硕士学位论文-无线传感器网络在楼宇温度监控系统中的应用研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 无线传感器网络在楼宇温度监控系统中的应用研究 姓名：郭燕红 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：魏晋宏 20100501 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 无线传感器网络在楼宇温度监控系统中的应用研究 摘 要 随着微机电系统、片上系统、无线通信技术、集成电路技术、传感器 技术以及低功耗嵌入式技术的迅速发展，无线传感器网络（wsn）作为一 种新型的测控网络，因其具有低功耗、低成本、分布式、自组织等特点， 在国内外许多研究领域备受关注，尤其在工业监控、智能楼宇、环境监测 等领域得到了广泛应用。 智能化楼宇综合了计算机技术、信息通信技术等先进技术，使建筑物 内的空调、照明等设备协调工作，不仅实现了楼宇的智能化控制，而且具 有显著的节能效果，符合国家提倡的节能减排政策。本文研究了基于无线 传感器网络的温度监控系统，实现了对楼宇空调的智能监控，主要内容如 下： 首先，节点的硬件电路设计。根据监控系统要实现的功能对节点进行 模块划分，并对所需的主要芯片进行选型。针对各个功能模块的特点进行 电路原理图以及 pcb 图设计，最终设计出性能稳定的硬件电路。传感器节 点主要包括：微处理器控制模块、温度传感器模块、无线射频模块和红外 发射模块，其中前三个模块分别采用 msp430、sht11、cc1020 芯片，而 红外发射模块则由驱动器件和红外发光二极管构成。 其次，整个监控系统的软件设计。使用 iar embedded workbench 3.41 开发工具完成监控平台节点的软件设计， 完成传感器节点的温度采集模块、 无线传输模块、红外遥控模块的相关应用程序设计；根据汇聚节点系统结 太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 构和需要实现的功能给出任务调度流程，编写各模块的应用程序，整合采 集的温度信息；使用 visual basic 6.0 进行上位机监控程序的设计，完成监 控平台的界面设计，实现监控平台的数据库管理、节点状态显示、历史曲 线查询等功能。 最后，对整个监控系统进行测试试验。将传感器节点放置在不同的测 试位置，通过串口/网口转换设备将汇聚节点与 pc 机连接，从而搭建温度 监控系统进行测试试验。试验表明，各个节点能够实时采集数据并可以实 现对所采信息的无线传输，能够对监控对象实施监控，达到了课题的预期 目标。 该研究不仅可以应用于智能楼宇温度监控系统，而且也可以应用于其 他布线困难的场景。 关键词：无线传感网络，单片机，cc1020，温度监测，红外遥控 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii application study of wireless sensor network in temperature monitoring system for intelligent buildings abstract with the rapid development of the micro-electro-mechanical systems, system on chip, wireless communication technology, integrated circuit technology, sensor technology and low-power embedded technology, the wireless sensor networks which is taken as a new kind of measurement and control network draw much attention in many research fields at home and abroad due to its low power consumption, low cost, distributed, and self-organizing. it has been widely applied in different fields such as industrial controls, intelligent building, environmental monitoring and so on. by comprehensive application of some advanced technologies such as computer, information and communication, intelligent building make facilities in buildings such as air-conditioning and lighting equipment work in a harmony way. it can not only realize the intelligent control for buildings, but also have a good energy saving effects in line with the countrys