（控制理论与控制工程专业论文）基于短距离高速无线通信盐度监测系统的设计研究.pdf

学位论文版权使用授权书 !jiii i i i i i i i li l i l l l ii l l l l l l u1 1 y 1810 0 3 6 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱在2 - 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 学位做作者签名：拿 签字日靼砂笏钐月日 磨 寸 导师签名宕i 墨秆 导师签名：。i 多坷i 签字日期：绣年6 月z 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：爹哮 e l 期：2 伤参月i ie l 分类号卫2 1 鲢：! u d c 鱼2 1 ：兰 硕士学位论文 密级 编号 基于短距离高速无线通信盐度监测系统的设计研究 d e s i g na n ds t u d y t h es y s t e mo fs a l i n i t ym e a s u r e m e n t b a s e do ns h o r t - d i s t a n c ea n dh i g h - s p e e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n 申请学位级别亟学科( 专业)控制理诠皇控剑王猩 论文提交日期2 q q 垒生垒且论文答辩日期2 q q 垒生鱼旦 学位授予单位和日期江菱太堂 答辩委员会主席 评阅人 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文针对现有的盐度检测仪表在数据通信方面的不足，设计了一个基于短距 离高速无线通信的智能盐度检测系统，并构建了一个无线传感器网络，对盐度进 行多点检测。 本文设计的基于短距离高速无线通信盐度检测系统包括数据采集、处理单元 和无线数据通信单元。在数据采集端，根据电导率法测量盐度的原理，设计了盐 度测量电路，并通过m u l t i s i m9 电路仿真软件对设计的电路进行仿真。由于温度 影响溶液的导电性，从而影响盐度的测量值，所以必须对测量值进行温度补偿。 为此，设计了一种采用p t l 0 0 热电阻测量温度的电路。在数据处理时，采用最小 二乘法对测量数据进行拟合，并利用m a t l a b 的函数拟合工具得到最佳的函数关 系。在数据通信端，设计了基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信模块，实现采集数 据的高速无线传输。数据采集单元将采集的盐度和温度数据经过处理后发送到接 收端显示，接收端通过r s 2 3 2 总线将数据传到上位机。 在实现了点对点的数据采集与传输之后，本文设计了一种基于查询回复式 的无线传感器网络，该网络由一个监控中心、一个或多个汇聚节点和若干个传感 器节点组成。汇聚节点和其覆盖范围内的传感器节点采用星形的网络拓扑结构。 监控中心通过汇聚节点向传感器节点发送采集数据命令，传感器节点在收到命令 后采集数据并发送给汇聚节点然后汇聚节点再将数据发送到监控中心，完成节 点的数据采集。 实际调试结果表明，本文设计的盐度测量方案，能够实现自动的温度补偿， 舰0 量精度较高；基于n r f 2 4 0 1 的短距离高速无线通信模块，通信速率最高为 i m b p s ，通信距离可达6 0 m ；基于查询回复式的无线传感器网络，网络结构简 单，数据通信量小，电源能量消耗少，运行稳定，实现了盐度的多点实时检测。 关键词：盐度，温度，最小二乘拟合，短距离无线通信，无线传感器网络 江苏大学硕士学位论文 u 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt os i t u a t i o nt h a t t h ei n s u f f i c i e n c i e so fd a t ac o m m u n i c a t i o ni nt h e s a l i n i t yi n s t r u m e n t a t i o n ，as y s t e mb a s e do ns h o r t d i s t a n c ea n dh i g h s p e e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e dt od e t e c ts a l i n i t yi nt h i sp a p e r , a n dt h e naw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ki sc o n s t r u c t e dt or e a l i z et