专利名称：一种使用无线传感器网络的照度测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明测量装置，特别涉及一种使用无线传感器网络的照度测量系统。
背景技术：
照明测量是为了检验照明设施的照明效果是否符合相关标准或特定设计的要求，或对不同照明设施的照明效果进行比较。测量的内容包括室内或室外作业面或地面的照度、反射比、亮度、照明现场的色温和显色指数等。其中，照度测量是照明测量中的重要内容，在一次测量中需要对照明区域内多个测量点的照度进行测量。根据国家标准(GB/T5700-2008)的要求，一般将照明区域划分为矩形网格，网格单元宜为正方形，测量点的布置可以选择中心布点法或四角布点法。所谓中心布点法是将所有网格单元的中心作为测量点，而四角布点法是将所有网格节点作为测量点。当进行室内照明测量时，根据建筑的类·型，测量点间距一般在O. 5m IOm之间选取；当进行室外照明测量时，根据道路或作业区类型，测量点间距一般在2m IOm间选择。测量点的数量随照明区域面积的增大和测量点间距的减小而增加，例如，当照明区域长度为40米，宽度为10米时，如果取测量点间距为5米，采用四角布点法，则测量点数量为27个；如果取测量点间距为2米，采用中心布点法时，测量点数量将达到100个，而采用四角布点法时，测量点数量会达到126个。目前在照明测量中普遍采用的照度测量方法是使用传统照度计，人工逐点测量。传统照度计包括一个或多个探头和一个主设备，探头与主设备之间通过电缆连接。当进行多点测量时，使用单探头的照度计逐点测量效率较低；如果使用多个探头，虽然可以同时读取多点的照度，但由于需要使用大量的连接电缆，操作仍然比较繁琐。当需要重复测量时，使用传统照度计的测量时间会成倍增加，工作量较大。为了提高照度测量的效率，有厂商开发了无线照度计，但由于性能和成本原因，并没有得到广泛使用。近年来，短距离、低功耗无线通信技术日趋成熟，为开发低成本的无线测量系统奠定了基础。有文献(中国专利CN102355750)公开了一种无线照度测量系统，使用Zigbee和GPRS技术实现测量数据的无线远程传输，由于测量数据需要通过移动通信网络传输至GPRS服务器，因此在移动通信网络未覆盖的区域无法使用。另外，使用这样的系统也需要向移动通信公司支付费用。使用无线技术传输测量数据的照明测量系统需满足如下要求
O具有与传统测量仪器相同的测量精度和量程；
2)具有系统控制功能。系统应为用户提供适当的操作手段，使其可以向系统中各个节点发送指令，启动或终止数据采集过程、查询节点状态、设置节点工作方式等。3)具有可靠的长距离传输性能。在照明测量中，很多情况下需要测量地面的照度，当节点放置在地面时，射频信号在传输过程中衰减显著，如果被测照明区域的面积较大，则距离较远的节点可能无法将数据直接发送到主机。为此，应采用合适的具有转发机制的多跳网络协议。当系统中所有节点同时发送测量数据时，相互冲突的概率增加，转发节点出现拥塞的概率也会增加。为此，除了介质访问层的防冲突机制外，还应采取适当的传输控制机制，提高数据传输的可靠性。4)使用电池供电的测量节点可以长时间工作。当以无线方式传输数据时，在照度测量系统中需要使用大量以电池供电的测量节点，应采取适当的措施减少节点的功耗，使用户无需频繁更换电池。由于无线通信消耗的能量远高于微处理器和测量电路工作的能耗，因此如何减少不必要的通信量是需要解决的关键问题。

发明内容
本发明是针对传统照明测量方法效率低、工作强度大的问题，提出了一种使用无线传感器网络的照度测量系统，通过无线传输测量数据，并在现场完成数据处理和输出测量结果，可以显著提高照明测量的效率，减少工作量。本发明的技术方案为一种使用无线传感器网络的照度测量系统，包括主机和无 线传感器网络，无线传感器网络包括一组传感器节点和一个收集节点，收集节点与主机连接，接收主机发出的指令，并将指令发送给无线传感器网络中的各个传感器节点；收集节点接收无线传感器网络中各传感器节点发送的测量数据或状态信息，并将数据发送给主机。所述无线传感器网络中的各个节点之间使用射频信号相互通信，每个节点具有唯一的网络地址，该地址在节点使用前被写入节点内部的地址存储器。所述无线传感器网络使用分发协议和汇集协议两种网络层协议，分发协议用于传送主机通过收集节点向传感器节点发送的指令；而汇集协议用于传送传感器节点向收集节点发送的测量数据和状态信息。所述无线传感器网络中分发协议为多跳网络协议，包括如下具体的机制
