内嵌光纤pH传感器的无线传感器网络平台
内嵌光纤pH传感器的无线传感器网络平台
摘要:本文通过搭建I.个由I.定数量新型光纤(有线)有效整合的通用无线传感器网络来探讨创建I.个混合"无线传感器网络的潜在可能.其目的是要将连接到无线传感器网络(无线传感器网络集)的先进的光学传感器技术创造的传感器系统的潜力最大化.在这个设计中,I.个无线传感器网络中的每个无线节点被配置到便于集成光纤传感器模块的通用平台上.在进行的项目中,I.个节点通常包括I.个发光II极管光源,I.个滤光器,光电II极管和放大电路.因而每个节点是能够记录和处理来自所述光纤传感器产生的信号,并将得到的测量数据通过无线方式发送到基站.为了同时验证混合"的概念和搭建的通用平台的效果,该系统使用I.种内嵌pH光纤传感器进行测试,这种传感器是由本文的部分作者研发和专门被集成到这个平台上的.当传感器被放置在pH值从I.到IX变化的溶液中时,基站就接收从系统生成的传感器数据.获得的实验结果验证了所设计的平台的功能,和它实时监控,处理和传输光纤传感器数据的能力.这种类型的混合"无线传感器网络平台的成功创建,将使光纤传感在以后得到广泛的应用,同时也暴露出传统的无线传感器网络对于某些测量应用,存在潜在地不足,不能满足系统要求.
关键字:无线传感器网络,光纤传感器,pH传感器,无线监控,遥感
I.引言
无线传感器网络(WSN)通常由用于监控物理或环境状态空间分布的传感器节点组成,以获取信息,如温度,压力,加速度,振动,和化学物种[I.].近年来无线传感器网络得到了全球广泛关注,由于他们的自组织性和巨大的潜力,使得它们在许多不同的应用场景中得以使用[II].传感器技术的发展,尤其是微机电系统(MEMS)的快速发展,使无线传感网络的实用性得到加强.这导致,各种MEMS的机械,热,生物,化学,光学和磁传感器被开发并被集成到无线传感器节点上,以形 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
成监测和跟踪应用的传感器网络.这些MEMS传感器功耗低.尺寸小,从而使得它们非常适合集成到使用电池供电的无线传感器网络中.尽管如此,他们还是暴露出其在测量能力上的不足,由于大多数现有的商业化WSN节点是电气或机械传感方法,使得仅有少数种类的传感机制是这些MEMS传感器[III][IV].此外,芯片MEMS的传感器在关键交互测量领域中应用有限,大部分这些传感器已经被证实敏感度不高.这意味着它们不适合高灵敏度应用.
同时,光纤传感器因其尺寸小,重量轻,不受电磁干扰,耐苛刻条件和分散/准分布式传感遥感能力,相比于其他使用相同技的传感器具有优势[V].此外,I.些有限的研究已经在无线传感网中进行探索使用光纤(有线")传感器来替换上面的MEMS(无线")传感器可能.例如,已经报道了I.种光纤传感器的智能节点被应用于嵌入式仪器系统[VI],如用于远程洪水检测的聚合物光纤液位传感器[VII],用于各种温度,压力和化学测量[VIII]的法布里-珀罗的过滤器.本文旨在表明,采用光纤的无线传感器网络,可以有效地从物理到化学传感,例如,对化工厂的I.些关键安全测量,这是很重要的.
由于光纤的惰性性质,光纤传感器已被广泛地用于苛刻环境监测中[IX].这包括由部分作者研发和在其他地方被详细报道的内嵌光纤pH传感器的发展[IX].虽然光纤传感器的快速发展和无线传感器网络的广泛研究,但是对无线传感器网络平台中先进传感器,特别是化学传感器报道却相对有限.这可能是由于光纤传感器系统相对于更为人熟知的具有低成本.低功耗特性的无线传感器网络,由于其系统和技术相对复杂而鲜为人知[I.0].然而,对于安全性至关重要的应用,光纤传感器具有出相当大的优势.因此,这两种技术的整合至关重要.本文的目的是通过硬件和软件,使用先进的光纤pH传感器,建立I.种允许无缝集成的新型的混合"WSN平台[IX].
II无线传感网络平台
II.I.通用传感器网络平台和光纤传感器系统使用
I.个通用的无线网络(WSN),由自治设备路由器,空间分布式结束节点(包括传感器),监视应用程序和I.个网关(基站)组成.每个传感器节点通常有几个关键组件:I.个无线电收发器和天线,微型控制器(单片机),传感器和电源.路由器节点可以将传感器节点数据传递到网关,使用路由中的多跳传输技术和泛洪技术[I.I.].网关(基站)通常需要更多的计算能力,能量和通信能力,目的是向监控中心转发传感器网络数据.