h em u l t i p o i n td e t e c t i o no fs a l i n i t y t h es y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e ri n c l u d e sd a t ac o l l e c t i o nu n i t ，d a t ap r o c e s s i n g u n i ta n dd a t ac o m m u n i c a t i o nu n i t i nt h ep a r to fd a t ac o l l e c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l e so fs a l i n i t y m e a s u r e m e n tb yc o n d u c t a n c em e t h o d ，ac i r c u i to fs a l i n i t y m e a s u r e m e n ti sd e s i g n e da n ds i m u l a t e da tm u l t i s i m9c i r c u i ts i m u l a t i v ep l a t f o r m a s ar e s u l to ft h e t e m p e r a t u r e i n f l u e n c e s c o n d u c t i v i t yo fw a t e ra n ds e q u e n t i a l l y i n f l u e n c e st h es a l i n i t y , w ea l s om e a s u r ei n s t a n t a n e o u st e m p e r a t u r ea n dr e m o v eo f fi t s i n f l u e n c eo ns a l i n i t y i no r d e rt og e tao p t i m a lf u c t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t ，t h e l e a s ts q u a r em e t h o di su s e dt od e a lw i t hm e t r i c a ld a t ab ym a t l a b i nt h ep a r to fd a t a c o m m u n i c a t i o n ，t h ep r o c e s s e dd a t ai st r a n s m i t t e dt h r o u 【g hn r f 2 4 0 1 ，ar fc h i p ，t h e n d i s p l a y e do nl c d a n ds e n dt op ct h r o u g hr s 2 3 2 a f t e rt h em e a s u r e dd a t at r a n s m i s s i o nf r o mp o i n tt op o i n th a sr e a l i z e d ，t h ep a p e r d e s i g n saw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e do nq u e r y r e s p o n d i ta d o p t ss t a r - s h a p e d t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e a n dc o n s i s t so fm a n yn o d e s ，o n eo rm o r es i n k sa n do n e m o n i t o r i n gc e n t e r t h em o n i t o r i n gc e n t e rs e n dac o m m a n d o fc o l l e c t i n gd a t at on o d e s t h r o u g ho n e o fs i n k s ，t h e nt h en o d e sc o l l e c ta n ds e n dd a t at oas i n k a n dt h es i n ks e n d c o l l e c t e dd a t at om o n i t o r i n gc e n t e r t h ea c t u a ld e b u g g i n gi n d i c a t e st h a tt h em e a s u r e m e n tc i r c u i to