energy-saving emission reduction policies. in the paper, temperature monitoring system based on wireless sensor network was designed in order to realize intelligent control for 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv buildings. the detailed structure of the paper is listed as follow: first of all, the hardware circuit of the nodes was designed. according to the function of the monitoring system, the node was divided into four modules including microprocessor control module, temperature sensor module, radio frequency module and infrared transmitter module. the major chips of the first three modules selected are msp430, sht11 and cc1020, and the infrared transmitter module consists of driver component and infrared-emitting diode. the circuit schematic diagram and pcb drawing were designed according to the characteristics of all the functional modules, stable hardware circuit was achieved in the last. secondly, the software of the monitoring system was designed. with the iar embedded workbench 3.41 developement kits, the programs of sensor nodes and the sink node are designed. for the sensor node, it includes programs of temperature collection, wireless transmission, infrared remote control and so on. the sink node consists of some dispatch procedures in order to integrating temperature information according to the system structure and its function. on the basis of the visual basic 6.0 the monitoring program on the host computer was designed with the functions of database management, status display of the node, the history curve search and so on. finally, tests of the monitoring system were processed. placing the sensor nodes in different locations, linking the sink node and the pc with the serial port/lan switching equipment, the temperature monitoring platform was set up 太原理工大学硕士研究生学位论文 v in order to verify the function of the system. the experiments show that the nodes can collect real-time data and also transfer them by the wireless transmission, and the system can monitor the objects reliably. then the subject target is achieved. the research result can be not only applied in temperature monitoring of intelligent buildings, but also other scenes which have difficulties in wiring. key words: wireless sensor networks, mcu, cc1020, temperature monitoring, infrared remote control 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题的研究意义 现代社会对信息的需求越来越大， 作为信息化的重要组成部分智能化楼宇综合了计 算机技术、信息通信技术等先进技术，使建筑物内的空调、照明等协调工作，实现建筑 自动化、 通信自动化、 办公自动化等结构化布线系统、 结构化网络系统、 信息管理系统。 