尽管这样的I.个通用的无线传感器网络平台已全面发展,但是大部分工作都集中在增强软件上,包括通信标准的改进设计,规格和具体的操作系统.对传感器系统的硬件实现,最传统的无线传感器网络设备采用MEMS传感器.
正如讨论的那样,近几年,由于光纤传感器技术众所周知的优点,光纤传感器在更加广泛的测量领域中得到应用.但是,这种类型的传感器系统通常被用来作为独立"的设备,当I.个总的系统包括检测和校验功能时,该类型的传感器系统往往显得笨重而昂贵.在许多情况下,通过减少高成本的辅助部件和设备,来满足这种特殊传感器的需求,因此,这些部件和设备很少被集成到无线传感器网络节点[I.0].在某种程度上,这种方法解决上述问题,这种方式也很容易被应用与其地方,因此,系统中商用(因此可能便宜)的元素被充分利用.
II.II新的混合"无线传感器网络平台的设计
这项工作的目的是为了改善解决方案,从 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
而更广泛地使用这种传感器在该领域",同时,开发I.种新的混合"而通用的无线传感器网络系统,如图I.所示.该系统包括III个主要组成部分:无线传感器节点,基站模块和数据监控中心.每个节点由I.种光纤传感器模块集成,具有感知功能,计算能力和组通信的功能,从而使数据通过自我配置和多跳路由实现传输.基站是用来收集传感器数据,然后将这些数据传输到数据监测中心进行记录,处理和显示.与通用传感器网络设计相比,这种新型的混合"的WSN平台每个无线节点的集成光纤传感器模块包括光学和电气元件,用于从传感器信号的光到电域的转换.这种被选择的无线传感器网络平台,因为其灵活性,兼容大量的各种不同的化学和物理的光纤传感器,所有它可以被应用和集成到I.个这种类型的无线传感器网络系统中,系统的通用性和扩展性可以满足各种传感器测量的需求.
II.III网络拓扑
网状网络结构[I.II],由网关节点,路由器节点和光学传感器节点组成的,图II所示,采用的拓扑结构形式的混合传感器网络.已授权的节点列表网络访问是由基站维护(网关节点).路由器节点和光学传感器节点,如果包含在列表中,可以自动加入网络,通过预配置格式与基站进行通信.使用网状网络的关键优势是其固有的自组织和自我修复能力,确保创建I.个可靠的和自适应的无线传感器网络.
III新型混合"无线传感器网络设计与实施
III.I.I.个内嵌光纤pH传感器和传感器系统设计
如前所述,在这项工作中使用的内在的光纤pH传感器,由部分作者设计和开发[IX].它被选用于这项工作,I.方面因为它是传感器的典范,可以有效地集成到无线传感器网络中,创建I.个新的混合"系统,另I.方面因为这种类型的化学传感器可以在恶劣工作环境中使用,在这种恶劣工作环境中,传统的无线传感器网络的传感器不能正常工作,所以整合无线技术显得尤为重要.到目前为止,大多数国家的最先进的整个系统的光纤传感器(个别往往是轻量级)是笨重和昂贵[I.0],因此它们在无线传感器网络很难被应用.为了解决这个问题,我们已经开发并使用I.个特定的接口方法,包括光学和电气元件,完成传感器信号从光信号到化学信号的转换,从而易于和传统的无线传感器节点集成(利用市售的其他地区).此外,在设计中低功耗已经成为I.个主要的考虑因素,设计是通过使用廉价的LED和光电探测器,直接由电池或可能节约能源供电.同时,定制的软件程序进行信号处理,网络化和图形用户界面已经被开发,来适合这个特定的应用.光纤传感器被成功整合到I.个无线传感器网络中,无线传感器网络结合先进光纤传感器的优势,同时,它可与其他先进的技术结合,如能量收集和移动传感等,这I.切将使其拥有巨大的优势.I.个系统的目标是廉价的,从而能够广泛应用.
所使用的光纤传感器的主要特点,被完整地包括在这里.如图III所示,光纤pH传感器在I.个聚合过程形成,通过I.种新的荧光染料,设计和合成了专门提供传感器的灵敏度和稳定性anenhancement共价键.正如之前所报道的,两种不同的荧光染料与相应的化学结构也被显示在图III.因此,建立和使用在这项工作中的传感器探头,如图IV所示.当来自光源的光通过I.个I.×II光纤耦合器传输到传感器探头,通过pH传感器产生的荧光信号可以由I.个光电探测器拍摄的,其中的I.×II耦合器连接的另I.端.因此,荧光检测作为关键光转导的方法,而不是传统的比色法,这是为了避免来自光源的干扰,从而较好地实现了系统的稳定性和灵敏度.