fs a l i n i t yd e s i g n e d i nt h i sp a p e rh a sah i g hp r e c i s i o no fm e a s u r e m e n t ，t h ed a t ar a t eo ft h i ss h o r t d i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nu n i ti s1m b p sa n dt h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei sa b o u t6 0 m e t e r s ，a n dt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s eo nq u e r y r e s p o n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r h a sr e a l i z e dm u l t i p o i n ta n dr e a l - t i m ed e t e c t i o no fs a l i n i t y t h en e t w o r kh a ss i m p l e s t r u c t u r e ，l i t t l ec o m m u n i c a t i o nd a t a ，l o w e rp o w e rc o n s u m i n ga n ds t e a d yr u n n i n g k e y w o r d s ：s a l i n i t y , t e m p e r a t u r e ，l e a s ts q u a r em e t h o d ，s h o r t d i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ! i l 江苏走学硕士学位论丈 i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 盐度的概念及其发展演变1 1 1 1 克纽森盐度公式l 1 1 21 9 6 9 年电导盐度定义1 1 1 31 9 7 8 年实用盐标2 1 2 舱度测量方法及影响哉度测量的因素3 1 2 1 折射率法4 1 2 2 电导率法5 1 2 3 比重法7 1 2 4 光纤测量的新方法7 1 2 5 影响盐度测量的因素8 1 3 短距离无线数据通信技术8 1 3 1 射频技术9 1 3 2 蓝牙技术：9 1 3 3 、m f i 技术9 1 3 4i r d a 技术1 0 1 3 5z i g b e e 技术1 0 1 3 6u w b 技术1 0 1 4 无线传感器网络技术1 1 1 5 本课题研究的目的和意义1 2 1 6 本论文的内容安排。1 3 第2 章数据采集单元的电路设计1 5 2 1 本课题测量盐度的方案1 5 2 2 盐度测量电路。：1 5 2 2 1 测量电源的设计1 5 2 2 2 线性分压电路和滤波放大电路1 8 2 2 3 整流滤波和差分放大电路2 l 2 3 温度检测电路2 2 2 4 本章小结2 3 第3 章盐度检测系统的标定2 5 v 江苏大学硕士学位论文 3 1 最小二乘法的基本原理和多项式拟合2 5 3 1 i 最小二乘法的基本原理一2 5 3 1 2 多项式拟合一2 6 3 2 温度的标定2 8 3 3 盐度的标定2 9 3 4 温度补偿的实现3 2 3 4 1 传统的温度补偿方法3 2 3 4 2 利用单片机进行软件补偿3 3 3 5 本章小结3 3 第4 章短距离无线通信模块的软硬件设计3 5 4 1 模块的总体结构设计3 5 4 2 无线通信模块的硬件选型3 5 4 2 1 无线收发芯片的选型3 5 4 2 1 1n r f 2 4 01 的主要特点3 6 4 2 1 2n r f 2 4 0 l 芯片封装与引脚功能3 7 4 2 1 3n r f 2 4 0 1 的工作模式3 9 4 2 1 4n r f 2 4 0 1 的配置状态字4 l 4 2 2 微控制器( m c u ) 的选型4 2 4 3 无线通信模块的硬件电路设计一4 3 4 3 1 射频电路设计4 4 4 3 2 单片机和n r f 2 4 0 1 的接口电路4 5 4 3 3 单片机和上位机的接口电路4 7 4 3 4 接收端液晶显示电路。4 8 4 3 5 系统电源部分设计4 9 4 4 无线通信模块的软件设计5 0 4 4 1n r f 2 4 0 1 状态配置模块的软件设计。5 0 4 4 2n r f 2 4 0 1 数据发送模块的软件设计。5 1 4 4 3n r f 2 4 0 1 数据接收模块的软件设计5 2 4 4 4 串口通信模块的软件设计5 2 4 5 射频模块的p c b 设计及软件调试方法二。