智能化楼宇对空调、照明等设备的有效控制，不但提供了舒适的环境，还有显著的节能 效果，调查显示节能可以达到 15%20%，符合国家不断推动发展节能低碳政策。 为了满足人们对精神生活的需求，空调在日常生活中得到了广泛的应用。科学实验 证明：人体感觉适宜的室内温度：夏季在 24 摄氏度与 28 摄氏度之间，冬季在 18 摄氏 度与 22 摄氏度之间。专家表示，对于静坐办公室或者正在进行轻度劳动的人来说，室 内可以接受的温度一般在27摄氏度与28摄氏度之间， 此时可以把空调设定为睡眠模式， 这样也可以节省用电，但在实际应用中很少有这样做的。国家规定的民用建筑节能条例 草案中，第 33 条对使用空调采暖、制冷的公共建筑实行室内温度控制制度。除特殊用 途外，对空调室内的温度规定如下： 夏季室内空调温度设置不得低于 26 摄氏度；冬季不得高于 20 摄氏度。 在提倡环保低碳的今天，虽然在使用空调时为了节能会采取各种不同的措施，但是 仍会出现种种浪费能源的情况。比如：把空调温度调的过低或者过高，甚至室内无人的 情况下不把空调关闭等等。智能化楼宇的出现为这些问题提供了解决之道，对空调的智 能化控制，有效地节约了能源，响应了国家节能低碳的号召。 作为楼宇智能化的重要组成部分，空调室内温度的采集是实现智能化的基础。由于 需要采集的信息点比较多，这样就造成了室内布线困难，因此使用无线模式获取信息解 决了布线的困难。 利用传感器节点和汇聚节点搭建无线网络能够很好的监控空调室内的 各种信息，比如：监测空调所在室内的温度、控制室内空调的开关等，这样对于节能环 保是很好的支持，将会有很大的帮助。 无线传感器网络（wireless sensor networks，wsn）就是将大量由传感器模块、微 处理器模块以及无线通信模块等模块组成的节点密集地散布在监测区域， 节点间以自组 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 织的方式构成无线测控网络。wsn 是一种全新的信息获取手段，能够实时采集监测区 域被控对象的信息，并把获取的数据信息传输到汇聚节点，经过汇聚节点的融合再传给 上位机来实现数据信息的存储和监测对象的控制等功能，有着广阔的应用前景。在预测 未来技术发展的报告中， 美国商业周刊和 mit 技术评论分别把 wsn 列为二十一世纪最 有影响力的二十一项技术之一和改变世界未来新兴十大技术之一22。 wsn 无需布线、成本低，能够在无人监控的条件下实时获取监控对象的各种信息， 并把采集的数据信息发送给监控平台进行分析和处理，对监测对象实施控制操作。据此 分析，可以在自制的节点中加入不同的传感器，用来获取不同的信息。比如：温度传感 器可以感测室内的温度，热释电红外线传感器可以感测室内是否有人，振动传感器可以 测试机械设备的振动参数等等。通过传感器来获取监测对象的信息，当被控对象测量值 达到设置的特定参数值时，对监控对象实施操作。这样一来能够节约资源、提高能源利 用率、能够对设备故障进行迅速的预测和诊断，从而可以提高机电设备的可用性、故障 诊断速度、修复效率等。因此，wsn 在机电系统智能化监控方面也有广泛的应用前景。 本课题就是利用新型的测控网络无线传感器网络，搭建温度监控平台。利用传 感器节点实时采集空调室内的温度，把采集的温度与设定值进行比较。当室内的温度不 在设定的温度范围内时，强制关掉空调，实现目标检测与跟踪，达到环保节能的目的。 传感器节点采集的数据信息发送至汇聚节点，通过汇聚节点处理后传送到上位机，上位 机实现数据信息的存储和对传感器节点的其他操作。 1.2 无线传感器网络简介 无线传感器网络（wsn）是一种新型的测控网络，最早研究来源美国军方。无线 传感器网络是当今国内外备受关注、许多学科高度交叉的前沿研究领域，其综合了传感 器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术、 现代网络技术以及无线通信技术等。通过各种集成化的传感器协作，实时监测、感知和 采集各种对象的信息，通过嵌入式操作系统对信息进行处理，自组织网络且以多跳的方 式把获取的信息进行处理并传送给终端用户。互联网为人们提供了快捷的通信平台，极 大的方便了人们之间的信息交流，而 wsn 扩展了人们的信息获取手段，将客观世界的 物理信息同传输网络连接在一起， 为人们提供最为直接、 最为有效、 最为真实的信息1。 整个 wsn 系统的节点大致可以分为两类：传感器节点和汇聚节点。传感器节点用 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 于采集监控对象的数据信息，并且将获取的数据信息通过路由传送至汇聚节点，不同的 路由协议对应不同的路由方式。 而汇聚节点主要作用是对传感器节点发送采集命令和收 集传感器节点的信息并进行处理、存储、通信等。其与远程监控平台通过无线网络，比 如：internet 网络或者卫星网络进行通信，从而对监控对象的信息进行分析，并作出相 应的处理2。无线传感器网络系统结构如图 1-1 所示。 