1)版本更新机制收集节点发出的每一条指令都用版本信息标识，当一个传感器节点接收到一个包含新指令的信息包后，会更新所保存的版本信息，并执行相应的指令；
2)转发机制收到包含新指令的信息包的所有节点都可以转发信息包，但仅在满足条件时才会转发；
3)抑制机制各节点转发信息包的条件是在规定的时间窗中收到包含相同指令的信息包的次数未超过阈值，或者接收到邻近节点发出的包含低版本信息的信标；
4)自适应信标广播机制各个节点周期性广播信标，其中包含自身收到的指令的版本信息，广播的周期从设定的最小值开始，每次广播后，周期值增加I倍，直到达到规定的最大值。当一个节点收到一个包含新版本信息的信标时，将广播周期重新置为最小值。所述无线传感器网络中汇集协议亦为多跳网络协议，网络拓扑呈树状，收集节点为根节点，其他节点根据其与根节点的距离和通信链路质量分布在网络拓扑的各个层次；各个传感器节点即可以通过网络发送自身测量的数据或状态信息，也可以转发其他节点发送的信息包；当一个传感器节点发送包含测量数据或状态信息的信息包时，它从邻居节点中选择链路质量最好的节点作为父节点，以单播方式向该父节点发送信息包；当一个节点接收到一个发送给该节点的信息包时，如果该节点不是收集节点，则该节点将向其父节点转发该信息包；如果该节点为收集节点，则一次测量数据或状态信息的传送成功完成，收集节点将所收到的测量数据或状态信息发送给主机；无线传感器网络中各个节点根据每次发送和接收信息包的情况动态更新反映该节点与邻居节点通信链路质量的参数。所述无线传感器网络的网络层与应用层之间有传输控制层，根据应用层发送的信息包的类型，以不同的方式进行传输，对于并发信息包，传输层等待一个缓冲时间后再发送数据；对于其他信息包，传输层立即发送。所述并发信息包是指在一次照度测量或网络测试过程中，要求所有传感器节点都发送的信息包。所述缓冲时间与节点的标识符相关，节点的标识符值越大，其缓冲时间越长。所述传感器节点包括主控电路、光电探测器、测量电路、通信电路、状态指示电路、电源和天线，所述光电探测器包括光电传感器、V ( λ )修正器和余弦修正器。主控电路运行传感器节点程序，控制测量电路、通信电路和状态指示电路，光电传感器产生的信号通过测量电路送入主控电路，主控电路通过通信电路和天线发送和接收数据。所述主控电路可以采用以单片机或嵌入式处理器为核心的微控制器及其外围电路构成。所述通信电路包括射频收发器和阻抗匹配电路，射频收发器具有总线接口电路，用于在射频收发器和主控电路之间传输控制、状态信息和数据，也可以采用主控电路和射频收发器集成的形式。所述测量电路包括测量放大电路、滤波电路、模/数转换器和温度测量电路，测量放大电路包括运算放大器、电流/电压变换电路和量程切换电路，光电传感器信号依次经过测量放大电路和 滤波电路进入模/数转换器，模/数转换器输出信号送主控电路，也可以使用在微控制器内部集成的模/数转换器实现模/数转换，温度测量电路包括温度传感器和相应的检测电路，温度测量电路输出温度测量值作为修正照度测量结果的参数送入主控电路，所述状态指示电路，包括多个LED灯及其驱动电路，用于指示传感器网络节点的状态，包括通信状态、供电和异常状态指示。所述收集节点包括收集节点主控电路、收集节点通信电路和收集节点天线，收集节点主控电路通过收集节点通信电路和收集节点天线接收和发送数据，收集节点通信电路包括包括射频收发器和阻抗匹配电路，收集节点主控电路可以采用微控制器和射频收发器分离的形式，也可以采用微控制器和射频收发器集成的形式，收集节点还包括接口电路、电源电路和状态指示电路，收集节点通过接口电路与主机通信，也通过接口中的电源线路获得供电，电源电路对主机提供的电源信号进行调整，然后再提供给收集节点的其他部分电路，收集节点主控电路根据节点状态输出信号到状态指示电路。