5 3 4 5 1 在制板时应注意的问题5 3 4 5 2 制板时采取的措施一5 4 江苏大学硕士学位论文 4 5 3 软件调试5 5 4 6 本章小结5 5 第5 章基于无线传感器网络的盐度监测系统的实现5 7 5 1 无线传感器网络的体系结构5 7 5 1 1 传感器结构5 7 5 1 2 传感器网的体系结构5 8 5 1 3 传感器网的拓扑结构5 9 5 2 无线传感器网络的路由协议6 0 5 2 1 平面结构的传感器网络路由协议6 0 5 2 2 分层结构的传感器网络路由协议6 2 5 3 无线传感器网络m a c 协议6 3 5 4 本课题传感器网络体系结构设计6 4 5 5 通信协议设计6 6 5 5 1 工作流程。6 6 5 5 2 程序实现及说明。6 8 5 6 上位机监测界面的设计7 1 5 7 本章小结7 2 第6 章结论与展望7 3 6 1 结论7 3 6 2 展望7 3 参考文献7 5 致1 谢。7 9 在校期间发表的论文及科研工作8 1 附录。8 3 v n v m 江苏大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 盐度的概念及其发展演变 盐度简单的讲就是在水溶液里溶解的盐的量。在海水的盐度测量中，常用到 绝对盐度的概念【。绝对盐度是指海水中溶解的物质( 含多种无机盐) 质量与海 水质量的比值。要精确的测定海水中的绝对盐度是一件十分困难的事情，长期以 来人们对此进行了广泛的研究和讨论【劫。随着盐度的测定方法的变化和改进，在 实际应用中引入了相应的盐度定义。 1 1 1 克纽森盐度公式 1 9 0 2 年，克纽森( k n u d s e n ) 等人建立了基于化学分析方法的盐度定义，当 时的盐度定义是指在l k g 海水中，当碳酸盐全部变为氧化物，溴和碘用氯代替， 所有的有机物质全部氧化之后所含固体物质的总数，即所有的无机盐都转换成氧 化物和氯化物后的固体物质总数【3 】。其测量方法是取一定量的海水，加盐酸和氯 水，蒸发至干，然后在3 8 0 和4 8 0 的恒温下干燥4 8 小时，最后称所剩余固体 物质的重量。用上述的称量方法测量海水盐度，操作十分复杂，测一个样品要花 费几天的时间，不适用于海洋调查。因此，在实践中都是测定海水的氯度，根据 海水的组成恒定性规律，来间接计算盐度，氯度与盐度的关系式( 克纽森盐度公 式【3 1 ) 如下： s = 0 0 3 0 + 1 8 0 5 0 x c l ( 1 1 ) 克纽森的盐度公式使用时，用统一的硝酸银滴定法和海洋常用表，在实际工 作中显示了极大的优越性，一直使用了7 0 年之久。但是，在长期使用中也发现， 克纽森的盐度公式只是一种近似的关系，而且代表性较差：滴定法在船上操作也 不方便。于是人们寻求更精确更快速的方法。 1 1 219 6 9 年电导盐度定义 在6 0 年代初期，英国国立海洋研究所考克思( c o x ) 等人从各大洋及波罗的 江苏大学硕士学位论文 海、黑海、地中海和红海，采集了2 0 0 m 层以前的1 3 5 个海水样品，首先应用标 准海水，准确地测定了水样的氯度值，然后测定具有不同盐度的水样与盐度为 3 5 0 0 0 9 6 0 、温度为1 5 的标准海水、在一个标准大气压下的电导比( r ，) ，从而 得到了盐度与相对电导率的关系式，又称为1 9 6 9 年电导盐度定义f 2 3 l ： s 0 = 1 8 0 6 5 5 c ( 1 2 ) s = o 0 8 9 9 6 + 2 8 2 9 7 2 0 r t s + 1 2 8 0 8 3 2 7 1 s ( 1 3 ) 一1 0 6 7 8 6 9 r t 5 3 + 5 9 8 6 2 4 r 1 5 4 1 3 2 31l r 5 5 电导测盐的方法精度高，速度快，操作简便，适于海上现场观测。但在实际 运用中，仍存在着一些问题：首先，电导盐度定义的上面两个盐度公式仍然是建 立在海水组成恒定性的基础上的，它是近似的。在电导测盐中校正盐度计使用的 标准海水标有的氯度值，当标准海水发生某些变化时，氯度值可能保持不变，但 电导值将会发生变化。其次，电导盐度定义中所用的水样均为表层，不能反映大 洋深处由于海水的成份变化而引起电导值变化的情况。最后，国际海洋用表中的 温度范围为1 0 , - - - , 3 l ，而当温度低于1 0 时，电导值要用其它的方法校正，从 而造成了资料的误差和混乱。 为了克服盐度标准受海水成分影响的问题，建立了1 9 7 8 年的实用盐标【4 j ( p s s 7 8 ) 。 1 1 319 7 8 年实用盐标 实用盐标依然是用电导的方法测定海水的盐度，与1 9 6 9 年电导盐度定义的 不同之处是：它克服了海水盐度标准受海水成分变化的影响问题。