基于无线传感器网络的分布式温度控制系统

目录1文献综述...............................................................................................................................21.1无线传感器网络相关技术......................................................................................21.1.1无线传感器网络特点.....................................................................................21.1.2无线传感器网络体系结构.............................................................................21.1.3无线传感器网络的特点.................................................................................41.1.4无线传感器网络通信技术.............................................................................51.2分布式协调控制系统................................................................................................71.2.1分布式控制系统的架构.................................................................................71.2.2现场总线技术.................................................................................................81.3空调控制系统..........................................................................................................101.3.1变风量空调控制基本原理...........................................................................101.3.2变风量空调控制基本方法...........................................................................132课题背景及开展研究的意义............................................................................................142.1课题背景..................................................................................................................142.2开展研究的意义......................................................................................................153研究内容、预期目标及研究方法....................................................................................163.1研究内容..................................................................................................................163.1.1分布式温度传感器软硬件实现..................................................................163.1.2变风量式空调系统的控制方法..................................................................163.1.3多个空调的分布式控制...............................................................................163.2预期目标..................................................................................................................173.2.1开发出有效的控制算法并利用Fluent软件进行流体应用验证............17北京科技大学硕士研究生选题报告--13.2.2对整个系统软硬件进行实现并实际应用于工业场合.............................173.3研究方法..................................................................................................................183.3.1基于Zigbee的无线传感器网络通信.........................................................183.3.2对非线性时滞空调系统的控制..................................................................203.3.3基于CAN总线的分布式空调控制...........................................................223.3.3利用协调编队思想实现多个空调的有效联合控制.................................224进度安排.............................................................................................................................25参考文献..........................................................................................................................26北京科技大学硕士研究生选题报告--21文献综述1.1无线传感器网络相关技术1.1.1无线传感器网络特点近年来，随着微机电系统（Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS）、片上系统（SOC，SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革[1]。无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。其特点是节点必须通过相互关联才能完成一定的任务，而单个节点则通常无法发挥作用，节点间的关联性是通过无线通信实现的，因而从本质上说，节点至少具有计算处理、无线通信、检测或控制能力。强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛，可以被应用于军事、防爆、救灾、环境、医疗、家居、工业等领域，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的多学科高度交叉的热点研究领域[2-3]。它是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT技术之一。美国《技术评论》在预测未来技术发展的报告中，将无线传感器网络列为21世纪改变世界的十大新兴技术之首[4]。由此可见，无线传感器网络的出现将会给人类社会带来巨大的变革。1.1.2无线传感器网络体系结构典型的无线传感器网络结构如图1所示，传感器节点经多跳转发，再把传感信息送给用户使用，系统构架包括分布式无线传感器节点群、汇集节点、传输介质(Internet或卫星通信)和网络用户端。节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式任意散落在被监测区域内。传感网络是核心，在感知区域中，大量的节点以无线自组网(ad-hocnetwork)方式进行通信，每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力，传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处北京科技大学硕士研究生选题报告--3理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户[5]。图1无线传感器网络体系结构节点是无线传感器网络的基本功能单元，典型的节点结构如图2所示，主要包括数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、能量转换器)这4部分。数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器用于感知、获取外界的信息，被检测的物理信号决定了传感器的类型，A/D转换器将物理信号转换为数字信号；数据处理和控制模块负责控制整个传感器节点的操作，微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式CPU；数据传输模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。供电模块为传感器节点提供正常工作所必需的能量。北京科技大学硕士研究生选题报告--4图2无线传感器网络节点结构1.1.3无线传感器网络的特点作为一种新型的网络，无线传感器网络主要有如下特点[6]：(1)电源能力局限性。节点通常由电池供电，每个节点的能源是有限的，一旦电池能量耗尽，节点就会停止正常工作。(2)节点数量多。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或盲区。(3)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动［9］；某个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行。也可能由于工作的需要而被添加到网络中。(4)自组织网络。在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理。无线传感器网络的自组织性还要求能够适应网络拓扑结构的动态变化。北京科技大学硕士研究生选题报告--5(5)多跳路由。网络中节点通信距离一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。(6)以数据为中心。传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点随机部署，节点编号与节点位置