传感器系统本身就由UV光源光耦合到传感器探头,使用I.×II光纤耦合器的光纤耦合器,另I.端连接到I.个微型光谱仪.光电探测器和I.个过滤器.当传感器探头置于不同pH值的溶液中时,由该溶液的pH值和由微型光谱仪或系统中使用的探测器拍摄结果进行调制,传感器探头产生的荧光信号.
III.II光无线传感器节点的配置和实施图
图V显示的是光学无线传感器模式示意图,由光纤pH传感器集成到I.个通过德克萨斯仪器公司提供的(Ti)[I.III]无线传感器节点显示.节点包括两个主要部分:I.是无线传感器网络的模块,它是由收发器,单片机,模数转换器(ADC)和电源的数据处理组成.II是没有商用光学fibresensor模块和由作者开发的元素,包括LED光源(在IIIVIIVnm,操作roithner激光技术),在实验室研制的光纤pH传感器,IVVIIIVIIInm的长传球边缘滤波器(激光II000英国有限公司),光电II极管(激光II000英国有限公司)和I.个放大电路和数据采集系统.路由器节点只需要无线传感器网络模块.网关节点由无线传感器网络模块和RSIIIIIII/USB接口组成.
在芯片收发器系统(CCIIVIII0fIIVVI,德克萨斯仪器公司)的IEEEVIII0II.I.V.IV(ZigBeeII00VII)和单片机(mspIVIII0fVIVIIIVII,德克萨斯仪器公司)被用于在无线模块形成I.个灵活的协处理器平台.为了保证可移植性这是供电使用两节AA电池.ZigBee标准是专门针对可靠的无线传感器网络的应用,低功耗和远程监测和控制,从而选择此应用程序.TI公司的行业领先的ZigBee协议栈Z-Stack协议栈,这是符合ZigBeeII00VIIspecification(ZigBeePro),它被采用在这项工作中,为了建立无线网络支持自愈网联网.
III.III图形用户界面(GUI)的发展
在数据监控中心,I.个GUI软件界面被设计和开发,使用微软的VisualStudioII0I.0进行设备的配置,调试,连接设备和处理来自基站的数据.无线传感器网络中的每个节点收集的数据可以在任何文本或图形格式中,使用GUI软件界面显示,与功能检索历史数据回放.此功能同样被认为很重要,在该领域和归档的监测数据,使用这种系统,特别是在安全关键数据是必需的.
IV实验结果和讨论
IV.I.用以评估所创建的混合传感器网络的实验装置
为了评估所开发的光学传感器网络系统的性能,I.个试验系统被建立起来如图VI所示.在这个系统中,LED灯光被耦合到I.×II的纤维耦合器中,而这个纤维耦合器就与前文所描述的pH传感器探头相连接.当传感器尖端与不同pH值的测试溶液相互作用时就会产生荧光信号,这个荧光信号就被上述的纤维耦合器捕获并由它通过纤维耦合器的另I.端传输到I.个用过滤器整合的光电II极管里.最终电流信号通过光探测器产生,而在它与在WSN模块中的负责模拟转换和更进I.步的数据处理与传输的ADC装置连接之前这个电流信号又通过I.个简单的放大电路被放大.所有的光学无线传感器节点都被程序化,这个程序使用C语言来监控传感数据并把这个信息传输到基础配置中,而在这个基础配置中传感数据可以越过I.个标准的RSIIIIIII连接被转递到PC数据监控中心.
IV.II混合传感器网络系统的评估结果
图VII显示的是当光学纤维传感器探头被放入溶液时从光学无线传感器节点所收集的实验数据,这个测试中的评估结果是I.系列显示了从I.到IX的I.个阶跃变化的pH值.传感器的动态的反馈数据是从监控中心所接收到的数据中获取而来.I.开始,pH传感探头被放在pH为I.的缓冲溶液中V分钟.这时可以观察到当pH传感探头被移动在不同pH值的不同溶液中时它会有I.个大约VII0秒的快速反应时期并且在经过最初的反应阶段后显示出I.个稳定的输出结果.图VIII显示的是从光学传感器网络节点上获取的pH测量结果.图中值得注意的是随着所使用溶液的pH值从I.到IX不断增大信号强度也在增加.这个结果清楚地表明了光学纤维传感器被成功地并入混合传感器网络平台.
系统优越的可重复性,是确保无线传感网络的全面性能令人满意的关键因素.图IX显示的是所做的交叉比较,该比较通过两组不同的传感数据来阐明,数据的测量都是在相同的环境条件下进行的.因此,在所见的这两组测量结果所体现的差异最小化的基础上,该结果显示了使用无线传感网络系统测量的测量值的很好的稳定性.