在实用盐标中 采用了高纯度的k c i ，用标准的称量法制备成一定浓度( 3 2 4 3 5 7 9 6 0 ) 的溶液，作为 盐度的准确参考标准，而与海水样品的氯度无关，并且定义盐度：在一个标准大 气压下，1 5 c 的环境温度中，海水样品与标准k c i 溶液的电导比： 墨，：塑墨堕韭：l ( c 表示电导率) ( 1 4 ) ” c ( 3 2 4 3 5 7 ，1 5 ，o ) 则该样品的实用盐度值精确地等于3 5 ，若k ，l ，则实用盐度的表达式为 s = 口，墨，“2 ( 1 5 ) 2 江苏大学硕士学位论文 s 为实用靛度符号，是无量纲的量，如海水的怂度值为3 5 0 ，实用盐度记为 3 5 ，式( 1 - 5 ) 中k 。，可用r 。，代替，墨，是在大气压力下，温度为1 54 c 时，海水样品 与盐度为3 5 昵o o 的标准海水的电导比。 式( 1 - 5 ) 中：a o = 0 0 0 8 0 ，a l 一- 0 1 6 9 2 ，a 2 ，2 5 3 8 5 1 ，a 3 ；1 4 0 9 4 1 ， 口。一7 d 2 6 1 ，a 5 = = 2 7 0 8 1 , 荟口j 。3 5 雩用范围为2 sss4 2 。 对于任意温度下海水样品的电导比的盐度表达式1 5 石l 为： s 一骞q b “2 + 揣耋包辟“2 c - 6 ， 式中第二项为温度修正项，系数a 与公式( 1 5 ) 中的相同，系数6 ：分别为： 6 0 0 0 0 0 5，b lt - 0 0 0 5 6 ，b 2 一- 0 0 0 6 6 ，6 3 一- 0 0 3 7 5 ，b 4 = - 0 0 6 3 6 ， 也_ o 肼4 4 荟6 ：f = o 0 0 0 0 ，k i o 0 1 6 2 一2 s 丁s3 5 ) 。 1 2 盐度测量方法及影响盐度测量的因素 因生产和生活的需要，人们对盐度的测量很早就丌始了。1 9 0 1 年，由克纽森 等人提出了一种测量盐度的化学方法，又简称硝酸银滴定法1 7 j 。其原理是，在离 子比例恒定的f j i 提下，采用硝酸银溶液滴定，通过麦克伽莱表查出氯度，然后根 据氯度和盐度的线性关系确定水样的盐度。在当时，不论在操作上，还是就其滴 定结果的精确度来说，都是令人满意的。 随着盐度测量技术的发展，特别是在1 9 6 9 年电导盐度定义和1 9 7 8 年实用盐 标使用以后，人们根据盐溶液的物理性质( 光学性质、电化学性质和宏观力学性 质) ，发展了多种测量方法，包括折射率法、电导率法和密度法，近年来发展了 微波遥感法，以及通过测量r a m a n 光谱偏斜率来测量盐度的方法1 8 l 。根据赫溶 液的光学性质，电化学性质和宏观力学性质，发展了三种主要的也是现在最为常 用的盐度测量方法一折射率法、电导法和比重法。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 折射军法 折射率是溶液的重要特性参数，是溶液浓度的直接表征。几乎所有溶液的折 射率都随着浓度单调变化，因此得到了溶液的折射率数值也就相应的知道了其浓 度值，对于无机盐溶液即盐度。在液体折射率测量方法中，常用的有通过测量光 线透过三角形样品池的最小偏转角法；通过测量液体和棱镜交界处的临界角法： 通过测量光线透过棱镜上v 形槽中的液体时的偏转角法i 引。其中v 棱镜法测量 精度较高，既可测量棱镜，又可测量液体。下面对基于v 棱镜法的液体折射率测 量原理做简单的晚明l l o l 。 b n d n c 力八 心 、弋 石n 图卜l 折射率法测量原理框图 典型的测量方法如图l l 所示，折射率为疗的棱镜浸在液槽中折射率为他的 待测液体中，束平行底边的光线在棱镜a b 面上入射角为，经棱镜b c 面和 液体c d 面折射后，以驴角出射。经简单推导即可得到n 、一，与口、卢和驴的关 系： 刀；以正五忑巧i 磊焉万= 丽i 巧而 ( 1 7 ) 其中，0 = s i g n s i n ( s i n 驴n 。) ，s i g n 为符号函数，当出射光线向下偏时( 如图1 一l 中情形) ，取正号，否则取负号。此式中假定空气折射率为l 。同理也可以通过 其反函数求心。该方法的关键是棱镜折射率数值的精确确定和入射角的合适选 择。 上述方法是适用于棱镜和溶液的折射率测量的通用方法，实际中的盐度计要 用两块有相同接触面的棱镜，即图中a b 面和b c 面是形状相同并且平行的，待 测溶液夹在这两个面中间，形成一个两面平行的薄膜，以利于光路安排和减小仪 器体积。 。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 电导率法 1 9 7 8 年的实用盐标解除了氯度和盐度的关系，直接建立了盐度和电导率比的 关系。由此电导法测量盐度成为更实用更标准的方法，新材料的出现和电子技术 在此方面的应用也使得这种方法更为准确和方便。基于电导率原理的盐度测量又 分为两种方式：电极式和感应式。