9512.net
甜梦文库
当前位置:首页 >> >>

无线智能自主移动传感器网络节点的设计与实现



计算机科学2008V01.35NQ.11A

无线智能自主移动传感器网络节点的设计与实现
李稳1赵龙z李超2 (江南大学机械工程学院1
通信与控制工程学院2 无锡214122)

摘要设计了一种新型的智能巡检小车作为无线传感器网络节点.小车具有自动避障和路径寻优功能,其配备的 温湿度传感器,使其具有检测环境温度与湿度的功

能。同时,自主开发了上位机系统,小车将监测数据传回到上位机 中,以备分析和查阏。小车作为传感器节点可以与上位机系统共同组成传感器网络,实现对环境目标的实时检瓤。 关键词智能小车,温度,湿度,传感器节点

Design and Implementation of

all

Intelligent Autonomous

Mobile Wireless

Sensor Network Nodes

(Sdx】ol of Mechanical

B19j玳州,School

LI
0f

Wenl

ZHAO

Lon92

Communication and Control

Blgi珊耐,Jiangr蛐University,Wmd
sensor

LI Cha02

214122,China)

Abstract

A new intelligent autonomous mobile

csr as

the wireless

network node has been designed.The
call

oar

has the functions of obstacle avoidance and path optimization.With the temperature and humidity sensor。it
teCt

de-

the

temperature and humidity of the environment.Furthermore,a simulating and monitoring system
to

on

PC is de-
to

veloped.The temperature and humidity data could be transmitted
the

PC,and stored

for analysing and

referring

in
to

future.As

a sensor

node,the
at


car can

compose the

sensor

network with the simulating and monitoring system

monitor the Keywords

environment

real time,

Intelligent cal-,Temperature,Humidity,Sensor nodes

移动传感器网络在数据的采集质量、鲁棒性和 多功能性方面具有许多潜在的优势。在军用和民用

模糊PID控制器根据光电轨迹检测电路的输 出,控制小车沿预先设定的轨迹自动巡逻。在移动 过程中红外模块探测到障碍物信息,提供给模糊 PID控制器,作为其激励信号,使小车能够躲开障碍 物。上位机监控系统以无线通信方式与单片机交换 数据。

方面,可以进行战场监督、搜索和防御、危险环境下
的工作、环境监控[1】、目标跟踪和遥感,因此越来越 受到人们的关注[2]。

无线传感器网络的体系结构[31包括分布式传感
器节点、接收和发送器、互联网以及用户接口界面

等,其中传感器节点是基本和核心单元,负责传感和 信息预处理,响应监控主机指令和发送数据[4’5]。
本文设计了一种智能巡检小车作为无线智能自主移 动传感器网络节点,小车与上位机监控系统可以共 同组成一个传感器网络,实现对目标环境的检测。 小车具有如下几个功能:以无线方式与上位机通信、 温度湿度检测、避障、路径寻优。
图1系统框图

1智能巡检小车设计
1.1

I.2模糊Pm控制器设计
模糊PID控制器系统框架如图2所示,其设计 思路为:先由逻辑控制部分根据搜集到的障碍物信 息、上位机命令、轨迹采样信号,通过模糊推理,使其 简化为对左右车轮转速的独立控制。再由电机驱动 部分对车轮转速采用增量式PID/模糊PID控制。

智能巡检小车的组成 智能巡检小车由模糊PID控制器、光电轨迹检

测器、红外模块、温湿度检测模块等组成,其系统框
图如图1所示。

李稳高工,主要从事无线传感器网络、机械设计的研究;赵龙主要从事无线传感器网络控制与建模的研究;李超主要从事传感器 网络方面的研究。 ?44?

一个模块驱动一个电机,为了能实现多个电机的连
锁,提供一个跟踪通道,捕获需要跟踪的电机(轮子) 的转速,自动调整自己的速度,以实现准确的直线行 走,或其它类似的目的。
1.2.3

电机驱动模块软件设计

根据前面的硬件设计,电机驱动模块可以独立 成为一个智能的功率驱动器使用,在硬件的设计中 考虑了可以支持多种控制信号。但在目前的项目 中,拟使用串口控制方式,以下的软件设计是基于这 个前提的。 软件要实现的功能: 1.接收并解析控制命令;
图2模糊PIE)控制器框图

2.使电机有良好的驱动特性,可正、反转动,且

1.2.1模糊PID控制器硬件设计 电机驱动、逻辑控制部分均采用独立的单片机 实现,这样设计主要出于: 1.单片机已十分便宜,可以像普通IC那样使 用。



转动平稳、有力;
3.可靠地获取转速反馈信号; 4.根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达 到所需的转速; 5.利用码盘的反馈信号控制行走距离;