所述照度测量系统的主机是微型计算机，具有外部总线接口，通过外部总线接口与收集节点通信，也通过外部总线接口向收集节点供电。本发明的有益效果在于本发明使用无线传感器网络的照度测量系统，不依赖于移动通信网络，可以满足室内、外各种场合照明测量的需要。发送指令和测量数据分别使用不同的网络层协议，通过使用可靠的网络协议使控制指令可以发送到网络中所有节点，通过使用汇集协议使网络中所有测量节点都可以转发数据，而不需要专门的路由节点，从而减少了传感器网络中节点的数量。通过使用传输控制机制可以减少重发次数以及由于拥塞而丢弃的信息包的数量，从而降低节点功耗，提高数据传输的可靠性。采集过程由主机控制，传感器节点只有在接收到启动指令的条件下才会发送测量数据，从而减少通信量，延长使用时间。总之通过无线传输测量数据，并在现场完成数据处理和输出测量结果，可以显著提高照明测量的效率。


图I为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统结构示意 图2为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统中显示了一个由汇集协议形成的网络拓扑的不意 图3为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统中传感器节点原理框 图4为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统中使用集成方案的传感器节点的原理框 图5为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统中收集节点原理框 图6为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统进行照度测量的操作流程图；
图7为本发明使用无线传感器网络的照度测量系统分步测量示意图。
具体实施例方式如图I所示使用无线传感器网络的照度测量系统结构示意图，系统包括主机3和无线传感器网络，无线传感器网络包括一组传感器节点I和一个收集节点2。传感器节点I的数量由测量点的数量确定，最少为I个，最多不超过无线传感器网络可以容纳的节点数量。由于一个使用16位网络地址的无线传感器网络最多可以容纳6万余个节点，因此完全可以满足常规照明测量的需要。收集节点2通过接口与主机3连接，可以接收主机3发出的指令，并通过无线网络将指令发送到各个传感器节点I ;收集节点2也接收各个传感器节点I发送的测量数据或状态信息，并发送给主机3，用户4操作主机3。无线传感器网络传输数据的可靠性和效率是影响无线照度测量系统实用性的关键因素。本发明使用射频信号传输数据和状态信息，可以使用与IEEE802. 15. 4标准兼容的物理层和MAC (介质访问控制)层协议，物理层的O-QPSK调制技术和直接序列扩频技术可以提高传感器网络抗干扰的能力，而MAC层的信道检测和防冲突机制以及接收应答机制能够提高通信的效率和可靠性，并为网络层估计链路质量提供依据。每个节点具有唯一的网络地址，网络地址在节点使用前被烧录在节点内部的存储器中，在照明测量过程中，该地址保持不变。本发明使用两种网络层通信协议，其中，分发协议用于传送主机发出的指令，汇集协议用于传送传感器节点I向主机3上传的测量数据或节点状态信息。以照度测量中的数据采集过程为例，收集节点2接收到主机3发出的启动命令后，调用分发协议的接口命令向传感器节点发送指令，分发协议使指令可靠地发送到网络中所有节点。各传感器节点I接收到命令后，开始测量照度，测量完成后，调用汇集协议的接口命令向上级节点发送数据。所述的分发协议为可靠的多跳网络协议，能够将一个节点发出的信息包可靠地传送到网络中的所有节点。该协议使用以下机制，在实现可靠通信的同时，也能减少不必要的转发通信量。