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基于LabVIEW的无线传感器网络监测平台设计

菜鸟
2015-09-22 16:41:17    评分

1 引言

无线传感器网络是由分布在监测区域内的大量传感器节点组成的无线网络,由于其快速展开、抗毁性强、监测精度高、覆盖区域大等特点而产生了广阔的应用前景,由此成为当前信息领域的研究热点。无线传感器网络的状态、采集的信息需通过一个友好的人机界面提供给观测者。本文介绍基于LabVIEW平台设计的无线传感器网络监测平台。

LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于编译型图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台。其集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和 RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能,其强大的函数库使编程过程生动有趣,开发周期缩短,且其图形化的前面板为使用者提供了直观清晰的人机界面。

本文在PC机上利用LabVIEW设计实现了无线传感器网络监测平台。观测者通过操作此监测平台,可以方便的观察无线传感器网络的状态;并可进行对无线传感器网络的操作,主要包括检测无线传感器网络的状态、获取网络中传感器节点采集的数据清晰的观察无线传感器网络采集的数据信息。

无线传感器网络介绍

2.1 无线传感器网络综述

无线传感器网络的典型结构图如图1所示。

 

图1无线传感器网络组成框图

其中通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点部署在监测区域,通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它节点逐跳进行传输,经过多跳后达到汇聚节点,由汇聚节点传送至管理节点。本文中采用PC机作为管理节点,使用PC机上的LabVIEW平台编程设计无线传感器网络监测平台实现观测者对无线传感器网络的观察与操作。

2.2 无线传感器网络硬件介绍

本文设计了一个精简的星型结构无线传感器网络,整个网络由三个无线传感器节点、一个汇聚节点和一个管理节点组成。其中传感器节点分布于监测区域内,执行数据采集、处理和通信等工作;汇聚节点负责无线传感器网络的组建并通过串口方式与PC机进行通讯,将各节点采集的数据信息汇总到PC机上,在本文中,PC机作为无线传感器网络的管理节点使用。观测者可通过PC机上的可视界面对无线传感器星型网络进行配置。无线传感器网络的硬件结构图如图2所示。

 

图2 无线传感器网络硬件结构

2.3 无线传感器网络协议介绍

无线传感器网络的价值就在于它的低成本和大的容量配置。因此,无线传感器网络的某些特性必须实现标准化,以得到更广发的应用。目前标准化工作的最主要成果是IEEE 802.15.4低速无线个域网协议,ZigBee联盟是该协议主要的市场推广和兼容性认证组织。

本文采用的无线传感器网络协议即包括了IEEE 802.15.4网络协议[9]和ZigBee协议栈两个部分。其中,ZigBee标准协议栈架构是在OSI(Open Systems Interconnection)七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。IEEE 802.15.4协议定义了网络的物理层和媒体接入控制层,ZigBee协议栈在此基础上定义了网络的网络层和应用层,其中应用层又包括应用支持子层。

无线传感器网络的监测平台设计

3.1 功能描述

本监测平台通过串口与无线传感器网络通讯,通过面板上的指示灯和串口接收数据来显示无线传感器网络的状态。观测者可通过操作面板上的按钮实现对无线传感器网络的操作并可获取网络采集的传感器数据。

3.2 面板设计

本监测平台的虚拟面板设计如图3所示:

 

图3 无线传感器网络监测平台面板

仪器面板主要由以下几个模块组成:

1.串口配置按钮模块:在此模块中使用LabVIEW中的VISA Configure Serial Port模块,在面板上有三个按钮实现对PC机串口的配置。

2.操作按钮模块:此模块八个按钮、一个Ring控件、一个Numeric控件及一个String控件,实现对无线传感器网络的操作。

3.串口接收数据显示框模块:在此模块中使用String控件显示监测平台通过PC机的串口接收到的无线传感器网络信息。

4.指示模块:此模块中包括四个指示灯,指示无线传感器网络各节点的运行状态。

5.传感器数据显示模块:此模块中设置三个Numeric Indicator控件分别显示三个传感器节点的传感器数据;将三个Graph控件拖入一个Tab Control控件中实现三种传感器历史数据的重叠选择显示。

本监测平台的后面板程序设计流程如图4所示。

 

图4 无线传感器网络监测平台流程图

由于此监测平台通过串口实现PC机与无线传感器网络的通讯,因此在程序中先配置串口模块,再确定发送、接受模式,同时确定通讯协议。当有发送或接收控制按钮动作时,程序首先判断是发送指令,还是接收回传数据。若是发送指令,则判断所发送指令是否符合格式要求,不符合则退出发送;若是接收数据,则判断是哪个节点数据后再分别在相应节点的显示框中显示波形和数据值。

4 应用实例

4.1 无线传感器网络组建实例

启动无线传感器网络后,运行监测平台,在监测平台面板的操作按钮中选择“检索网络”按钮,然后点击“发送数据”按钮,即向无线传感器网络发送检索网络命令,运行结果如图5所示。节点指示灯全部点亮,说明无线传感器网络各个节点运行正常,无线网络组建正常;同时,在串口接受数据显示框中给出无线传感器网络的信息。

 

图5 无线传感器网络组建实例

4.2 传感器数据监测实例

运行监测平台,在监测平台面板的操作按钮中选择“读取节点n数据”(n=1,2,3)按钮,然后点击“自动发送”按钮,即连续发送获取传感器数据的命令,可得如图6所示的传感器数据监测结果。

 

图6 传感器数据监测实例

节点指示灯指示无线传感器网络运行正常,在测试结果显示框中显示所获取的传感器数据的当前值,波形图中显示测试数据的历史数据记录,观测者可直观的获取传感器的数据。

5 结论

本文基于自主设计的无线传感器网络,利用NI公司的LabVIEW软件平台设计了无线传感器网络监测平台。该监测平台为观测者提供了直观明了的人机界面,可清晰的显示无线传感器网络的状态信息。同时,观测者可方便的利用本监测平台对无线传感器网络进行操作并获取无线传感器网络采集到的传感器输出数据。本监测平台界面简洁,操作简单直观,可方便的进行二次开发,具有广泛的应用价值。




关键词: labview     Labviwe     数据采集    

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