2.电机驱动部分通常会有较大的干扰,尤其是 驱动普通的直流有刷电机,电刷的火花干扰很强,单 独使用简单,但抗干扰能力强的单片机可使系统更 加可靠。 3.电机驱动部分独立做成一个模块后可以在其 它项目上使用,增加投入的附加值,例如作为R(、X 的大功率电机驱动器。 4.采用独立的逻辑控制便于构建复杂系统,易 于实现多模块协同工作。目前在控制上利用单独的 智能节点完成单一任务,采用通信方式将这些独立 节点组合实现复杂的功能是一个趋势。 5.采用独立的逻辑控制模块便于以后根据需要 替换单片机。
1.2.2

6.可以根据命令实现电机的特殊运行状态:刹
车、惰行。 根据要实现的功能,软件分为以下几个部分:

1.命令接收解析——完成命令接收,命令内
容解析;

2.电机PWM驱动——根据电机控制参数产
生驱动信号,使电机进入期望的运转状态;

3.速度反馈——读取码盘信号,计算出速度
数据,兼完成计数功能,实现行走距离控制;

4.控制策略——根据命令给出的数据和反馈
得到的数据计算出电机控制参数,实现速度控制。 1.3轨迹采样部分设计 该轨迹采样及逻辑控制部分应能满足以下需 求: 1.采集4路反射式光电采样器。

电机驱动部分硬件设计

电机驱动部分按设计要求应满足以下需求: 1.可驱动一个直流电机,驱动电压范围5~ 12V,电流lO~20A; 2.电机驱动要支持4种工作模式:正转、反转、 慢走、制动;

2.根据采样信号输出相应的电机控制信号,实
现走轨迹。 3.可以通过串口输出电机控制信号,并可以输 出标准的PWM(宽度1~2ms、周期20ms)电机控 制信号。


3.控制信号可接受:UART、SPI控制,标准的
宽度l~2 ms、周期20ms的PWM控制; 4.可支持脉冲反馈,实现调速而非调功; 5.可根据脉冲计数控制行走距离; 6.可检测转动方向; 7.支持第二路反馈的脉冲信号,以实现转速跟 踪。 使用STCl2C54XX系列51单片机控制,使用 MOSFET管构成H桥驱动,并使用门电路实现互

4.可以直接输出两个电机的H桥控制信号,以 便省去电机驱动控制,实现低成本的小车,或者用于 提高编程的难度。 5.支持模拟输入功能,可接GP2D12等模拟量 输出传感器。


6.提供一路PWM方式的DA转换输出,以便
作为RCX的输入扩展模块。 7.电源应支持单节电池供电,以便于作为独立 模块使用。


锁,避免造成MOSFET短路。驱动管设计为可双
管并联,以便于扩充驱动电流。采用独立模块方式,

3.1轨迹采样部分硬件设计


?45?

根据需求,我们拟采用STCl2C54xxAD系列

输模块替代电缆方案发送到上位机并显示。 温湿度检测硬件设计原理图如图4。

单片机作为控制核心,控制4路采样电路检测轨迹,
采样电路中设计了背景光去除功能。电源设计了从 1V升压到5V的电路,以便于为扩充的输入器件供 电。而后再经3.3V稳压器降压作为MCU的电 源。这样设计使用1~2节7号或5号电池就可以 工作,体积大大缩小。电机驱动部分设计提供最大 IA的驱动能力,电机的工作电压可变,以满足不同 电机的需要。


3.2轨迹采样模块程序设计 轨迹采样器为4个反射式光电采样器,经缓冲
图4温湿度检测原理图

后作背景光减除处理,之后放大送单片机AD转换。 此模块完成: 1.采样器的输出AD转换;

温湿度软件设计如图5所示。

2.将AD结果转换为是否在轨迹上的逻辑值;
3.进行预处理,输出轨迹偏移位置信息。 处理时先将采样的模拟值转换为逻辑值,之后 将逻辑值转换为一个关于位置的数值,送入上位机 进行调试。 1.4红外模块 红外模块采用sharp公司GP2D12红外传感 器,对其模拟输出采样,并将其换算为小车与障碍物 的距离。 红外传感器测距功能的实现是基于三角测量原 理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束,当 遇到物体以后,光束会反射回来,其原理如图3所 示。


