基于6LOWPAN的起重机能耗监测无线传感网络研制.docx
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基于6LOWPAN的起重机能耗监测无线传感网络研制
第一章绪论
1.1无线传感器网络
无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetwork）是随着微电子技术和计算机技术而逐步发展起来的一项新兴技术。
它是由部署在需求区域内的很多微小型传感器节点组成，所有节点通过无线自组织的方式形成一个多跳动态网络。
它的主要用途是用来感知某种环境参数或者物理量，发送给数据分析者。
这种网络一般是由许多采集节点完成数据采集，一个或者几个汇聚节点（sink）完成数据的汇总并传输。
与传统的传感器网络相比，网络规模更大、节点分布更加密集、网络自组织性更强。
目前已经广泛应用在环境监测、气象预报、医疗、工业生产、智能楼宇、智能交通、和智能家居等领域[1]。
无线传感器网络通信协议的体系结构类似于TCP/IP协议，主要分为：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、和应用层[2]。
从物理层来看，目前物理层的研究重点在于通信传输媒介的选择、无线收发器的改进、无线传输频段的选择和信号调制方式等方面。
物理层主要解决的核心问题是无线传输的能量节省。
目前WSN主要使用的传输媒介包括无线电、光波、红外线等。
WSN的物理层研究还比较薄弱[3]，像低能耗WSN的带宽调制器设计和超带宽、低能耗无线收发器的设计这一类问题还需要进一步研究解决。
数据链路层的研究重点是MAC协议的设计上，在低能耗的前提下，设计出具有公平有效的多跳自组织通信链路是非常重要的。
目前，已经有多种类型的MAC协议：
基于随机竞争、基于TDMA、基于周期性消息调度、基于数据采集术等。
虽然在MAC层协议的设计上已经取得一些进展，但MAC层面已还有很多待解决的问题。
如WSN自组织的能量下界、错误控制编码方式。
而网络层的研究重点在网络层路由协议设计上，目前网络路由协议可分为五大类。
基于聚簇的路由协议，根据既定的规则把传感器网络节点归属为不同的簇，每个簇由簇头负责全局路由。
基于地理位置的路由协议[4],这类协议是在假定每个节点都知道其他节点的地理位置的前提下完成的。
以数据为为中心的路由协议，通过Sink节点洪泛地广播选取消息，逐跳地在每个节点上建立反向传输路径。
能量感知路由协议[5]，协议中的源节点和目的节点之间会建立多条以节点剩余能量作为选择概率的传输路径。
如果源节点向目的节点发送数据，则根据选择概率来选择一条概率高的传输路径。
另外，还有一些其他机制的路由协议。
网络层路由协议也有很多需要解决的问题，如良好支持拓扑容易改变的路由、节能与服务质量平衡的路由，安全的路由协议等[3]。
随着人们对远距离控制需求的增加和无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络和IP网络的融合已经成为一种必然趋势。
而传感感器节点的数量庞大，将其接入互联网的需要消耗大量的IP地址。
目前普遍使用的IPv4地址几将耗尽，IPv4协议显然已不能满足实际的需求。
为了缓解IP地址的短缺问题，NAT地址转换、子网划分、和合并超网等技术应用而生。
但这些缓解都是暂时的，并不能从根本上解决地址短缺问题。
而IPV6能够提供充足的地址空间资源，能够满足各方面网络管理需求。
它还具有地址自动配置和节点移动管理机制，能够保证无线传感器节点实现永久在线[6]。
无线传感器节点加入IP网已经成为无线传感器网络发展的必然趋势。
6LoWPAN技术使无线传感器网络的节点成为互联网的成员成为可能。
它对IPv6协议栈功能进行了精简，删除了一些不常用非必要的功能模块，保留和修改了常用的重要模块。
实现了基于802.15.4的无线传感器网络和IPv6网络的无缝连接。
物联网技术的发展，将进一步推动IPv6的部署与应用。