I)版本更新机制，收集节点2发送一条指令时，会在包含指令的信息包中加入版本信息，当一个传感器节点I接收到一个包含新指令的信息包后，会更新自身存储的版本信息，并执行相应的指令；2)转发机制，接收到包含新指令的信息包的每个传感器节点I都可以转发所收到的信息包，但只有满足特定条件时节点才会转发信息包，所述特定条件由抑制机制设置；3)抑制机制，接收到包含新指令的信息包的节点在两种条件下会转发信息包，一是在规定的时间窗中收到包含相同指令的包的次数未超过阈值，二是接收到邻近节点发出的包含低版本信息的信标；4)自适应信标广播机制，无线传感器网络中各个节点周期地广播信标，其中包含各节点最新收到的指令的版本信息，广播的周期从设定的最小值开始，每次广播后，周期增加I倍，直到达到规定的最大值。达到最大值后，信标广播周期不再增加，当一个节点收到一个包含新版本信息的信标时，将广播周期重新置为最小值。所述汇集协议也是多跳网络协议，为降低通信开销，采用尽力传送的策略，即网络层不保证数据传送成功，但会尽力发送或转发数据。运行所述汇集协议的网络的拓扑为树型结构，图2显示了一个由汇集协议形成的网络拓扑的示意图，收集节点2为根节点，各传感器节点I根据其与根节点的距离和通信链路质量分布在网络拓扑的各个层次。各个传感器节点I即可以通过网络发送自身测量的数据或状态信息，也可以转发其他节点发送的信息包。当一个传感器节点I发送包含测量数据或状态信息的信息包时，它从邻居节点中选择链路质量最好的节点作为父节点，以单播方式向该父节点发送包含测量数据或状态信息的信息包。当一个节点接收到一个发送给该节点的信息包(即该信息包的目标地址与该节点的网络地址相同)时，如果该节点不是收集节点，则该节点将向其父节点转发该信息包；如果该节点为收集节点2，则一次测量数据或状态信息的传送成功完成，收集节点2将所收 到的测量数据或状态信息发送给主机3。在网络中发送的信息包分为数据包和路由包，数据包中含有测量数据或状态信息，路由包中含有路由和链路质量信息。无线传感器网络中各个节点根据每次发送和接收信息包的情况动态更新反映该节点与邻居节点通信链路质量的参数，以便使节点能够根据链路质量，及时调整下一跳目标结点，从而使网络保持较高的传输效率。在一个照度测量系统中可能需要使用数量较多的传感器节点，当在较短时间内同时采集所有节点的测量数据时，节点发送过程相互冲突的概率明显上升，导致重发数量增力口，通信效率和可靠性降低。为此，本发明在网络层与应用层之间使用传输控制层，根据应用层发送的信息包的类型，以不同的方式进行传输。对于并发信息包，传输层等待一个缓冲时间后再发送数据；对于其他信息包，传输层立即发送。所述并发信息包是指在一次照度测量或网络测试过程中，要求所有传感器节点都发送的信息包。所述缓冲时间与节点的标识符相关，节点的标识符值越大，其缓冲时间越长。可以使用节点的16位网络地址作为节点标识符。通过设置缓冲时间，网络中并发信息包的传输过程被分为若干个时隙，在每个时隙中，各种类型信息包的发送相互冲突的概率显著降低，因网络拥塞丢弃的信息包的数量和重复发送的次数也显著减少，从而有效提高传输的效率和可靠性，降低节点功耗。如图3所示传感器节点原理框图，所述传感器节点I包括主控电路12、光电探测器10、测量电路11、通信电路13、状态指示电路14、电源15和天线16。光电探测器10由V( λ )修正器、余弦修正器和光电传感器构成。可以采用以单片机或嵌入式处理器为核心的微控制器及其外围电路构成主控电路，各种微控制器都集成了大容量的片内存储器，可以满足存储程序和数据的要求。可以选用的微控制器包括但不限于MSP430、Atml28和ΡΧΑ270
坐寸ο通信电路13包括射频收发器和阻抗匹配电路。射频收发器实现实现射频信号的发送和接收，包括对信号进行调制、解调、编码和解码处理。射频收发器具有总线接口电路，用于在射频收发器和主控电路之间传输控制、状态信息和数据。有多种类型的射频收发器可以选用，例如CC2420和CC2520.也可以采用主控电路和射频收发器集成的形式，如图4所示使用集成方案的传感器节点的原理框图，一些片上系统(SoC)芯片(如CC2430和CC2530)内部集成了微处理器内核、射频收发器和大容量的存储器，使用这类芯片可以简化设计，并减小传感器网络节点的体积。为提高信号强度，在通信电路中可以使用功率放大电路，如使用CC2591将CC2430输出的信号的功率提高至22dBm.