“写”测量命令

延时

“读”测量数据

温湿度值计算

显示数据送显示缓存

恢复现场 中断返回

图5温湿度软件流程

2上位机系统设计

塞/K b
器荨亨l妒’i{8

为了在小车实际运动之前,进行小车运动的模 拟运动仿真试验;在小车运动时,实时显示运动状态 以及环境情况;在监测到所需数据后,进行数据的保 存,开发了上位机仿真与监控系统。 2.1上位机仿真及监控系统 在监测环境已知的情况下,我们可以在此系统 上进行环境的建模,然后小车进行模拟运动仿真试

l_号f!詈rJL一|.一一一匿习
L:


红,;羰射簟

验。这样可以提前确定小车的较优运动路径,指导
图3红外测距原理图

小车的实际运动,如图6(a)。


1.5温湿度检测

系统主界面主要分为三个部分: 1.移动传感器的实时显示区: 此区域的作用是进行移动小车实时运动和仿真 运动的图像化显示(图中的圆形和矩形阴影部分表 示障碍物,红色原点表示小车,蓝色十字表示目的 地)。 2.移动传感器位置坐标区: 此区域的作用是实时地显示小车的位置坐标。 (下转第69页)

检测系统是基于数字温度湿度传感器SHTll

的测控系统,主要是由温湿度传感器、单片机、
MAX7219驱动芯片、两片4位I.ED数码显示器和 看门狗芯片MAX813I。组成。主要功能是利用传感 器实时测量室内温、湿度并通过12C总线由单片机 读出并计算处理,其结果(即温湿度值)一方面要送 到驱动芯片MAX7219并显示在8位LED数码管 上。另一方面通过单片机的串口,采取无线透明传
?46?

Ancb…AK [1钉s…S铀‘口SⅨstfibutedⅧ…ninwlrel嘴d
FOcoM’0l Apfil

2∞I

…rhM一州umNo.UCⅣHLM02/Z6.Uniwmityd

h。c

[22J SunG

[1印Nq刚R,sI】T口k

…fr∞l∞IinloⅢrlon onⅡ“bc……-
CatlifonⅡa-Berkeley,2。00
H,Bachnseh

Eh…E喀…lsme/1日tP嗍.20。4122-24 L.G∞H【砌剐f filhmslD…m~k
r吸Tnt’j
sdth Conf.on for 2001

J O%咖nq

8如Ⅻ∞础-

Nc啪帆?s蛐…d C∞lr01.3004:


4tT“Ieha耐l∥fhof:he

distfibutdlc<aIimdcn a]go

[17]H‘gh~J.BorrlelloG
Fating 2]st]nt’J

附k#rPSN’03

Z003

and [18]N州一D,Nath B Positioa ori∞tioa 呻rh Ad}晰N…k3-Z002.2(”:133lSl

rE匝C啪w2er.2。01.34(8)

l∞lionqm%for ub……∞.Tr
in



h∞吣-

[2町&J豫lN-Hcid一】,b帅nDemity 8d哪…k翎th b∞∞nd…L,¨1 [24]Ho{~Wd]eahofB,[jehtmeggerH-Collim Gloh]h" tioazag靴t卧:n帅q
[2s]K…mbk D-陆SM.Hv
1∞、^h出for

∞f-540

[1叼蹦山N。Hdd~J.E咖nn^mPrm C001.∞Ⅱ¨抽utd ∥P嗽olIk
[舯]sicK“uML,R卿dumlv
t日咀蛳l z489-4*

[2玎h协REL∞妇…一ks*n吖m“mkⅧthmoⅫt kE岫//Pr阢dthe
(上接第46百) 3监测数据显示区:

"】rb_m^脚bileh咖//Pl让ofMA阻&pt∞1h 2004

Lom6izafi叽of哪el…-
beao。a

pla—t

C0mpuling自}-

&6]自一c.Rabacy J.kg幽K Rob幔脚lt砌qdp
u鲫ⅨTtlmiod
317{27 Ann4

wization…rd…h ndmqbrd5tfih谢“?}日cmd…t哪db∥Pfoo
1997 Yc Path

aMp眦tm¥“wⅡvd".4thd.

pu№r曲一…2。07.30(13)12577-2592

pI州。fmhIe c—
2002I

C“hh№吖,CA,J岍e

23mⅢ耽【h哪帆of日一商&d

此区域的作用是实时地显示小车监测到的温 度、湿度等环境信息。

%’__-”一……7~。。一

日日■■,口|■■■■口E●●口=j■■■■■■●■■■■_

(D蕞藏的主界面及小车仿精动圉
宦立田■●■—●●——■————■—匠盈
?。?_lIB
?+?’