通过电导池内外的单匝海水回路把两个同轴的 环形变压器耦合起来，利用耦合程度与海水电导率成比例的原理进行测量，并采 用电路自动补偿的这种盐度计为感应式盐度计；电导池上装有两个或两个以上的 电极( 最典型的是装有一对电流极和一对电位极的四电极传感器) 直接测量电导 率，并采用恒温控制设备，免除电路自动补偿的盐度计称为电极式盐度计。 电导率是电解质溶液的一个固有特性，它直接反映溶液中相应离子的浓度。 无机盐溶液导电的根本原因正是溶液中的离子，因此溶液导电性的好坏与无机离 子浓度正好相关，可以通过测量电导率来间接测量溶液浓度( 盐度) 。按电极在 测量电路中的位置，电导法可以分为以下三种类型【7 j ： ( 1 ) 交流分压法 电极及溶液构成的等效阻抗与一个分压电阻串联，从电极两侧或分压电阻两 侧取电压。取出的电压信号经放大、整流、滤波电路进一步处理得到反映被测溶 液电导率大小的直流信号。由于分压电阻的取值可以根据需要灵活配置，这种测 量方法具有测量范围灵活可调的优点，是一种相当成熟且应用广泛的测量方法。 电导池 图1 - 2 交流分压法测量原理框图 交流分压原理如图1 2 所示，当交流电压作用于电导池时，电导池可视为一 纯电阻，由原理图可得如下关系式： e = e x 如f i r + r ) = e xr m “+ j ik ) ( 1 8 ) 式( 1 8 ) 中：疋为溶液电阻，如为分压电阻，e 为测量的交流电压信号，e 。 江苏大学硕士学位论文 为测量信号在分压电阻上的分压值，j 为电极常数，足为溶液的电导率。当e 和 如一定时，瓯随着溶液电导率的变化而变化。通过测量l 的大小，就可以得 到溶液电导率的大小。 。 ( 2 ) 电流法 这种方法的电极一般连接在运放的输入端，激励信号源在电极对间产生一个 与被测电导成线性关系的电流，此电流流经一个标准采样电阻产生一个正比于被 测电导的交变电压信号，对此交变信号进行放大、整流、滤波等处理就可以得到 反映被测电导大小的直流电压信号。 i fr f 图1 - 3 电流法测量原理框图 由图1 3 可得下式： l = f , r , = e g = e xk j = 圪q ( 1 9 ) 式( 1 9 ) 中：l 为流经电导池的电流，g 为溶液电导，圪为运放输出电压，髟 为反馈电阻。上式说明，把一定幅度的电压加在电导池两端，流经溶液的电流大 小取决于溶液的电导率大小。电流的测量可通过输出电压得到，变换式( 1 9 ) 可得到式( 1 1 0 ) ： k = 鲁鲁 ( 1 1 0 ) 因此，当外加电压、电极常数及放大倍数一定时，溶液的电导率与运放输出电压 圪成正比。只要测量圪的大小，就可以反映出被测溶液的电导率的大小。 ( 3 ) 电桥测量法 电极和导电溶液的等效阻抗构成平衡电桥或不平衡电桥的一个桥臂，电桥的 输出反映待测溶液电导率的变化情况。这种方法测量灵敏度高，测量范围比较小， 通常仅用于实验室分析。 6 江苏大学硕士学位论文 c j l0 总 侈? a i 一 翩 一 b o 图1 - 4 电桥法测量原理框图 图1 - 4 中墨为标准交流电阻，a d b 为线性比例桥臂，当电桥平衡时，有以下 关系式成立： 疋= 墨l , o l o b ( 1 1 1 ) 因此，当电桥平衡时，通过测量比例桥臂的比值，就可以得到溶液的电导值。 1 2 3 比重法 海洋学中广泛采用比重的定义，即一个大气压下，单位体积海水的重量与同 温度同体积蒸馏水的重量之比。由于海水比重和海水密度密切相关，而海水密度 又取决于温度和盐度，所以比重计的实质是：从比重求密度，再根据密度、温度 推求出盐度。 因为海水中所含盐分的主要组成成分的相对比例是一致的，所以这种原理制 作的盐度计在要求不高的情况下也是可取的。虽然因海洋具体环境的不同使得测 量精度不如电导法和折射率法高，但由于它原理和仪器的制作都相对简单，不需 要电源和光源，不消耗试剂，成本低，使用方便，因此仍在一定范围内有作用， 并且还有所发展。 1 2 4 光纤测量的新方法 近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感器开始应用到科研生产的各个 方面。把光纤传感器应用在盐度测量上的主要方法有两种：剥层光纤法和光纤光 栅法【i l 】。前者是通过测量溶液折射率间接测量盐度的：后者是利用其应力透 射反射光谱特性，即在应力作用下，光纤光栅的周期发生伸长或缩短，从而反 7 江苏大学硕士学位论文 射光谱的中心波长也随着改变，实现了传感。 这两种测量盐度的方法都具备光纤传感器的一般优点：不受电磁干扰，适合 远距离测量，敏感部分无电子元件，不怕腐蚀，寿命较长，可靠性较高。但从原 理上看，两者的共同弱点是都容易受到外界应力的影响，外界虚力是一个主要干 扰源，而且十分敏感，外界应力又可由温度环境和偶然振动引发，因而距离实际 应用还有相当的差距。 1 2 5 影响盐度测量的因素 影响盐度测量的因素主要有以下两种： ( 1 ) 温度对盐度测量的影响 对溶液盐度影响最大的外在因素是温度，温度直接影响溶液中电解质的电离 度、溶解度、离子迁移速度、溶液的粘度、膨胀度等，从而对盐度有直接的影响。 