远程监控中心 互联网及移动通信网络 传 感 器 节 点 11 汇聚节点1汇聚节点n 传 感 器 节 点 nm 传 感 器 节 点 n1 传 感 器 节 点 1m 图 1-1 无线传感器网络系统结构 fig.1-1 system architecture of wireless sensor network 传感器节点是微型的嵌入式系统，其在存储信息、数据处理和远程通信方面的能力 相对比较弱，一般采用电池供电。从网络功能上来分析，传感器节点除了进行本地信息 的采集和数据的处理兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能外， 还要对其它传感器 节点发来的数据进行相应的处理，比如：存储、管理和融合等。另外，还可能需要与其 他节点协作完成一些特定任务等等。 而汇聚节点相对于传感器节点而言， 在处理、 存储、 通信三方面的能力相对强一些。其是沟通监测区域与无线网络的渠道，实现两种区域之 间不同协议栈通信协议的转换，同时发布远程监控平台的监测任务。汇聚节点既可以看 作是具有增强功能的传感器节点，其具有足够的能量供给和更多的内存与处理资源，也 可以看作是没有监测功能只具有通信接口的特殊网关设备。 传感器节点随机地播散在监测区域，各个节点通过自组织的方式组成网络。但是传 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 感器节点的通信距离是非常有限的，一般在几米至几百米之内，大多数传感器节点没有 办法把获取的数据信息直接传送给汇聚节点， 这样一来就要求传感器节点与邻近的节点 能够直接通信，把数据先转发给其邻近的节点。其它传感器节点也采用这种逐跳的办法 进行数据信息的传输，也就是通过中间节点进行多跳传输。wsn 中多跳路由由传感器 节点来完成，并不需要专门的路由设备。因此，节点既可以是数据信息的发起者和接收 者，同时也可以是数据信息的转发者。由于传输距离的限制，采集的数据信息可能会被 多个节点进行处理，经过多跳后到汇聚节点，最后再通过互联网到达远程用户终端。用 户通过监控平台对 wsn 进行配置和管理：发布监测任务以及收集监测信息等。 1.2.1 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种“智能”型网络，与传统网络相比而言，wsn 具有自身的 优势同时也存在许多的问题。这对研究者或者在实际中应用来说都有很大的挑战。无线 传感器网络有如下几个特点3： 1采用空间位置寻址，节点数量大，密度高的无线网络 在无线网络中，为了保证网络的可用性和生存能力，在监测区域通常部署成千上万 的传感器节点甚至更多，从而使节点的密度很高。由于节点的数目很大而且网络中不支 持任意两个节点之间点对点的通信，以及每个传感器节点不存在唯一的标识，因而数据 传输过程中采用空间位置寻址。 2传感器网络的拓扑结构易变化，自组织的无线网络 由于不同因素的影响，搭建的 wsn 拓扑结构并不是固定不变的，比如：环境因素 或者电源因素等，同时由于节能的需要，节点要在工作模式和睡眠状态进行切换，其随 时可能会发生故障而失效或者在网络中添加新的节点， 这些都会使得网络的拓扑结构在 使用中发生变化。 另外， 如果传感器节点具备移动能力， 也必定会带来网络的拓扑变化。 这就要求节点具有自组织能力，各个节点之间能够自动实施管理和配置操作，可以相互 协调的建立连接。 3传感器节点的存储容量、计算能力和能量有限的无线网络 随着节点的微型化，一般而言在设计中传感器节点的能量由电池提供，其能量是非 常有限的，而且由于各种条件的限制，很难在使用的过程中来给传感器节点更换电池。 随着使用的进行，电能势必将会慢慢的耗尽，节点将会失去工作能力。因此节点的能量 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 限制是整个 wsn 设计的瓶颈，它直接决定了网络的寿命；另外，节点的存储能力和计 算能力比较低，使其无法进行大量的数据存储和复杂运算。 4传感器节点以数据为中心，具有数据融合能力的无线网络 传感器网络不同于传统的无线 mesh 网络系统，该无线网络是以数据为中心的。在 wsn 中并不是所有节点采集的数据信息都传送到信息中心进行处理。无线网络中由于 节点的数量非常大，一些节点就会获得相同的信息，因此节点采集的数据就会存在很大 的冗余。这样就增加了信息处理的难度，所以要求其中的一些传感器节点具有数据融合 能力，能够对多个节点采集的数据进行融合，使传输的数据量最小化，再传送给汇聚节 点。 融合可以减少冗余， 从而可以降低传输过程中的能量消耗， 进而延长了网络的寿命。 1.2.2 无线传感器网络体系结构的设计要求 综合已研究成果， 基于新的分布式应用与系统支持、 新的网络技术、 新的计算模式， 无线传感器网络体系结构设计中需要考虑的因素列举如下： 1节点资源有效利用 因为无线传感器网络由大量低成本的节点组成，其计算、存储、能量、带宽等资源 非常有限。有效的管理和使用这些有限的资源，最大限度的延长 wsn 的寿命是研究所 面临的一个关键挑战，需要在体系结构设计方面给予系统性考虑。能耗管理涉及研究的 许多方面包括：选择低功耗的器件、设计低功耗的协议等等。因为 wsn 各个层次和各 个功能模块之间是彼此联系的，为了优化功耗，所以需要各个功能模块之间必须同步， 即：同步休眠与唤醒。 2支持网内数据处理 wsn 有着与传统网络明显不同的地方：wsn 以数据为中心，传统网络则以传输数 据为目的。