IETF6LoWPAN技术具有无线低功耗、自组织网络的特点，是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术。
ZigBee新一代智能电网标准中SEP2.0已经采用6LoWPAN技术，随着美国智能电网的推进，6LoWPAN将全面替代目前使用较广泛的ZigBee标准，而成为事实标准。
6LoWPAN协议已经在许多开源软件上实现，其中最著名的是Contiki、TinyOS。
他们都实现了6LoWPAN的完整协议栈，并得到广泛测试和应用。
物联网和互联网构成的全IP网络如图1.1所示。
1.2起重机能耗监测的发展现状
我国起重机行业，对起重机械节能工作重视不够，虽然过去也进行了几次节能努力，如20世纪70年代的起重机械贯标，80年代的“减肥”计划等等[7]。
但仅是从结构设计一个方面进行了一些简单改进，并且在结构设计时，极少使用现代设计理论和方法。
因此，节能技术应用缓慢。
在我国能源消耗形势严峻的情况下，《中华人民共和国节约能源法》和国务院2009年公布的《特种设备安全监察条例》都鼓励起重机械企业对节能技术的研究、开发、示范和推广，促进其节能技术的创新和应用。
特种设备安全监督管理部门和检验检测机构要建立和考核起重机械的能效指标[8]。
2010年，国家质检总局发起了“起重机械能耗测试方法标准研究”的公益性研究课题，着力规范起重机的能耗测试与控制，施行低碳生产。
进入21世纪后，国内起重机械行业开始采用变频调速技术。
但直至目前，新出厂的起重机械中使用变频调速技术的起重机械占起重机械总量的比例不到5%。
目前针对起重机节能研究的主要技术为：
（1）发动机速度调节技术。
根据RTG不同工况对功率需求的不同，改变柴油机的转速，调整输出功率，实现精确的动态功率管理，从而实现节省油耗降低成本，提高整机能源利用率。
（2）再生回馈能量储存技术。
将起升机构下降过程、大车和小车机构减速过程中产生的能量进行再利用，不仅可以节能，而且可以弥补起升机构吊重载上升过程及各机构突然加速时的突加功率需求，从而使发动机可以基本工作在非过载状态，容易熄火的现象将基本不存在，这将有效地提高发动机的使用寿命并达到良好的环保效果。
解决这个问题的关键是要有一套储能和回馈装置，能够快速吸收再生能量，并在系统需要时能立即释放出来。
目前，实用的工程技术是以超级电容和飞轮储能系统为代表的能量存储与回馈方式。
近几年，湖南农业大学信息科学技术学院对起重机能耗监测系统有过一定的研究。
给出了一种动态实时跟踪起重机能耗与排放参数的方法,该方法主要利用GPS/GPRS/GIS以无线传感网络（WSN）耦合,实现即时测试起重机的能耗与排放参数,旨在跟踪起重机在不同作业环境下的能耗与排放规律,为优化与改进产品性能提供科学数据[9]。
上海市质量监督局对起重机在启动过程和制动过程中能量损耗，进行了有线的测试与分析[10]。
发达国家起重机上已广泛使用变频调速技术，如德国Demag公司、ABB公司、日本富士公司、奥地利伊林公司、芬兰Kone公司等。
另外，它们对起重机械零部件、金属结构的优化研究已取得了显著的成果，应当承认，目前发达国家的起重机械设计理念先进，起重机械的机构和结构轻巧、电动机功率小，能耗明显低于我国。
综上所述，目前，我国起重机械节能技术研究和应用与发达国家差距较大，另外，虽然国外在起重机节能方面做了大量的工作，取得了可喜的成果。
但是只是涉及起重机某些方面，但是缺乏整体性考虑。
1.3课题的选题意义
起重机作为特种机械设备的一种，是国民经济建设的基础，在现代社会的生产制造过程中起到了不可替代的作用。
其帮助人类征服与改造自然，实现了过去无法实现的大型物体的吊装与位移，却难以避免成为现代社会中的能耗大户。
由于之前我国对于起重机的节能与经济性重视不够，导致我国的起重机结构体积庞大，工作能效较低。
再加之部分单位监管不严、和检测方法不当，导致起重机事故频发，起重机的安全状态直接关系着人民群众的财产安全[11]。
目前，国内对起重机有线监控系统的研究已比较成熟。