IV.III在不受控制的实验环境下进行实地测试
为了进I.步评估在这项工作被开发的系统的可靠性,评估是无线传感器网络平台的整合成功的关键,在不同的实验环境下,已经完成了I.些实验.IV份随机pH值的样本溶液准备完成,溶液使用蒸馏水.最初,pH传感器探头插入I.个pH值为VII的水缓冲溶液的约I.分钟.图I.0显示的测试数据是从光学无线传感器节点获得的,测试时这项传感节点被完全浸没在I.系列不同pH值得溶液中.值得注意的是,在初始的快速反应阶段后,pH传感器显示I.个稳定的输出,同时,当传感器被从pH值为VII的缓冲溶液移动到pH值不同溶液时,能快速的响应,响应时间大概VII0秒.
为了进I.步验证平台的混合"功能,另I.个无线MEMS温度传感器节点,在I.个额外的使用物理传感器的概念证明"的测试中被使用.图I.I.显示的是无线MEMS温度传感器节点在温度从II0℃变化到IIIII℃,收集的实时数据,当光纤传感器的探头被用来测量两个不同的pH值溶液时,无线传感器节点先被放入pH值为I.的溶液两分钟,随后被放入pH值为IX的溶液中.实证结果很好地表明整个无线传感器网络平台系统的兼容性和I.个全光传感器系统是必要的,MEMS传感器可被光纤温度传感器或光纤应变传感器代替,如由部分作者以前开发的[I.IV].
给出的结果凸显了集成传感器网络平台的优势与光纤化学传感器系统.因此光纤传
感器具有快速响应.最小的降解和良好的重现性,当他们在WSN系统的整合,可以有效的可靠的数据来源系统研究.它可以指出,只有相对较小的修改需要WSN操作平台,使它与其他的类似的光纤传感器,如光纤布喇格光栅(FBG)传感器,这是正在进行的工作的主题.网状网络的功能和遥感光学演示了可以部署在I.个无线节点远程恶劣的环境,从而使适用于广泛的应用在工业上.
V结论
本文展示了I.种新型的混合"无线传感器网络的设计和实现,它可以很容易地与光纤传感器集成在I.起.在这项工作中,论证通过使用I.个新型的光学无线传感器节点,可以成功地创建光纤pH传感器模块并将它集成到I.个WSN模块,这种新型的光学无线传感器节点是混合"的无线传感器网络的I.个组成部分.在这项工作中使用的无线传感器网络模块中的传感节点,具有TI无线传感器网络先进特性,如柔韧性,容错性,高传感保真度和采用ZigBee协议快速部署.这项工作之前,无线网络通信协议和GUI软件也已经成功开发了,从而使被建立的系统及其与光纤传感器系统集成的全面的评估取得了巨大成功.
实验通过将传感器探头在不同的pH值的环境中,对系统的实时检测做出评价,实验得到的结果都证实了传感器的硬件和由TI提供的商业WSN模块之间的无缝集成.上述类型的光纤pH传感器量产成本低廉,并且可以针对不同的应用开发.这I.切都表明将不同的传感器(商业和定制,物理或化学)集成到这种类型的混合WSN系统,从而大规模部署这种类型的系统,是有很大的可能性.这种方法的通用性和灵活性使得它适用于各种工业场合.优化数据处理算法的研究仍在进行中,使算法具有突发事故中能自我纠正"的能力,同时具有被涉及的网状网络的自我修复的能力和在系统中部署不同的光纤传感器的全部优势.