对于无线传感器网络而言，网络仅仅能够实现分组传输是不够的，有时需要 “网内数据处理”的支持。例如：多个传感器节点可能同时获取到了监测区域同一事件 的发生， 其分别产生数据分组并向汇聚节点发送。 汇聚节点只需收到它们中的一个即可， 其余分组数据的传输完全是多余的。如果能在中间传感器节点上进行一定的聚合、过滤 或者压缩，会有效地减小由于频繁传送分组数据所造成的能量开销4。 3支持协议跨层设计 在无线传感器网络系统开发设计过程中，研究人员为了同一个性能优化目标，而进 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 行协作将会非常普遍。这种优化设计使网络体系结构中各个层次的耦合变得更加紧密， 上层协议需要了解下层协议所提供的服务质量， 而下层协议的运行需要上层协议的支持 和指导。这种跨层设计的协议必定会增加体系结构设计的复杂度，但是实验证明其也是 提高系统整体性能的有效办法5。 4增强安全性 互联网体系结构设计的起初，没有充分考虑到网络安全方面的问题，这使得安全问 题成为互联网络目前面临的棘手难题之一。由于 wsn 采用无线通信方式，在信道中传 输缺少必要的保护，更易受到攻击和窃听。因此该网络在体系结构设计中应汲取互联网 的经验和教训，把安全方面的考虑放在一个重要位置，设计安全机制确保所提供的服务 是安全可靠的。 5支持多协议 互联网使用统一的 ip 协议来实现通信。然而，对于无线传感器网络而言，其形式 和应用具有多样性，传感器节点除了负责转发分组数据外，更重要的是进行“以任务为 中心”的数据处理，互联网端到端的通信方式并不合适，需要多协议支持6。另外，无 线传感器网络也只有接入未来的互联网中，才能更大范围内的实现数据共享。 6支持有效的资源发现机制 自组织的网络连接方式是 wsn 的一个特点，部署大规模的网络无法预先确定网络 的拓扑结构，最多能控制节点的密度和数量等宏观参数。在不久的将来人们希望能像互 联网络那样快速地定位各种网络资源，为用户提供方便可访问的链接。有的研究人员已 经提出根据传感器节点采集信息的属性进行编址， 在新的编址方案中体系结构还需要资 源发现机制给予必要的技术支持。 7支持容忍延时的非面向连接通信 wsn 的形式和应用需求是多样性的。除了具备实时监测功能以外，有些任务并不 太关心实时性，也就是对此要求不高。目前一般认为拓扑结构是静态或准静态的，随着 研究的进展和应用的深入，很有可能需要动态变化的拓扑结构应用场景。在缺乏物理连 通的条件下再要求实现实时通信存在着较大的困难，wsn 需要提供容忍延时的、非面 向连接的，通信模式。 8支持可靠的延时通信和开放性 对于执行实时监测任务的无线传感器网络而言， 设计的网络体系结构必须支持低延 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 时和可靠传输。因为节点放置在监测区域，物理环境的参数变化有可能是很迅速的，如 果网络协议不支持延时传输，获取的信息很有可能过期。开放性是系统保持旺盛生命力 的重要属性7，wsn 体系结构在设计过程中必须符合开放系统互联的原则，应具备充 分的开发性来包容已经出现或者可能会出现的新型测控网络。 1.3 无线传感器网络的发展现状和研究进展 1.3.1 无线传感器网络的发展现状 近年来国内外对 wsn 越来越广泛关注，尤其是其在国防军事、环境科学、医疗卫 生，灾害监测、交通管理、空间探索等领域巨大的潜在应用价值。国内外很多政府机构 和科研单位对 wsn 的研究投入也在不断加大，从而促进了其在研究方面的很大进步。 从国外的研究来看，美国在该方面进行了较深的研究。美国的著名高校，比如：加 州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、康奈尔大学、麻省理工学院等在 wsn 的基 础理论和关键技术方面已经进行了研究8。加州大学洛杉矶分校向 darpa 提交了研究 建议书，此举对 wsn 的发展具有里程碑的意义，同时其也开发了 wsn 模拟系统，用 于研究网络中出现的问题。另外，伯克利分校提出了基于相关性的数据编码模式、确定 节点位置的分布式算法及重构节点位置的方法等，并研制了一个基于 wsn 的操作系统 tiny os。南加州大学提出了部署移动节点的方法，节省能量的、计算聚集的、树结构 算法等45。麻省理工学院开始研究超低功耗 wsn 的方法和技术。针对 wsn 通信协议 的特殊性，康奈尔大学等高等院校开展了这方面的相关研究，提出了基于谈判类协议、 能量敏感类协议、 定向发布类协议、 传播路由类协议、 多路径类协议、 基于集群的协议、 介质存取控制类协议等新的通信协议。英国、日本、意大利等国家的高校和政府机构也 陆续展开了该领域的研究工作，并且取得了一些研究成果9。 从国内的研究来看，国内有关 wsn 的研究刚刚起步。中科院传感器技术国家重点 实验室、清华大学、黑龙江大学、西南交通大学等单位，近年来刚刚开始 wsn 的相关 研究。从国内公开发表的学术文章来看，主要是从事计算机及传感器技术的专业人士， 从 wsn 体系结构等角度对其技术进行分析和综述。在介绍相关基础知识和技术的基础 之上，对无线传感器网络的应用价值进行分析并阐述研究的热点问题46。 wsn 在应用和学术方面都有很大的发展。在应用方面：主要表现在工业控制、交 通监控、环境监测等。