传感器节点的照度测量功能由光电传感器和相应的测量电路完成，计量性能可以满足标准(GB/T 5700-2008)的要求。光电传感器选用光电二极管或硅光电池与V ( λ )修正器集成封装的形式，光电传感器置于余弦修正器内。测量电路11包括测量放大电路、滤波电路和模/数转换器，其中，测量放大电路包括运算放大器、电流/电压变换电路和量程切换电路。运算放大器选用零漂移的精密放大器；量程切换电路包括多路开关和电阻网络，多路开关由主控电路控制，能够根据所测量的照度的大小自动调整量程。测量放大电路与滤波电路结合，使本发明能够达到标准要求的测量精度和分辨力，并具有与传统照度计相当的照度测量范围。可以使用在微控制器内部集成的模/数转换器实现模/数转换功能。光电传感器的灵敏度会随环境温度变化，为提高测量精度，传感器节点I还具有温度测量电路，用于测量环境温度，依据温度测量值可以对照度测量结果进行修正。温度测 量电路包括温度传感器和相应的检测电路。传感器节点I也具有状态指示电路14，包括多个LED灯及其驱动电路，用于指示传感器网络节点的状态，包括通信状态、供电和异常状态指示。在网络测试过程中，供电指示LED灯开启，通信状态指示灯在节点发送或接收数据时开启，否则处于关闭状态。而在照度测量过程中，各LED指示灯关闭。仅在出现异常时，异常指示灯才开启。传感器节点I的电源15由电池和驱动电路组成，可以使用不可重复充电的电池，也可以使用可重复充电的镍氢电池或锂电池。当使用锂电池时，驱动电路具有稳压功能，并提供充电接口。传感器节点I中运行的软件实现通信协议、测量和状态指示功能。测量功能包括测量数据读取、处理和发送。状态指示包括电池的供电电压、通信状态和节点故障指示，其中电池电压值通过网络发送到收集节点2，再由收集节点2发送给主机3。通信状态和节点运行故障通过LED灯指示。软件以传感器网络操作系统为基础，采用分层结构，具有休眠机制，工作原理为调度程序循环检查任务队列，如果队列不为空，则执行队列中的任务；当任务队列为空时，进入低功耗状态，直到一个休眠周期结束。如图5所示收集节点原理框图，收集节点3包括主控电路21、通信电路23和天线24。与传感器节点I类似，可以采用微控制器和射频收发器分离的形式，如主控电路使用MSP430，而通信电路23使用CC2420 ;也可以采用微控制器和射频收发器集成的形式，如使用集成了微控制器和射频收发器的CC2430或CC2530。收集节点2也具有接口电路20、电源电路25和状态指示电路22，收集节点3通过接口电路20与主机3通信，也通过接口中的电源线路获得供电，接口电路20可以采用标准的USB接口电路形式，也可以通过使用附加的驱动电路将USB接口转换为RS232串行通信接口。电源电路25对主机3提供的电源信号进行调整，然后再提供给收集节点的其他部分电路。收集节点2中运行的软件实现通信协议、数据接收与发送、指令发送和状态指示功能。数据接收与发送功能包括接收网络中各传感器节点I发送的测量数据和状态信息，以及将所接收到的数据发送给主机3。与传感器节点I类似，收集节点2的软件也是在操作系统的基础上实现。所述照度测量系统的主机3是微型计算机，可以是台式计算机或便携式计算机，便携式计算机适用于各类照明测量，特别是进行现场照明测量时，使用便携式计算机比较方便。台式计算机适用于在固定场所对不同灯具的照明效果进行测量。主机3通过USB接口与收集节点2通信，也通过USB接口向收集节点2供电。可以按照标准的USB接口规范与收集节点2通信，也可以将USB接口转换为RS232串口，按照RS232串行通信接口的规范与收集节点2通信。主机3中运行照明测量软件，具有网络测试、数据采集与处理、输出测量结果、系统设置和传感器节点标定功能。所述网络测试功能包括节点布局显示、节点联网状态显示和节点供电电压显示。数据采集与处理包括数据采集过程的启动和终止、数据输入、处理、测量结果显示与存储。系统设置用于设置测量系统的工作方式，包括测量和通信方式与参数。标定功能用于对传感器节点进行标定，也采用无线方式传输采样数据。本发明用于现场照度测量，通过无线网络传输测量数据，并在现场完成数据处理，从而提高工作效率。本发明满足标准规定的照明测量的技术要求，可以替代传统照度测量仪器和测量方法。 如图6所示进行照度测量的操作流程图。使用所述照度测量系统测量照度的方法如下