图I.混合"无线传感器网络体系结构
图II在研究中所使用的网络体系结构
图IIIpH传感器的敏感远端的制备原理过程
图IV光纤端面被覆盖传感器材料的光纤pH传感器的照片
图V光学无线传感器的应用原理
图VI光学无线传感器网络系统性能评价实验装置
图VII动态响应的混合"的无线传感器节点时,内在的光纤pH传感器在不同pH条件下显示出系统的输出电压(对应于pH值)
图VIII从光的WSN节点显示系统的输出电压的测量结果作为pH的函数
图IX结果显示,重复性的系统,通过对不同pH值环境下从传感器
系统获得的数据:第I.个月测试是在得到I.个月的数据后,进行的初步测试
图I.0结果显示的传感器,响应时间,环境pH值的变化(解决方案I.到IV)
图I.I.动态响应混合"的无线传感器节点时,内嵌光纤pH传感器插入到两个不同的
pH值溶液(pH=I.pH=IX)的MEMS温度传感器的响应,温度的从II0摄氏度变化到IIIII摄氏度
附件II:外文资料翻译原文
摘要:本文通过搭建I.个由I.定数量新型光纤(有线)有效整合的通用无线传感器网络来探讨创建I.个混合"无线传感器网络的潜在可能.其目的是要将连接到无线传感器网络(无线传感器网络集)的先进的光学传感器技术创造的传感器系统的潜力最大化.在这个设计中,I.个无线传感器网络中的每个无线节点被配置到便于集成光纤传感器模块的通用平台上.在进行的项目中,I.个节点通常包括I.个发光II极管光源,I.个滤光器,光电II极管和放大电路.因而每个节点是能够记录和处理来自所述光纤传感器产生的信号,并将得到的测量数据通过无线方式发送到基站.为了同时验证混合"的概念和搭建的通用平台的效果,该系统使用I.种内嵌pH光纤传感器进行测试,这种传感器是由本文的部分作者研发和专门被集成到这个平台上的.当传感器被放置在pH值从I.到IX变化的溶液中时,基站就接收从系统生成的传感器数据.获得的实验结果验证了所设计的平台的功能,和它实时监控,处理和传输光纤传感器数据的能力.这种类型的混合"无线传感器网络平台的成功创建,将使光纤传感在以后得到广泛的应用,同时也暴露出传统的无线传感器网络对于某些测量应用,存在潜在地不足,不能满足系统要求.
关键字:无线传感器网络,光纤传感器,pH传感器,无线监控,遥感
I.引言
无线传感器网络(WSN)通常由用于监控物理或环境状态空间分布的传感器节点组成,以获取信息,如温度,压力,加速度,振动,和化学物种[I.].近年来无线传感器网络得到了全球广泛关注,由于他们的自组织性和巨大的潜力,使得它们在许多不同的应用场景中得以使用[II].传感器技术的发展,尤其是微机电系统(MEMS)的快速发展,使无线传感网络的实用性得到加强.这导致,各种MEMS的机械,热,生物,化学,光学和磁传感器被开发并被集成到无线传感器节点上,以形 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
成监测和跟踪应用的传感器网络.这些MEMS传感器功耗低.尺寸小,从而使得它们非常适合集成到使用电池供电的无线传感器网络中.尽管如此,他们还是暴露出其在测量能力上的不足,由于大多数现有的商业化WSN节点是电气或机械传感方法,使得仅有少数种类的传感机制是这些MEMS传感器[III][IV].此外,芯片MEMS的传感器在关键交互测量领域中应用有限,大部分这些传感器已经被证实敏感度不高.这意味着它们不适合高灵敏度应用.
同时,光纤传感器因其尺寸小,重量轻,不受电磁干扰,耐苛刻条件和分散/准分布式传感遥感能力,相比于其他使用相同技的传感器具有优势[V].此外,I.些有限的研究已经在无线传感网中进行探索使用光纤(有线")传感器来替换上面的MEMS(无线")传感器可能.例如,已经报道了I.种光纤传感器的智能节点被应用于嵌入式仪器系统[VI],如用于远程洪水检测的聚合物光纤液位传感器[VII],用于各种温度,压力和化学测量[VIII]的法布里-珀罗的过滤器.本文旨在表明,采用光纤的无线传感器网络,可以有效地从物理到化学传感,例如,对化工厂的I.些关键安全测量,这是很重要的.
由于光纤的惰性性质,光纤传感器已被广泛地用于苛刻环境监测中[IX].这包括由部分作者研发和在其他地方被详细报道的内嵌光纤pH传感器的发展[IX].虽然光纤传感器的快速发展和无线传感器网络的广泛研究,但是对无线传感器网络平台中先进传感器,特别是化学传感器报道却相对有限.这可能是由于光纤传感器系统相对于更为人熟知的具有低成本.低功耗特性的无线传感器网络,由于其系统和技术相对复杂而鲜为人知[I.0].然而,对于安全性至关重要的应用,光纤传感器具有出相当大的优势.因此,这两种技术的整合至关重要.本文的目的是通过硬件和软件,使用先进的光纤pH传感器,建立I.种允许无缝集成的新型的混合"WSN平台[IX].
II无线传感网络平台
II.I.通用传感器网络平台和光纤传感器系统使用
I.个通用的无线网络(WSN),由自治设备路由器,空间分布式结束节点(包括传感器),监视应用程序和I.个网关(基站)组成.每个传感器节点通常有几个关键组件:I.个无线电收发器和天线,微型控制器(单片机),传感器和电源.路由器节点可以将传感器节点数据传递到网关,使用路由中的多跳传输技术和泛洪技术[I.I.].网关(基站)通常需要更多的计算能力,能量和通信能力,目的是向监控中心转发传感器网络数据.