但受有线传输方式的影响，致使大多数能耗监测系统都是针对起重机整体电能消耗的。
在起重机工作运行状态下，难以对起重机的各方面机构进行多角度动态信息采集，从而无法了解起重机工作中各个部件的能效状态。
通过对起重机能耗现状的采集与研究，可以为起重机使用单位节能工作的开展提供依据，为起重机的设计、制造、和改造提供数据支撑。
然而，随着无线传感器网络技术的发展，为解决起重机实时能耗监测提供了解决方案。
因此，利用无线传感网络设计一套起重机能耗监测系统，对于未来起重机能耗和安全状况的监控愈发重要。
1.4本文主要研究内容
本文依托江苏省质量技术监督局科技项目“起重机能效感知系统设计”，为建立一个基于无线无线传感器网络的起重机能耗监测系统展开的一系列研究。
本文的主要研究内容包括三大部分，即系统模型的建立、软件部分、硬件部分。
通过分析起重机结构中能耗较大的结构单元，确定所需传感器的种类和数据采集点。
根据起重机监测的应用需求建立了系统模型和设计了系统的整体架构。
考虑到无线传感器网络的发展趋势和实际应用需求，确定了以6LoWPAN技术为基础的无线传感器数据采集系统。
从硬件上来看，本文主要对汇聚节点和采集节点的无线芯片进行了选型，确立了以内部集成了射频模块的CC2530为处理器的方案。
针对系统的应用环境，设计了一款具有抗干扰性强的电源电路，保证CC2530和各外围模块能够工作在稳定的电源条件下。
然后针对必须要使用到的传感器，做出了两种具有典型通信接口的传感器的选型。
分析了SPI接口的传感器和A/D接口的传感器与CC2530的通信机制。
由于中心汇聚节点需要承担起6LoWPAN网络和PC机之间的通信，为中心汇聚接点设计了USB外围通信模块。
从软件上来看，本文首先分析了Contiki操作系统的优秀性能、对其内部软件结构进行了深入研究。
然后研究了Contiki操作系统在集成开发环境IAR上的移植方法，和针对本系统的功能需求进行系统模块的裁剪。
编写和设计了无线通信模块以及两款传感器接口的驱动程序。
在传感器网络设计上，首先分析研究了802.15.4和6LoWPAN适配层的一些关键技术，分析了Contiki源码配置和体系结构内各层的数据通信流程。
然后在网络层面上分析RPL路由协议原理，并将其运用到起重机能耗监测的网络系统内。
最后，为了提高系统的存储能力和数据完备性，对节点应用层软件进行设计。
搭建数据采集的硬件平台，对相应的功能模块进行了仿真测试，并分析测试结果。
1.4本文的结构安排
第二章系统网络节点的硬件设计
2.1系统需求分析
起重机能耗监测系统建立的目的是为了获得起重机的工作时的运动参数与电性参数，监控系统的的正常运行，通过分析数据得到洗的能源消耗情况与健康状态。
对系统的需求分析如下：
（1）数据采集是整个系统的工作重点，数据的精度与准确性是整个系统可靠性保障的第一关键。
根据所测机型选择合适量程的电流/电压传感器，高精度的加速度传感器等其他类型传感器是很重要的。
另外，考虑到系统安装的便捷，还必须选择尺寸体积合适、功耗较低的传感器。
（2）采集节点所采集的数据是通过无线网络汇聚到某一中心节点。
工作环境电磁干扰等不利因素的影响，无线信号的衰减不得不考虑。
解决这个问题需要增加无线模块的功耗，所必须选择一个能耗较低、集成度高、效率好的无线芯片和通信方式，设计抗干扰性强的电源模块。
（3）在多跳网络中，常常会由于能量损耗、外接破坏、物体移动等因素使网络拓扑发生改变[1-2]。
由于起重机局部部件是移动的，为了保证网络节点不丢失和稳定工作工作，选择一个合理的网络拓扑和有效路由协议是必要的。
（4）为了使用简易化、大众化。
节点需要具有自动配置、自动组网功能。
节
2.2起重机能耗监测系统总体设计
起重机能耗感知节点分布地布设在起重机的各个机构上，系统其需要采集的数据包括：
依靠电压、电流传感器对起升机构以及大车、小车机构的输入电能特征的瞬时值进行采样；采用有功功率变送器对各机构的有功功率的瞬时值进行采样，其中功率因数由有功功率和视在功率的比值得出；利用压力传感器对起升机构的载荷进行测量；采用转速传感器对三个机构所用电机的瞬时转速进行测量采样；采用位移传感器对三个机构的运行距离进行实时测量采样。