在学术方面：国内外的研究重点是 wsn 的管理、通信协议、数 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 据处理和应用支撑服务等。通信协议方面的研究主要有数据链路层的拓扑结构生成、网 络层协议中的路由协议、传输层协议中的逐跳流控、信道接入方式、速率限制；管理方 面主要是安全管理和能量管理，比如：安全管理中采用数据加密、扩频通信、数据水印 等技术，提高网络的安全性；数据管理方面主要是数据查询管理。加州大学伯克利分校 研究无线 wsn 的数据查询技术，提出可以实现的处理方法和查询的方法，应用数据库 技术实现数据的汇聚功能，提出在低能源、分布式环境下实现汇聚功能，并研制一个感 知数据库系统 tiny db10。 1.3.2 无线传感器网络的研究进展 无线传感器网络的研究涉及到网络系统、通信技术、信号处理、嵌入式系统、传感 器技术、微型机械电子系统（mems）等多个学科，横跨多个领域，产生了众多的研究 方向。下面重点阐述在操作系统、无线通信技术和节点试验平台设计三个方面的最新研 究进展。 1操作系统tinyos11 无线传感器网络不同于以往的网络系统，其没有明显的层次划分和明确的功能抽 象。wsn 对操作系统提出了特殊的要求，主要表现在：节点的资源有限，需要尽可能 的降低系统开销；节点使用电池供电，要尽量延长网络的寿命，需要操作系统的支持； 节点各个模块之间需要调度协调机制同时需要支持并发控制； 监测任务实时性的要求需 要操作系统的支持。在 tinyos 2.0 操作系统中定义了三个层次的硬件抽象层，提供了 独立的硬件条件，强化了对异构平台的支持，保持了对硬件进行优化设计的灵活性。虽 然该操作系统较以前的有了本质的区别，但此与理想的 wsn 操作系统仍旧有距离，究 其根本原因是仍未找到合理的设计方案。因此，今后还需要大量的工作为操作系统找到 合理的、充分的技术支撑。 2无线通信技术 当前网络与通信研究中最活跃的就是无线通信技术。虽然新技术不计其数，但是在 这些标准中无线传感器网络并没有锁定哪一项作为其主流无线通信技术， 大多数试验中 节点一般直接选用最纯粹的射频通信芯片，比如：使用 chipcon 公司的射频通信芯片 cc1000、cc2430 等。2003 年 ieee 802.15.4 标准颁布，为无线传感器网络提供了全新 的无线通信方案12。其主要的技术特点是：功耗低、成本低、延时短、规模大、更安全。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 ieee 802 系列标准主要负责制定物理层和 mac 层通信协议， 相关的产业联盟来规范与 应用相关的高层协议。2004 年推出了支持 ieee802.15.4 的射频芯后，许多研究小组开 始研制基于 zigbee（紫蜂）协议的节点试验平台，是推动 ieee 802.15.4 在产业界的联 盟。zigbee 不适合数据密集的网络，若是强调节点资源受限的大规模、自组织无线网 络研究，是首选的无线通信技术。 3节点试验平台 因为无线传感器网络是一种全新的网络技术， 与传统的网络差别较大甚至体系结构 也不同，所以可以继承的资源非常有限。研制节点搭建一定规模的试验平台成为 wsn 研究初期的主要任务。 按照时间的先后顺序就已经出现的节点试验平台大致可以分为四 代： 第一代（1996 年1999 年） 代表性的平台有 ucla 的 wins， uc berleley 的 smartdust 、 wec 和 rene。 wins 是较早的平台主要展示了 cims（coms integrated microsystems）技术在设计微型化、 低功耗 wsn 构成组建时的优势，但是并没有强调无线通信技术和网络技术。因此，没 有最终形成颇具影响力的试验平台13。 第二代（2000 年2001 年） 这一时期无线传感器网络的研究受到越来越多的关注，相继出现了许多种试验平 台， 最为典型的代表是： ucb 的 mica 与 dot、 mit 的 uamps-i 和 uamps-ii 、 rockwell 公司的 hydra14。它们为无线传感器网络的研究提供了通用的试验平台，用在政府机 构资助的研究项目中并且进行原理性验证和算法测试评估。 第三代（2002 年2003 年） 随着研究的进行和深入，人们认识到对于 wsn 特殊的应用环境，降低能耗尽可能 延长网络的寿命是个非常关键的技术问题。因此，研究人员开始多方面的寻找降低系统 能耗的技术方案， 节点设计也在考虑之中。 其间产生两款具有代表性的试验平台： mica2 和 micadot2、nasa jpl 实验室的 sensor web15。 第四代（2004 年至今） 2004 年 chipcon 公司率先研发了支持 zigbee 协议的无线射频芯片，这成为 wsn 节点研发中的一个分水岭， 随后研究重点开始关注新的无线通信技术及其通信标准在节 点设计中的应用。到目前已出现一系列第四代节点，典型的代表有：micaz、telos、 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 embernode、imote2、btnode3 和 dsy25。 1.4 论文主要研究内容 本文搭建了一个基于传感器技术、红外遥控技术和无线通信技术的温度监控平台。 利用自制的传感器节点采集空调室内的温度，以无线通信的方式，把传感器节点所采集 的温度信息传输给汇聚节点，然后再传输到上位机监控平台。