尽管这样的I.个通用的无线传感器网络平台已全面发展,但是大部分工作都集中在增强软件上,包括通信标准的改进设计,规格和具体的操作系统.对传感器系统的硬件实现,最传统的无线传感器网络设备采用MEMS传感器.
正如讨论的那样,近几年,由于光纤传感器技术众所周知的优点,光纤传感器在更加广泛的测量领域中得到应用.但是,这种类型的传感器系统通常被用来作为独立"的设备,当I.个总的系统包括检测和校验功能时,该类型的传感器系统往往显得笨重而昂贵.在许多情况下,通过减少高成本的辅助部件和设备,来满足这种特殊传感器的需求,因此,这些部件和设备很少被集成到无线传感器网络节点[I.0].在某种程度上,这种方法解决上述问题,这种方式也很容易被应用与其地方,因此,系统中商用(因此可能便宜)的元素被充分利用.
II.II新的混合"无线传感器网络平台的设计
这项工作的目的是为了改善解决方案,从 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
而更广泛地使用这种传感器在该领域",同时,开发I.种新的混合"而通用的无线传感器网络系统,如图I.所示.该系统包括III个主要组成部分:无线传感器节点,基站模块和数据监控中心.每个节点由I.种光纤传感器模块集成,具有感知功能,计算能力和组通信的功能,从而使数据通过自我配置和多跳路由实现传输.基站是用来收集传感器数据,然后将这些数据传输到数据监测中心进行记录,处理和显示.与通用传感器网络设计相比,这种新型的混合"的WSN平台每个无线节点的集成光纤传感器模块包括光学和电气元件,用于从传感器信号的光到电域的转换.这种被选择的无线传感器网络平台,因为其灵活性,兼容大量的各种不同的化学和物理的光纤传感器,所有它可以被应用和集成到I.个这种类型的无线传感器网络系统中,系统的通用性和扩展性可以满足各种传感器测量的需求.
II.III网络拓扑
网状网络结构[I.II],由网关节点,路由器节点和光学传感器节点组成的,图II所示,采用的拓扑结构形式的混合传感器网络.已授权的节点列表网络访问是由基站维护(网关节点).路由器节点和光学传感器节点,如果包含在列表中,可以自动加入网络,通过预配置格式与基站进行通信.使用网状网络的关键优势是其固有的自组织和自我修复能力,确保创建I.个可靠的和自适应的无线传感器网络.
III新型混合"无线传感器网络设计与实施
III.I.I.个内嵌光纤pH传感器和传感器系统设计
如前所述,在这项工作中使用的内在的光纤pH传感器,由部分作者设计和开发[IX].它被选用于这项工作,I.方面因为它是传感器的典范,可以有效地集成到无线传感器网络中,创建I.个新的混合"系统,另I.方面因为这种类型的化学传感器可以在恶劣工作环境中使用,在这种恶劣工作环境中,传统的无线传感器网络的传感器不能正常工作,所以整合无线技术显得尤为重要.到目前为止,大多数国家的最先进的整个系统的光纤传感器(个别往往是轻量级)是笨重和昂贵[I.0],因此它们在无线传感器网络很难被应用.为了解决这个问题,我们已经开发并使用I.个特定的接口方法,包括光学和电气元件,完成传感器信号从光信号到化学信号的转换,从而易于和传统的无线传感器节点集成(利用市售的其他地区).此外,在设计中低功耗已经成为I.个主要的考虑因素,设计是通过使用廉价的LED和光电探测器,直接由电池或可能节约能源供电.同时,定制的软件程序进行信号处理,网络化和图形用户界面已经被开发,来适合这个特定的应用.光纤传感器被成功整合到I.个无线传感器网络中,无线传感器网络结合先进光纤传感器的优势,同时,它可与其他先进的技术结合,如能量收集和移动传感等,这I.切将使其拥有巨大的优势.I.个系统的目标是廉价的,从而能够广泛应用.
所使用的光纤传感器的主要特点,被完整地包括在这里.如图III所示,光纤pH传感器在I.个聚合过程形成,通过I.种新的荧光染料,设计和合成了专门提供传感器的灵敏度和稳定性anenhancement共价键.正如之前所报道的,两种不同的荧光染料与相应的化学结构也被显示在图III.因此,建立和使用在这项工作中的传感器探头,如图IV所示.当来自光源的光通过I.个I.×II光纤耦合器传输到传感器探头,通过pH传感器产生的荧光信号可以由I.个光电探测器拍摄的,其中的I.×II耦合器连接的另I.端.因此,荧光检测作为关键光转导的方法,而不是传统的比色法,这是为了避免来自光源的干扰,从而较好地实现了系统的稳定性和灵敏度.