经过以上需求分析，本设计决定采用工作在全球开放的2.4GISM频段，16个信道可以根据特定应用自由配置，传输速率为250kbps。
起重机能耗感知系统采用基于IEEE802.15.4的数据链路层无线传输协议。
采用6LoWPAN无线组网技术，传感器将采集到的数据通过无线方式传给中心汇聚节点，考虑到系统对数据丢包率的要求并不太高，决定使用UDP协议作为应用层传输协议。
采用专为低功耗有损网络设计的RPL路由协议来解决网络移动问题。
中心汇聚节点将收到的数据处理后，通过USB接口将数据交给PC，PC最终再通过ipv6网络将数据上传至异地台监控中心。
能耗监控网络示意图如图1所示。
无线通信方面详细的技术指标如下：
a）调制方式：
QPSK四相相移键控
b）频率稳定度：
±5ppm
c）发射输出功率：
3.5dbm
d）接收灵敏度：
小于-110dbm
e）无线网络丢包率应该控制在5%以内
f）数据在采集与传输的过程中产生的误差率控制在5%左右
图1能效感知系统的结构示意图
2.3采集节点硬件设计
数据采集节点的主要功能是利用传感器来采集外部物理数据，然后通过无线自组网的方式，将采集到的数据向上层发送。
需要选用数字/模拟接口丰富，兼具无线通信功能的单片机。
数据采集节点的设计一般需要满足以下要求：
（1）低能耗。
因为采集节点可能会安装在环境比较苛刻，操作人员不易随时进入的地方。
一次装备的电池，必须要能够满足节点长时间独立工作的需要，采集节点必须达到低能耗的要求。
节点功率花销较大的是无线射频通信功能，必需设法减少无线通信接入时间，依然周期性工作机制。
（2）灵活性。
在不同的用环境和应用场合，对节点的采样频率、功耗需求，、和数据处理能力的需求各不相同。
节点的系统设计要采用模块和设计方法，使节点能够用于不同的需求场合，具有良好的可扩展性。
在本文中也着重介绍了几款具有典型接口的、必须用到的一些代表性传感器。
（3）通信能力。
通信能耗、通信速率、以及通信范围是无线传感网络节点的三个重要指标。
这三者是相互关联，相互影响的。
提高通信速率，就会缩短通信时间，减少通信设备的工作时间，但是节点的射频功能的能耗会随着速率提高而提高。
另一方面，通信范围也直接影响节点的通信能耗，如果通信范围越小，则需要的节点会更多，成本和能耗都会增加。
反之，如果如果通信范围设置的越大，所需的信号强度也就增加，所以节点的发射功率也要随之设置的越大。
节点的能耗也会随着发射功率的增加而增加。
合理地选择通信速率和通信范围可以直接降低节点的能耗和延长电池寿命。
2.3.1CC2530介绍以及节点整体框图
考虑到设计指标的满足，本次设计采用CC2530无线射频芯片以实现对无线射频数据的收发。
该芯片体积小，内置了符合2.4GIEEE802.15.4标准的射频收发器，支持数据传输速率高达250kbit/s，最快可以在600微秒下实现一帧链路层数据发送。
此芯片可以实现多点之间相互组网。
内置32K晶振的休眠模式定时器，满足无线传感网络的节点低功耗的要求。
CC2530还内置了128K的flash存储器，可以实现对大量数据的断电保存。
该芯片内部具有8K的RAM，满足大部分工程软件的在线数据空间开辟。
内置13位精度的A/D转换模块，可以实现对模拟数据的高精度采样。
CC2530还提供了丰富的数模接口，对于目前广泛采用的SPI,RS232/485等数字通信接口基本都能实现直接通信，对于IIC和单总线接口，可以通用IO口模拟实现。
所以，CC2530在能够实现无线数据通信的同时，还能够实现对目前主流传感器的数据采集。
节点硬件结构示意图如图1所示。
经过实地测试，能够满足起重机使用场合的复杂通信环境的要求。
其丰富的接口资源能满足对各种传感器数据的采集需求。
图1节点硬件结构示意图
2.3.2电源以及抗干扰性设计