I)布置传感器节点将各传感器节点放置在被测区域中规划好的测量点位置，可以按照国家标准中规定的测量点布局方法放置传感器节点，也可以根据实际需要灵活地在需要测量照度的位置放置传感器节点。2)开启主机和无线传感器网络中各个节点，建立网络。接通主机和各个节点的的电源，收集节点和传感器节点在上电复位后会自动运行软件，并建立网络连接；主机上的测量软件由操作员手动启动。3)测试网络操作员使用测量软件设置节点布局，然后运行网络测试程序，主机向收集节点发送测试指令，收集节点向网络中所有节点发送该指令；各个传感器节点收到指令后，将各自的状态信息发送给收集节点，再由收集节点发送给主机，主机根据接收到的信息显示各个传感器节点的状态，包括联网状态、供电电压和故障情况，根据所显示的状态，进行必要的更换电池或节点的操作。4)采集数据操作员运行照明测量软件的测量程序，启动数据采集过程。主机向收集节点发送启动测量的指令，收集节点将该指令发送给网络中所有传感器节点。各个传感器节点接收到启动测量的指令后，开始测量照度，连续采集规定次数的照度值后，求出平均值，然后将包含测量结果的信息包发送给收集节点，再由收集节点发送到主机。如果有节点未成功上传数据，主机将向未上传数据的节点发送重新上传指令。当主机接收到所有传感器节点的数据时，数据采集过程完成。由于仅在接收到主机的指令时，传感器节点才进行测量并发送测量数据，因此可以减少传感器节点的能耗，延长使用时间。采集过程的终止当所有传感器节点均成功上传了测量数据时，采集过程正常终止。操作员也可以在采集过程中随时操作照明测量软件，调用终止采集程序，主机将通过收集节点发出终止指令，各传感器节点接收到该指令后，终止正在进行的数据采集操作。5)处理数据数据采集正常结束后，主机自动对测量数据进行处理，求出被测区域的最大值、最小值、平均值和均匀度等指标，根据相关标准得出被测对象是否达到标准要求的评价。根据各测量点的照度，计算出被测区域的照度分布。6)输出结果测量结果以表格和图形方式显示在主机屏幕上，图形方式包括等照度曲线、灰度图、彩色图和多种统计图。测量结果也会存储在主机的外部存储器中，供后续使用。7)系统设置操作员可以使用主机的测量软件对照度测量系统进行设置，包括传感器网络通信方式与参数设置、数据采集方式设置和主机与收集节点的通信方式设置。传感器网络通信方式与参数设置包括通信信道选择和各节点的信号输出功率设置；数据采集方式设置包括数据采集模式、数据采集周期、采集次数和采集总时间。所述数 据采集模式包括限定采集次数模式和限定采集总时间模式。当传感器节点I的数量少于需要测量的测量点数量时，也可以采用分步测量的方法，例如当现场有节点因电池电力耗尽无法使用时，可以采用剩余的节点完成测量，方法如下将所有测量点分为若干组，每组中测量点的数量不超过可用传感器节点的数量，分批测量各组测量点的照度，测量完所有组后，对全部测量点的测量数据进行处理，并输出测量结果。图7分步测量示意图，显示了一个分步测量的例子，测量区域被划分为5X8的网格，共40个测量点，现场有10个可用传感器节点，将所有测量点分为4组，图中具有相同序号的点表示同组的测量点。依次测量4组测量点的照度，然后对测量数据进行处理，并输出测量结果O使用本发明测量系统还可以进行进行连续采集，首先设置相应的采集模式、采集周期、采集次数或持续时间，然后向传感器节点发送包含启动命令和采集模式与参数的信息包，各传感器节点接收到该信息包后，开始按指定的方式进行照度测量，周期性地上传测量数据，当采集次数或持续时间到达预定值时，连续采集过程结束。所述照度测量系统也具有标定功能，用于对传感器节点进行标定，具体操作方法如下