…一

‘Hu

…。


结柬语智能巡柱小车具有自主移动功能,并 可以对环境进行宴对的监测,同时将数据传给上位 机系统对监测到的温湿度进行分析t实现对目标环 境的监控和预警。同时,诙小车对于传感器节点今 后的研究也具有一定的参考价值。
参考文献
[1]女*n.*传女*¥#{#☆Ⅲ&&Ⅱ&§‰十∞&月[J]
自f々自H,2007(1)131-13t

(b)a信异Ⅲ 圈6 t位机系统

在田1的移动传感器实时显示区中,显示出了 小车的一次仿真运动轨连(红色曲线),以及在移动 传感器位置坐标区中显示的小车每一步运动到的位
置坐标。 2.2通信部分的上位机实现

由于该小车的通信是用USB接口模拟的串口 通信,在用VC++进行串口通信时,采用 MSCmamx控件来实现。 在通信前首先要进行串口的选择。在串口成功 打开后,就可眦通过上位机读出小车当前左、右马达 的转速和更改期望速度了,该通信界面如图6(b)所

[2]※≈¥.t¥凡*^ti&*g#月镕#^∞*”[J]”# 机I&.2007 r33(6).283?285

[钉¥{t.±*n.≈±8+{§f4曲∞王线*g#目*,
^∞&”目j镕女R[J]目代自}拉¥-2007(10):47-49 142}目目-t&W,{自if RS485j镕白勺±HR&e∞&% &[J]In&d*#n.20。6fIZ,52-54 [站}镕R*fCANg缱∞#∞№★女#仓Et】盛■%统口] t*算n目E.2005,2I(7)。51
53

无线智能自主移动传感器网络节点的设计与实现
作者: 作者单位: 李稳, 赵龙, 李超 李稳(江南大学机械工程学院 无锡 214122), 赵龙,李超(江南大学通信与控制工程学院 无 锡 214122)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6878437.aspx 授权使用:曹先生(wfnjyd),授权号:d8ad91bf-e506-498a-8fcd-9e6900f787c2 下载时间:2011年1月12日



更多相关文章:
无线传感器知识点总结sansan
传感器检测技术(知识点... 15页 免费 智能传感器...无线传感器网络: 它的节 点是 静止 的或 者移动...相互协作,但自主运行,将信息发送到 它们的处理节点...
无线传感网络概述
布设时智能采用随机投放的方式,传感器节点的位置 不...(4)移动终端的能力有限(缺点) :虽然无线自组网络...每个节点只能依靠自带或自主获取的能源供电, 由此导致...
无线传感器网络技术结课论文—2013
空间探 索、交通管理及智能建筑与家居等多方面的...无线传感器网络体系结构包括传感器节点、任务管理节点和...测量与邻节点距离的能力; (3)节点不具有自主移动...
无线移动通信技术演进与未来发展理念》小结
不同系统的无缝连接、 高度智能化网络系统、 整合性...构建自主通信的要素主要包括: (1)传感器网络功能:...无线传输技术发展的新趋势 未来无线移动通信应实现...
南开大学_奥鹏_移动计算理论与技术在线作业-2015年春-...
传感器网络应用对节点提出了严格的限制,分别是()。...ABC A. 自主性 B. 协同交互性 C. 移动性 D. ...无线智能传感器 8、简述移动中间件应当具有的功能。 ...
无线传感器网络实用教程
在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应 用系统 传感器节点数量众多,采用...但随着应用需求要求节点具有自主 移动性,对 MAC 协议移动性设计也提出了更高的...
物联网技术与应用试题库修订428
C 智能化的建筑控制手段 下列哪类节点消耗的能量最...无线传感,无线宽带,移动通信) 下列哪项是传感器的...在的网络,因此物联网是空中楼阁,是目前很难实现的...
无线传感器网络研究
了低成本、低功耗、多功能、体积微小的传感器节点。...的无线网络, 它采用Ad hoc方式部署大量微型的智能...协议实现组网,网络能够自动调整以适应节 点的移动、...
继续教育公需课考试答案合集
传感器节点的硬件平台包括几个模块( ) A.4 个 B...无线电定位的系统 正确 错误 4.FDMA 是第二大移动...是智能家居网络中的首选传输方式 正确 错误 14.美国...
智能家居毕业论文
传感器节点 WSN 网络模块设计...13 4.2 嵌入式服务...物联 网被预言为继计算机、 互联网与移动通信网...随着各种消费电子的智能化, 还有无线传感器的迅速发展...
更多相关标签:
传感器网络节点    activiti节点跳转实现    人工智能 自主学习    人工智能自主意识    比豪车还智能的自主车    js实现节点可拖动的树    智能数据网络节点    智能家居节点定位    

All rights reserved Powered by 甜梦文库 9512.net

copyright ©right 2010-2021。
甜梦文库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com|网站地图