由于CC2530和整个系统的大部分器件的工作电压都是3.3V,而且鉴于起重机所处的恶劣的工作环境，能耗监测系统会受高温、电磁干扰等影响。
考虑到低功耗和引脚匹配等特点，通过查询，决定采用TI的TPS63031作为3.3V输出的电压转换芯片,TPS63031的工作电压范围为2.4~5.5V，静态工作电流低于50μA，转换效率可高达96%，降压模式下的驱动电流达到了800mA，另外该芯片的物理封装很小，装置化方便。
在芯片的输出端和输入端都放置了滤波电容。
CC2530这一类微信处理器易受到电源波纹的影响，所以在3.3V的输出后面增加了一个低压差线性稳压器（LDO）[4]，用来滤除DC-DC模块输出的比较大的电源波纹，提高输出电压的稳定性。
电源原理图如图3所示。
图3电源模块原理图
在开关电源的实际应用中，在峰值电流、开关频率都很高的情况下，芯片的Layout是设计中重要的一步[30]。
考虑到稳定性、EMI等问题，在PCB走线中，尽可能地使主电流回路及电源地回路用宽、短的走线，输入、输出电容尽可能地与电源芯片管脚放置接近，以达到好的旁路、去耦效果。
此外为了降低地噪声间的干扰，将芯片的电源地与控制地区分开，并选择靠近芯片引脚的地一端共接。
感知节点很大一部分时间是处于休眠状态，对部分不需要一直供电的单元，采用I/O管脚控制电源芯片的使能端，达到了低功耗设计。
2.3.3加速度传感器（SPI）
（1）ADXL345传感器原件介绍
ADXL345是一款数字式三轴加速度传感器，其最大量可以达到±16g，测量分辨率高达13位。
数字输出的数据是以16位二进制补码的形式提供，它的分辨率是4mg/LSB，能够分辨0.25度的倾角变化。
可以通过SPI（4线或三线）或者IIC数字接口访问。
ADXL345可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从云端或者震动中生成动态加速度《数字式加速度传感器ADXL345的原理及应用》。
动态和静态感测功能用来检测物体有无运动发生，以及三轴方向上的加速度是否超过用户设置的阈值。
敲击感测功可以检测单击还是双击运动。
自由落体感测功能可以检测物体是否处于自由落体状态。
这些功能的检测都影射到了外部中断引脚上。
ADXL345内部集成了一个32级的FIFO，最多可储存32个X、Y和Z轴的数据集。
其主要性能指标如下：
·超低功耗，测量模式电流为40μA，2.5V供电等待模式下电流仅为0.1μA；
·量程可选择±2g、±4g、±8g、±16g。
精度达到了4mg/LSB；
·供电范围为2.0V-3.6V.
·带宽达到1.6KHz；
·使用温度范围为-40℃-85℃；
（2）ADXL345传感器与CC2530的通信
根据ADXL345的用户手册可知，在使用IIC作为通信方式时买最大的输出输出速率为800Hz，而SPI接口可以满足高达5MHz的通信速率，SPI具有更大的使用空间，所以ADXL345传感器与CC2530的通信方式采用SPI串行口。
ADXL345工作时作为从器件，其SCLK由CC2530提供，所以在CC2530的SPI初始化时，将其配置为SPI主模式，为了提高通信速率，将CC2530时钟频率配置为2MHz。
由于无器件传输时ADXL345的SCLK为高电平状态，SCLK下降沿时数据更新，SCLK上升沿时进行采样，所以必须将CC2530的SPI口的CPHA（时钟相位）配置为1，CPOL（时钟极性）也配置为1这样与从器件ADXL345的SPI接口配置保持一致。
从而保证了CC2530和从器件的正常通信。
硬件连接方式如图所示。
数据采集流程如图所示。
图3ADXL345接口
上图的VDDI/O以及VS管脚都接3.6V的电压，8、9编号的管脚分别接CC2530的P2.0、P2.1，管脚配置为外部中断模式。
7、12、13、14四个标号的管脚作为SPI四线通信接口。
需要搭配的外围电路很简单，只需在两个电源上分别接上一个0.1μF的滤波电容。
2.3.4电压/电流传感器（AD）
霍尔电压传感器应用霍尔闭环原理，使输出信号与被测量电压成比例关系。