该平台可以实时监视传感 器节点的状态，实现传感器节点数据的显示和管理，并根据获取的信息对其加以辨识和 处理。传感器节点实施相应的监控操作命令，实现真正意义上的节能环保。 本文主要内容包括： 1对监控系统的功能进行分析，设计监控系统的总体结构。阐述无线通信标准， 分析传感器节点和汇聚节点所采用的无线通信技术、信号的调制解调方式，实施监控时 采用的红外通信方式。 2根据监控系统要实现的功能对节点进行模块划分，详细介绍微处理器控制模块、 温度传感器模块、无线射频模块分别所选用的芯片：msp430f149、sht11、cc1020， 以及红外发射模块。最后根据各个模块的特点进行电路原理图以及 pcb 图设计，制作 了性能稳定的传感器节点和汇聚节点。 3对监控系统进行软件设计，掌握系统所用软件的开发环境 iar 及 c 编程语言， 编写传感器节点与汇聚节点、汇聚节点与上位机之间的通信程序和数据采集程序，并对 红外遥控部分进行编码；使用 visual basic 6.0 进行上位机监控程序的设计，完成了监控 平台的界面设计， 实现了监控平台的数据库管理、 节点状态显示、 历史曲线查询等功能。 4对整个监控系统进行测试试验。将传感器节点放置在不同的测试位置，通过串 口/网口转换设备将汇聚节点与 pc 机连接，从而搭建了温度监控平台并进行测试试验。 1.5 本章小结 本章论述了课题的研究目的和意义， 简单介绍了无线传感网络并对其发展现状和研 究进展进行概述，阐明了所开展的主要研究工作。 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 第二章 监控系统总体设计方案和关键技术 本课题设计的监控系统可以用于实际中， 其目标是设计一个基于无线传感网络的空 调室内温度监控系统。该监控系统实现的主要功能是：由布置在空调室内的传感器节点 实时采集室内的温度信息，获取的信息以无线的传输方式给汇聚节点，汇聚节点再通过 网络传给上位机，根据获取的信息对空调实施监控，从而实现节能环保的设计目标。 2.1 监控系统总体功能分析 监控平台的作用是监视与控制， 其包括两个方面的内容： 一方面对外界变化的感知， 即监视；另一方面以自身的反映影响外界的变化，即控制。监控平台的总体设计方案如 图 2-1 所示。 上位机监控 空调1 传感器节点1 汇聚节点 串口网口转换设备 传感器节点3传感器节点2 空调3空调2 图 2-1 监控平台的总体设计方案 fig.2-1 overall design project of monitoring platform 根据总体设计方案框图，分析监控平台能够实现的主要功能是： 1信息采集功能 信息采集是监控平台实现的基本功能，位于监控系统的最前面，实现信息采集功能 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 就是利用传感器节点完成两个方面的任务：一是获取监控对象的信息，如果需要的话， 对获取的信息进行相应的处理以便传输或者由传感器模块直接将获取的信息传送至后 台进行操作。二是通过硬件电路执行控制操作。控制命令可以是人为下达，也可以是整 个系统的控制部分产生。本课题就是通过把空调房间的温度值与设定值比较，根据差值 由传感器节点产生相应的操作命令，实施对空调的监控。 2数据处理功能 一般而言监控系统是较大型的网络，在网络中存在着许多功能模块，通过模块化的 分析方式对各个部分进行操作。即：获取的信息应该按照什么方式进行传输或者在监控 系统内建立什么类型的通信机制， 才能够实现信息稳定可靠的传输同时又能兼顾到信息 的实时性。监控平台还需要具备数据存储、分析、查询等功能，这样可以方便地做出正 确决策。 3无线通信功能 总体方案设计中进行通信采用两种方式： 红外线和无线电波。 按照不同的调制方式， 采用无线电波作为传输媒介的又包括两种方式：扩频调制与窄带调制。使用扩频调制技 术的无线网络可以在工业、科学和医疗（ism）频段内实现。扩频通信具有隐蔽性强、 保密性好、抗干扰能力强等特点。采用红外线通信方式可以提高数据传输速率，有较高 的安全性，且设备相对便宜而且简单。但由于红外线的透射和绕射能力很差，使得传输 距离和覆盖范围受到很大限制。在设计中数据传输采用无线电波通信，实施监控则用红 外线的方式通信。 4故障报警功能 在课题设计中，需要设置故障报警功能。该功能主要是在空调运行过程中，出现故 障情况及时报警，提示工作人员检查维修。主要报警情况有：在夏季时，采集的空调室 内温度过低，且继续降低；在冬季时，空调室内温度过高，且继续升高。 5红外监控功能 获取信息后，传感器节点利用模糊控制理论的思想对获取的温度信息进行判断，如 果数据信息不在设定的范围内，则传感器节点发出相应的命令，通过红外的形式发出控 制信号对空调实施控制功能，强制关闭空调。 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 2.2 监控系统总体结构和组成 监控平台系统的主要功能是采集空调室内的温度信息，并传输给上位机。作为监控 平台的基本组成部分，由传感器节点根据获取的信息实施相应的控制操作。 2.2.1 监控系统总体结构 根据功能分析中对平台所在系统功能的描述， 整个监控系统可以设计成一个分层次 的结构， 这个结构可以用三个层次进行描述， 监控系统一般组网拓扑结构如图 2-2 所示。 