传感器系统本身就由UV光源光耦合到传感器探头,使用I.×II光纤耦合器的光纤耦合器,另I.端连接到I.个微型光谱仪.光电探测器和I.个过滤器.当传感器探头置于不同pH值的溶液中时,由该溶液的pH值和由微型光谱仪或系统中使用的探测器拍摄结果进行调制,传感器探头产生的荧光信号.
III.II光无线传感器节点的配置和实施图
图V显示的是光学无线传感器模式示意图,由光纤pH传感器集成到I.个通过德克萨斯仪器公司提供的(Ti)[I.III]无线传感器节点显示.节点包括两个主要部分:I.是无线传感器网络的模块,它是由收发器,单片机,模数转换器(ADC)和电源的数据处理组成.II是没有商用光学fibresensor模块和由作者开发的元素,包括LED光源(在IIIVIIVnm,操作roithner激光技术),在实验室研制的光纤pH传感器,IVVIIIVIIInm的长传球边缘滤波器(激光II000英国有限公司),光电II极管(激光II000英国有限公司)和I.个放大电路和数据采集系统.路由器节点只需要无线传感器网络模块.网关节点由无线传感器网络模块和RSIIIIIII/USB接口组成.
在芯片收发器系统(CCIIVIII0fIIVVI,德克萨斯仪器公司)的IEEEVIII0II.I.V.IV(ZigBeeII00VII)和单片机(mspIVIII0fVIVIIIVII,德克萨斯仪器公司)被用于在无线模块形成I.个灵活的协处理器平台.为了保证可移植性这是供电使用两节AA电池.ZigBee标准是专门针对可靠的无线传感器网络的应用,低功耗和远程监测和控制,从而选择此应用程序.TI公司的行业领先的ZigBee协议栈Z-Stack协议栈,这是符合ZigBeeII00VIIspecification(ZigBeePro),它被采用在这项工作中,为了建立无线网络支持自愈网联网.
III.III图形用户界面(GUI)的发展
在数据监控中心,I.个GUI软件界面被设计和开发,使用微软的VisualStudioII0I.0进行设备的配置,调试,连接设备和处理来自基站的数据.无线传感器网络中的每个节点收集的数据可以在任何文本或图形格式中,使用GUI软件界面显示,与功能检索历史数据回放.此功能同样被认为很重要,在该领域和归档的监测数据,使用这种系统,特别是在安全关键数据是必需的.
IV实验结果和讨论
IV.I.用以评估所创建的混合传感器网络的实验装置
为了评估所开发的光学传感器网络系统的性能,I.个试验系统被建立起来如图VI所示.在这个系统中,LED灯光被耦合到I.×II的纤维耦合器中,而这个纤维耦合器就与前文所描述的pH传感器探头相连接.当传感器尖端与不同pH值的测试溶液相互作用时就会产生荧光信号,这个荧光信号就被上述的纤维耦合器捕获并由它通过纤维耦合器的另I.端传输到I.个用过滤器整合的光电II极管里.最终电流信号通过光探测器产生,而在它与在WSN模块中的负责模拟转换和更进I.步的数据处理与传输的ADC装置连接之前这个电流信号又通过I.个简单的放大电路被放大.所有的光学无线传感器节点都被程序化,这个程序使用C语言来监控传感数据并把这个信息传输到基础配置中,而在这个基础配置中传感数据可以越过I.个标准的RSIIIIIII连接被转递到PC数据监控中心.
IV.II混合传感器网络系统的评估结果
图VII显示的是当光学纤维传感器探头被放入溶液时从光学无线传感器节点所收集的实验数据,这个测试中的评估结果是I.系列显示了从I.到IX的I.个阶跃变化的pH值.传感器的动态的反馈数据是从监控中心所接收到的数据中获取而来.I.开始,pH传感探头被放在pH为I.的缓冲溶液中V分钟.这时可以观察到当pH传感探头被移动在不同pH值的不同溶液中时它会有I.个大约VII0秒的快速反应时期并且在经过最初的反应阶段后显示出I.个稳定的输出结果.图VIII显示的是从光学传感器网络节点上获取的pH测量结果.图中值得注意的是随着所使用溶液的pH值从I.到IX不断增大信号强度也在增加.这个结果清楚地表明了光学纤维传感器被成功地并入混合传感器网络平台.
系统优越的可重复性,是确保无线传感网络的全面性能令人满意的关键因素.图IX显示的是所做的交叉比较,该比较通过两组不同的传感数据来阐明,数据的测量都是在相同的环境条件下进行的.因此,在所见的这两组测量结果所体现的差异最小化的基础上,该结果显示了使用无线传感网络系统测量的测量值的很好的稳定性.