这就要求在测量盐度时必须进行温度补偿。对于某一固定的水溶液，其盐度几乎 随温度线性地增加。但是，不同溶液、不同温度下其温度补偿系数是不同的。因 此，测量盐度时应采取合理的温度补偿措施。 ( 2 ) 压力对盐度测量的影响 压力影响水溶液的浓度、粘度，致使电导率发生变化，从而影响盐度的测量 值。但压力对电导率的影响十分复杂，尤其是在深海精确测量海水盐度时，压力 的影响十分重要，海洋工作者根据测量的数据拟合了经验公式。但在一般应用场 合，比如水环境检测、水产养殖中，可以不考虑压力的影响。 1 3 短距离无线数据通信技术 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无 线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米到几百米以 内，就可以称为短距离无线通信【1 2 l 。目前应用比较广泛的短距离无线通信技术 主要有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、无线局域网晰一f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 和红外数据传输i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，红外线数据标准协会) ，同时还 有一些具有发展潜力的标准，如z i g b e e 标准、u w b ( u l t r aw i d eb a n d ，超宽带无 线技术) 、n f c ( n e a gf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，近距离无线通信技术) 、w i m e d i a 江苏大学硕士学位论文 ( w i r e l e s sm u l t i m e d i a ，无线多媒体技术) 等。 1 3 1 射频技术 射频( r a d i of r e q u e n c y ，简称i u ) 技术是一种无线通信技术，其利用电磁波 为载波来传输信息。r f 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的 w l a n 用不同频率。其产品既可工作在1 8 - 1 9 g h z 的特许频带，也可以在低功 率的情况下工作于i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l ，工业科学医学) 频段。在 中等衰减的建筑物中，r f 信号一般可穿透一至三堵强。它可用于室外、开放或 封闭的室内办公室环境。目前使用的射频芯片大多工作在4 3 3 8 6 8 9 1 5 2 4 0 0 m h z 频段。在2 4 g h z 的高频段，服务器与终端之间的通讯速率可达1 2 m b p s ，而且 这个频段由于干扰小，在绝大部分国家都不受无线管制【1 3 l 。 1 3 2 蓝牙技术 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，目的是取代电缆， 实现多种电子设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接。其传输频段为全 球通用的2 4 g h zi s m 频段，采用1 6 0 0 m h z 的快速跳频扩频技术，传输速率为 1 m b p s ，具有很强的抗干扰能力。其标准有效传输距离为1 0 m ，增加放大器可将 数据传输距离增加到1 0 0 m 。但蓝牙的芯片价格较高，传输距离太短，还存在安 全漏洞【1 4 】 1 3 3w i f i 技术 、m f i 无线高保真技术是i e e e 8 0 2 1 l 标准的统称，其最高速率 ( i e e e 8 0 2 1l g ) 可达5 4 m b p s ，符合测试系统和个人信息化的需求。虽然在数据 安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却较强，可达1 0 0 m 左右。 w i f i 网络的架构十分简单，在测试系统的前端等数据采集接口的地方设置 “热点后，只需要将支持无线局域网的笔记本拿到该区域内，便可以接收其信 号，高速接入因特网。但w i f i 技术标准复杂，各技术存在差异和冲突，而技 术方却尚未达成一致，技术的安全问题也成为最大隐患。 9 江苏大学硕士学位论文 1 3 4lr 1 ) a 技术 i r d a 是一种利用红外线进行点对点的数据传输协议，是第一个实现无线个 人局域网( p a n ) 的技术。通信距离一般在0 到l 米之间，传输速率最快可达 1 6 m b p s ，通信介质为波长9 0 0 纳米左右的近红外线。