实验数据。该系统有助于教师帮助学生及指导学生取得正确结果。这被认为是传感器网络在教育领域独特的应用。总结基于传感器设备和ZigBee的传感器网络模块的温度测量系统，被应用到大学实验课程的自动测量。该系统适用于在物理实验室研究热功当量的概念。无线网络和小模块是使系统适合现有的实验室设施的关键部分。