监控中心 传输网络 第一级 监控中心 节点1 节点2 节点n 第二级 第三级 传输网络 监控区域 图 2-2 监控系统的一般组网拓扑结构图 fig.2-2 the general networking topology graph of monitoring system 第一级：最高一层的监控中心。把监控区域的数据信息进行集合，利用相关的软件 在上位机操作平台精确地显示在线用户终端，同时监控平台也是进行终端数据存储、查 询、分析、管理以及做出控制操作的接口。利用转换设备，可以通过网络实现对监控中 心的远程监视。 第二级：位于中间层的网络部分。依靠各种先进的通信手段，比如：无线电波或者 红外线等，完成数据信息的采集和监控命令的可靠稳定传输。即：传感器节点把采集的 数据信息以无线的方式传输给汇聚节点，汇聚节点通过串口网口转换设备传输给上位 机。 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 第三级：处于结构底层的监控区域。监控区域是获取监控对象信息的实体单元，一 般由传感器节点组成，负责监控对象信息的实时采集以及对监控对象的直接控制。本课 题设计的传感器节点不仅有数据采集功能，还兼有对监测对象的控制功能。 2.2.2 监控系统的构成 监控平台信息的获取本课题中采用比较先进的手段：无线传感网络。监控的实现主 要是通过作为上位机的 pc 机来发送操作命令，由传感器节点来执行。wsn 由功能相 同或相似大量传感器节点和汇聚节点组成。节点是搭建无线网络最基本的单元，主要完 成信息的获取、处理和传输等功能。 本文设计的传感器节点由五部分组成： 微控制器模块、 传感器模块、 无线收发模块、 控制模块和电源模块；汇聚节点有三部分组成：微控制器模块、无线收发模块和电源模 块，其中控制模块采用红外通信技术。传感器节点的体系结构如图 2-3 所示。 传感器模块 电 源 模 块 无线收发模块微控制器模块 控制模块 图 2-3 传感器节点的体系结构 fig.2-3 sensor node architecture 微控制器模块负责对传感器节点、 汇聚节点以及其他节点发来的信息进行存储和处 理，其中包括同步定位、功耗管理、任务模式、编码方式等。传感器模块负责监测区域 内被控对象信息的采集和处理。 无线收发模块把传感器模块获取的信息以无线传输方式 进行收发和交换控制。控制模块将传感器模块获取的信息经过微控制器模块分析处理， 由其对被控对象实施相应的控制操作。电源模块提供节点工作所需的能量。 太原理工大学硕士研究生学位论文 15 2.3 无线通信技术 通信是无线网络数据传输的基础， 信源产生的基带信号经过编码和调制之后在信道 中传输，再经过解调和解码到达信宿。无线通信是利用电磁波，可以在自由空间传播的 特性进行信息交换的一种通信方式。在无线通信中信息以消息为载体，通过信道从信源 到信宿。消息除了有用信息同时还有加密和协议等。数字通信系统原理如图 2-4 所示。 在通信中常常采用的调制方式17有： 1模拟调制：用连续变化的信号去调制一个高频正弦波，主要有幅度调制和角度 调制。 2数字调制：用数字信号对正弦余弦高频振荡信号进行调制，包括振幅键控 ask （amplitude shift keying） 、频率键控 fsk（frequency shift keying）和相位键控 psk（phase shift keying） 。 3脉冲调制：用脉冲序列作为载波，包括脉冲幅度调制 pam（pulse amplitude modulation） 、 脉冲宽度调制 pwm （pulse width modulation） 、 脉冲相位调制 ppm （pulse position modulation）和脉冲编码调制 pcm（pulse code modulation） 。在本课题中无线 通信技术和红外遥控技术主要设计到数字调制和脉冲调制， 下面详细介绍这两种调制技 术。 信 源 信宿解码解密器信道译码解调器 噪声源 信 道 调制器信道编码加密器信源编码 信 宿 图 2-4 数字通信系统原理图 fig.2-4 schematic diagram of digital communication system 2.3.1 数字调制技术 调制是对信源信息进行处理使其变为适合信道传输形式的过程， 信源信息称为基带 信号。一般而言，基带信号是低频信号不适合在信道中传输，因此必须把其变为适合在 信道中传输的高频信号。此高频信号是相对基带信号而言频率非常高的信号。调制在通 太原理工大学硕士研究生学位论文 16 信系统中非常重要，利用调制可以进行频谱搬移，把基带信号变换成适合传播的已调信 号。2ask、2fsk、2psk 信号的典型时域波形如图 2-5 所示。 图 2-5 三种调制信号典型时域波形图 fig.2-5 three typical time-domain waveforms of modulation signals 1振幅键控 ask 振幅键控调制是根据基带信号的不同来调节正弦波的幅度。ask 可以通过乘法器 和开关电路实现，载波在数字信号的控制下实现有无。即：数字信号为“1”时有载波； 数字信号为“0”时没有载波。这样在接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号。 二进制 ask 信号的带宽为基带信号带宽的两倍，其一般时域表达式为： ( ) 2 cos asknc sta at= （2-1） n a 为二进制序列的第 n 个码元，符合以下规律： 太原理工大学硕士研究生学位论文 17 0 p 1 1