在实验室中使用光度检定装置，将待标定的传感器节点和基准照度计依次放置在距离标准光源不同距离的位置，在每一个位置，分别读取基准照度计的测量结果和传感器节点的模/数转换结果，传感器节点的转换结果是通过收集节点发送到主机。数据采集完毕后，运行主机的照明测量软件的标定程序，求出传感器节点模/数转换器读数与照度之间的转换关系、残余标准差和相关系数。所述照度测量系统还具有系统复位功能，用于复位无线传感器网络中指定的节点。由于外界干扰的影响，无线传感器网络可能会出现通信异常或呈现低效的状态，网络拓扑的深度增大，导致传输延时增加，丢包率上升，此时，可以使用系统复位功能，具体操作方法如下
操作员操作主机的照明测量软件，调用复位程序，主机发送复位指令，指定节点收到指令后会复位，然后重新运行节点软件。可以复位传感器网络中任意节点，可以一次复位一个节点，也可以一次复位传感器网络中的全部节点。通过复位网络中的节点可以调整网络拓扑，使网络通信恢复正常，提高通信的效率。
权利要求
1.一种使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，包括主机和无线传感器网络，无线传感器网络包括一组传感器节点和一个收集节点，收集节点与主机连接，接收主机发出的指令，并将指令发送给无线传感器网络中的各个传感器节点；收集节点接收无线传感器网络中各传感器节点发送的测量数据或状态信息，并将数据发送给主机。
2.根据权利要求I所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述无线传感器网络中的各个节点之间使用射频信号相互通信，每个节点具有唯一的网络地址，该地址在节点使用前被写入节点内部的地址存储器。
3.根据权利要求I所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述无线传感器网络使用分发协议和汇集协议两种网络层协议，分发协议用于传送主机通过收集节点向传感器节点发送的指令；汇集协议用于传送传感器节点向收集节点发送的测量数据和状态信息。
4.根据权利要求3所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述分发协议为多跳网络协议，包括如下具体的机制 1)版本更新机制收集节点发出的每一条指令都用版本信息标识，当一个传感器节点接收到一个包含新指令的信息包后，会更新所保存的版本信息，并执行相应的指令； 2)转发机制收到包含新指令的信息包的所有节点都可以转发信息包，但仅在满足条件时才会转发； 3)抑制机制各节点转发信息包的条件是在规定的时间窗中收到包含相同指令的信息包的次数未超过阈值，或者接收到邻近节点发出的包含低版本信息的信标； 4)自适应信标广播机制各个节点周期性广播信标，其中包含自身收到的指令的版本信息，广播的周期从设定的最小值开始，每次广播后，周期值增加I倍，直到达到规定的最大值； 当一个节点收到一个包含新版本信息的信标时，将广播周期重新置为最小值。
5.根据权利要求3所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述汇集协议亦为多跳网络协议，网络拓扑呈树状，收集节点为根节点，其他节点根据其与根节点的距离和通信链路质量分布在网络拓扑的各个层次；各个传感器节点即可以通过网络发送自身测量的数据或状态信息，也可以转发其他节点发送的信息包；当一个传感器节点发送包含测量数据或状态信息的信息包时，它从邻居节点中选择链路质量最好的节点作为父节点，以单播方式向该父节点发送信息包；当一个节点接收到一个发送给该节点的信息包时，如果该节点不是收集节点，则该节点将向其父节点转发该信息包；如果该节点为收集节点，则一次测量数据或状态信息的传送成功完成，收集节点将所收到的测量数据或状态信息发送给主机；无线传感器网络中各个节点根据每次发送和接收信息包的情况动态更新反映该节点与邻居节点通信链路质量的参数。
6.根据权利要求I所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述无线传感器网络的网络层与应用层之间有传输控制层，根据应用层发送的信息包的类型，以不同的方式进行传输，对于并发信息包，传输层等待一个缓冲时间后再发送数据；对于其他信息包，传输层立即发送； 所述并发信息包是指在一次照度测量或网络测试过程中，要求所有传感器节点都发送的信息包；所述缓冲时间与节点的标识符相关，节点的标识符值越大，其缓冲时间越长。