其传输具备小角度( 3 0 度锥 角以内) ，短距离，直线数据传输，保密性强，传输速率较高的特点，适于传输 大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的使用权，成本低廉。i r d a 已 被全球范围内的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提供对它的支持。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准， 中间不能被其他物体阻隔，因而只适用于两台( 非多台) 设备之间的连接。 1 3 5z ig b e e 技术 z i g b e c 是一种短距离、架构简单、低功耗且低传输速度的无线通信技术，其 有效覆盖范围在1 0 - - 7 5 m 之间，工作于可选择的免费8 6 8 m i - i z 9 1 5 m h z 2 4 g h z i s m 频段，传输速率为2 5 0 k b p s 。z i g b e e 技术提供了数据完整性检查和鉴权功能， 采用a e s 1 2 8 加密算法，安全性很高。丽且协议简单、成本低、时延短、网络 容量大。可见，z i g b e e 在构建低成本无线网络上有很大的发展潜力，能够提供 经济高效的低功耗无线连接，可以满足市场的需求。 无论是与蓝牙还是与w i f i 相比较，z i g b e e 技术都具有优势。但是由于 z i g b e c 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了它适合于承载数据 流量较小的业务。 1 3 6t r l b 技术 u w b 技术是另一种新发展起来的无线通信技术。u w b 通过基带脉冲作用于 天线的方式发送数据。窄脉冲( 小于l n s ) 产生极大带宽的信号。脉冲采用脉位 调制或二进制移相键控调制。u w b 被允许在3 1 - 1 0 6 g h z 的波段内工作。它主 要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。 除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高的( 大于1 0 0 m b p s ) 的l a n s 或p a n s 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 u w b 最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网( p a n s ) 。 考察现有的无线通信方式，8 0 2 1 l b 和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据： 5 4 m b p s 速率的8 0 2 1 l g 标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而u w b 有可能在 1 0 m 范围内，支持高达l1 0 m b p s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、 简单、经济的完成视频数据处理【障15 1 。 1 4 无线传感器网络技术 随着微电子技术、传感器技术、嵌入式技术以及无线通信等技术的飞速发展， 具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络得到越来越广泛的应用。无 线传感器网络( w s n ) 就是由部署在监测区域内大量微型的传感器节点通过无 线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知，采集和 处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给观察者【1 6 l 。 传感器网络的三要素是传感器、观察者和感知对象。传感器由电源、感知部 件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件几部分组成。观察者是传感器网络 的用户，是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其它 设备。感知对象是观察者感兴趣的监测目标，比如温度、湿度、光、压力等。无 线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与 自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩 展现有网络的功能和人类认识世界的能力1 1 7 】。 无线传感器网络通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域