HV-C54霍尔电压传感器的电压测量范围为2-2500V，输出为0-50mA的电流。
供电电压为12-15V之间。
HTIC-C21-100P101 真有效值电流变送器是一种利用霍尔效应、开环测量原理经过TRMS计算后，将被测电流转换成与原边电流成比例输出的直流电流或电压的测量模块，原副边之间高度绝缘。
具有高精确度、高线性度、高集成度、体积小结构简单、长期工作稳定且适应各种工作环境的特点。
广泛地应用在电力、石油、煤矿、化工、铁路、通信、楼宇自控等行业的电气设备的系统控制及检测。
其额定测量最大值为100A，额定输出范围为DC 4-20mA，供电电源为DC24V。
以上两款传感器都以电流的形式作为输出，体积小、测量范围很大，可以满足常见起重机电流/电压的测量范围。
而在具体测量时，还要根据所测量的起重机吨位和能耗来选择量程合适的传感器。
CC2530的A/D转换模块的功能是将模拟电压转化成数字信号，且所测量电压的范围有限，所以需要将霍尔传感器输出的电流信号通过电阻分压的形式转化为A/D模块可测量的电压值。
2.3中心汇聚节点硬件设计
系统中的中心汇聚节点负责6LoWPAN网络和IP网络数据包格式的转换工作，采集节点的数据最终汇聚到中心节点，然后交付到PC机乃至整个IP网。
中心汇聚节点与PC机通过USB串口连接进行通信。
在硬件设计上，中心汇聚节点和数据采集节点采用的核心板是一样的，主板芯片都是CC2530。
由于网关节点不负责数据采集任务，所以自身不带有传感器件。
它仅仅是把接收到的6LoWPAN网络的数据包通过USB接口与PC通信，所以在网关节点的硬件设计上需要加入USB控制器单元。
之所以选择USB接口，主要是因为RS-232通信接口已经逐渐被电脑所淘汰。
USB是一种新的PC机互联协议，满足即插即用、可以同时连接27个设备，满足更加高效、便捷的通信需求。
如图所示串口转换电路采用的核心芯片是PL-2303HX，该芯片用途非常广泛，目前大部分手机的USB数据线都是采用了PL-2303HX+ADM213的这种结构[7]。
它可以在Modem、手机、PDA、数码相机等设备与计算机的通信上实现相当好的应用。
PL-2303HX采用的通信方式是全双工异步串行通信，它支持大部分RS232接口实现，具有良好的兼容性。
PL-2303HX价格便宜、体积很小、功耗很低。
即便是在工作模式下，电流依然很小。
它内置了USB收发器和一个12MHz的晶振，还内置了512字节的双向缓冲器，256字节的分别用于发送和接收的两个缓冲器。
工作电压范围为3.3V-5V。
其波特率范围从75bps到6Mbps。
在本系统的中心汇聚节点上，USB转串口的处理器就是选用了PL-2303HX这款芯片。
第三章Contiki操作系统分析与移植
3.1Contiki操作系统的分析
本论文将依托Contiki操作系统提供的6LowPAN协议栈来实现基本通信。
Contiki是一个开源的、移植性极强的、专为无线传感网络设计的多任务开源操作系统。
它拥有一个基于事件驱动的内核，支持protothread进程机制，所以相当实用于资源受限的传感器节点。
Contiki的精简配置只需要几KB的ROM和几百字节的RAM就能提供多任务环境。
uIP小于5KB，uIPv6大约只有11KB。
Contiki提供了丰富的功能模块，用户可以根据需要自行裁剪源码。
内核通过消息机制实现任务间的通信，提供shell模块可以实现动态的进程任务管理。
目前，contiki已经实现并提供了Rime协议栈、IPv4/IPv6协议栈、6LoPAN协议栈、coffee文件系统、shell脚本等。
Contiki系统框架如图所所示。
本节通过对其内核分析，为今后的使用和下一节的移植工作做好理论准备。
Contiki系统框架图
3.1.1Protothread进程控制原理
Protothread是用C语言编写的轻量级线程库，所以可移植性行强。
由于其采用了无栈结构，故对内存要求极小。
是一种技巧性、适应性很强的操作系统。
Proto
升级会员 