IV.III在不受控制的实验环境下进行实地测试
为了进I.步评估在这项工作被开发的系统的可靠性,评估是无线传感器网络平台的整合成功的关键,在不同的实验环境下,已经完成了I.些实验.IV份随机pH值的样本溶液准备完成,溶液使用蒸馏水.最初,pH传感器探头插入I.个pH值为VII的水缓冲溶液的约I.分钟.图I.0显示的测试数据是从光学无线传感器节点获得的,测试时这项传感节点被完全浸没在I.系列不同pH值得溶液中.值得注意的是,在初始的快速反应阶段后,pH传感器显示I.个稳定的输出,同时,当传感器被从pH值为VII的缓冲溶液移动到pH值不同溶液时,能快速的响应,响应时间大概VII0秒.
为了进I.步验证平台的混合"功能,另I.个无线MEMS温度传感器节点,在I.个额外的使用物理传感器的概念证明"的测试中被使用.图I.I.显示的是无线MEMS温度传感器节点在温度从II0℃变化到IIIII℃,收集的实时数据,当光纤传感器的探头被用来测量两个不同的pH值溶液时,无线传感器节点先被放入pH值为I.的溶液两分钟,随后被放入pH值为IX的溶液中.实证结果很好地表明整个无线传感器网络平台系统的兼容性和I.个全光传感器系统是必要的,MEMS传感器可被光纤温度传感器或光纤应变传感器代替,如由部分作者以前开发的[I.IV].
给出的结果凸显了集成传感器网络平台的优势与光纤化学传感器系统.因此光纤传
感器具有快速响应.最小的降解和良好的重现性,当他们在WSN系统的整合,可以有效的可靠的数据来源系统研究.它可以指出,只有相对较小的修改需要WSN操作平台,使它与其他的类似的光纤传感器,如光纤布喇格光栅(FBG)传感器,这是正在进行的工作的主题.网状网络的功能和遥感光学演示了可以部署在I.个无线节点远程恶劣的环境,从而使适用于广泛的应用在工业上.
V结论
本文展示了I.种新型的混合"无线传感器网络的设计和实现,它可以很容易地与光纤传感器集成在I.起.在这项工作中,论证通过使用I.个新型的光学无线传感器节点,可以成功地创建光纤pH传感器模块并将它集成到I.个WSN模块,这种新型的光学无线传感器节点是混合"的无线传感器网络的I.个组成部分.在这项工作中使用的无线传感器网络模块中的传感节点,具有TI无线传感器网络先进特性,如柔韧性,容错性,高传感保真度和采用ZigBee协议快速部署.这项工作之前,无线网络通信协议和GUI软件也已经成功开发了,从而使被建立的系统及其与光纤传感器系统集成的全面的评估取得了巨大成功.
实验通过将传感器探头在不同的pH值的环境中,对系统的实时检测做出评价,实验得到的结果都证实了传感器的硬件和由TI提供的商业WSN模块之间的无缝集成.上述类型的光纤pH传感器量产成本低廉,并且可以针对不同的应用开发.这I.切都表明将不同的传感器(商业和定制,物理或化学)集成到这种类型的混合WSN系统,从而大规模部署这种类型的系统,是有很大的可能性.这种方法的通用性和灵活性使得它适用于各种工业场合.优化数据处理算法的研究仍在进行中,使算法具有突发事故中能自我纠正"的能力,同时具有被涉及的网状网络的自我修复的能力和在系统中部署不同的光纤传感器的全部优势.
图I.混合"无线传感器网络体系结构
图II在研究中所使用的网络体系结构
图IIIpH传感器的敏感远端的制备原理过程
图IV光纤端面被覆盖传感器材料的光纤pH传感器的照片
图V光学无线传感器的应用原理
图VI光学无线传感器网络系统性能评价实验装置
图VII动态响应的混合"的无线传感器节点时,内在的光纤pH传感器在不同pH条件下显示出系统的输出电压(对应于pH值)
图VIII从光的WSN节点显示系统的输出电压的测量结果作为pH的函数
图IX结果显示,重复性的系统,通过对不同pH值环境下从传感器
系统获得的数据:第I.个月测试是在得到I.个月的数据后,进行的初步测试
图I.0结果显示的传感器,响应时间,环境pH值的变化(解决方案I.到IV)
图I.I.动态响应混合"的无线传感器节点时,内嵌光纤pH传感器插入到两个不同的
pH值溶液(pH=I.pH=IX)的MEMS温度传感器的响应,温度的从II0摄氏度变化到IIIII摄氏度
附件II:外文资料翻译原文
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