7.根据权利要求I所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述传感器节点包括主控电路、光电探测器、测量电路、通信电路、状态指示电路、电源和天线，所述光电探测器包括光电传感器、V( λ )修正器和余弦修正器，主控电路通过运行传感器节点程序，控制测量电路、通信电路和状态指示电路，光电传感器产生的信号通过测量电路送入主控电路，主控电路通过通信电路和天线发送和接收数据。
8.根据权利要求7所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述主控电路可以采用以单片机或嵌入式处理器为核心的微控制器及其外围电路构成。
9.根据权利要求7所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述通信电路包括射频收发器和阻抗匹配电路，射频收发器具有总线接口电路，用于在射频收发器和主控电路之间传输控制、状态信息和数据，也可以采用主控电路和射频收发器集成的形式。
10.根据权利要求7所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述测量电路包括测量放大电路、滤波电路、模/数转换器和温度测量电路，测量放大电路包括运算放大器、电流/电压变换电路和量程切换电路，光电传感器信号依次经过测量放大电路和滤波电路进入模/数转换器，模/数转换器输出信号送主控电路，也可以使用在微控制器内部集成的模/数转换器实现模/数转换，温度测量电路包括温度传感器和相应的检测电路，温度测量电路输出温度测量值作为修正照度测量结果的参数送入主控电路。
11.根据权利要求7所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述状态指示电路，包括多个LED灯及其驱动电路，用于指示传感器网络节点的状态，包括通信状态、供电和异常状态指示。
12.根据权利要求I所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述收集节点包括收集节点主控电路、收集节点通信电路和收集节点天线，收集节点主控电路通过收集节点通信电路和收集节点天线接收和发送数据，收集节点通信电路包括包括射频收发器和阻抗匹配电路，收集节点主控电路可以采用微控制器和射频收发器分离的形式，也可以采用微控制器和射频收发器集成的形式，收集节点还包括接口电路、电源电路和状态指示电路，收集节点通过接口电路与主机通信，也通过接口中的电源线路获得供电，电源电路对主机提供的电源信号进行调整，然后再提供给收集节点的其他部分电路，收集节点主控电路根据节点状态输出信号到状态指示电路。
13.根据权利要求I所述使用无线传感器网络的照度测量系统，其特征在于，所述照度测量系统的主机是微型计算机，具有外部总线接口，通过外部总线接口与收集节点通信，也通过外部总线接口向收集节点供电。
全文摘要
本发明涉及一种使用无线传感器网络的照度测量系统，包括主机和由一组传感器节点和一个收集节点组成的无线传感器网络，主机与收集节点连接，收集节点将主机的指令发送给无线传感器网络中的各个传感器节点；收集节点接收无线传感器网络中各传感器节点发送的测量数据或状态信息，并将数据发送给主机。无线传感器网络使用两种网络层协议，通过分发协议使控制指令发送到网络中所有节点，通过使用汇集协议使网络中所有测量节点都可以转发数据，不需要专门的路由节点，减少了传感器网络中节点的数量。通过使用传输控制机制减少重发次数以及由于拥塞而丢弃的信息包的数量，降低节点功耗，提高数据传输的可靠性。本发明能够显著提高照明测量的效率。
文档编号G01J1/00GK102892212SQ20121035905
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者施伟斌, 范坤坤, 黄亦辰, 乐燕芬, 苏胜君, 袁明辉, 李瑞祥 申请人:上海理工大学