基于无线传感网络的输送河道监测系统设计毕业论文.doc

毕业设计说明书毕业设计说明书 2015 届届 基于无线传感网络的输送河道监测系统设计基于无线传感网络的输送河道监测系统设计 学生姓名 孙孙 旭旭 学 号 1110422111104221 院 系 数理信息学院数理信息学院 专 业 电子信息工程电子信息工程 指导教师 马海平马海平 完成日期 20152015 年年 5 5 月月 9 9 日日 基于无线传感网络的输送河道监测系统设计基于无线传感网络的输送河道监测系统设计 摘 要 相对于传统的环境监测系统，无线传感器网络部署与维护成本都很低，因此越来越 多的研究机构用无线传感器网络代替传统环境监测系统来监测环境。 本次的课程设计通过无线传感器网络技术平台，运用由上位机到网关节点到传感器 节点的模式构建了一个长期监测输送河道的系统网络。运用这种方式的好处有很多，首 先 wsn 易于部署，而且开发成本低。另外通过 wsn 技术进行数据传输及远程操作，极 大地提高了网络的开发与利用效率。在本次的系统中，传感器节点采集数据后通过无线 传输给网关节点，网关节点将数据一定的处理后，将数据通过多跳的方式传输给上位机， 由上位机做最后的数据数理。本次的课程设计的传感器节点的硬件方面主要是用到了 atmega128l 微型处理机及 cc2420 无线信号收发芯片。它们的主要特点是能耗低，体积 小，十分适合用于 wsn 系统。 关键词 wsn；能耗低；atmega128l ；cc2420 芯片 i wireless sensor networks based delivery channel monitoring system abstract compared to traditional environmental monitoring systems, wireless sensor network deployment and maintenance costs are very low, so more and more research institutions to replace the traditional wireless sensor networks for environmental monitoring system to monitor the environment. the curriculum design through wireless sensor network technology platform, the use by the host computer to the gateway node to sensor node model to build a long-term monitoring of river transportation system network. and because data transmission and remote operation via wireless sensing technology, which greatly improves the development and utilization efficiency of the network. in this system, after the adoption of wireless transmission to the gateway node, a gateway node will process the data after a certain sensor nodes collect data, the pc do the final number of data processing. hardware is mainly used in the atmega128l microprocessor and cc2420 transceiver chip. their main feature is the low power consumption, small size, very suitable for wsn systems. key words wireless sensor networks; low energy consumption; atmega128l; cc2420 transceiver chip 目目 录录 摘 要i abstractii 引 言 .1 1. 系统概述 2 1.1 研究主题 2 1.2 研究背景 2 1.3 意义及目的 2 1.4 发展趋势 3 2. 研发平台 4 2.1 节点结构 4 2.1.1 传感器节点 .4 2.1.2 网关节点 .4 2.2 上位机 5 3. 课题研究及方案设计 6 3.1 拓扑结构 6 3.2 网络协议的要求 6 3.2.1 物理层要求 .6 3.2.2 链路层要求 .7 3.2.3 网络协议的选择 .7 4. 方案实施 8 4.1 硬件 8 4.1.1 传感器模块 .8 4.1.2 atmega128l 微处理机介绍8 4.1.3 cc2420 收发芯片9 4.2 通信模块的选择 10 4.3 基于无线传感网络的输送河道监测系统设计 10 4.4 工作流程图 10 4.4.1 感器节点工作流程图 .10 4.4.2 网关节点工作流程图 .11 5. 结论 13 参考文献 .14 致 谢 .15 引 言 wsn技术是现如今受人瞩目的、发展前景十分广阔的研究技术。环境监测是目前无 线传感网络、物联网在民用方向的一个重要应用领域，输送河道监测则是环境监测中的 重要一环，其关系到整个生态环境的安全性和可靠性。用无线传感器网络来监测输送河 道，对于环境监测有着重要的意义。本次的设计要求可以有效的采集各种实时水利信息， 实现河道水文异常情况的实时分析和监控，及时预警预报重大水利事故。并且要通过优 化整个网络，将整个网络的能耗降到最低，使整个网络能够进行长期稳定的监测。 无线传感器网络最早运用于军事，并在战争中起到了举世瞩目的重大作用，由美国 军方最先开始研究并运用于战争。他们开展了一些著名的项目包括： cec、wins、sensorit、trss、rembass等项目。大多数的美国大学都在研究wsn技 术。这足以证明wsn技术的发展前景十分广阔。继美国之后，世界上很多发达国家也陆 续加入了研究wsn技术的行列。中国在1999年首次启动研究wsn技术的项目。之后国家 认识到了wsn技术的重要性，陆陆续续审批通过了很多的相关技术的重点提案与研究项 目。 现在无线传感器网络正在得到飞速的发展，大部分有前瞻眼光的国家都认识到了无 线传感器网络的重要性。wsn技术被多家全球知名杂志评为改变世界的十大技术之一。 在国内外，运用wsn技术长期监测环境都有着许多研究项目，如2002年启动的用于 监控的鸟类栖息地的wsn技术项目。而seaweb项目在1999-2004 年期间进行多次实验用 来取得了大量珍贵的现场数据。通过多次的实验来研究对于水声数据传输的wsn技术， 验证了水声wsn系统在水下监测方面的可行性，并获得了大量的重要数值。由于之前有 着很多长期监测水环境的无线传感网络，对于本次的设计有着很大的借鉴作用。 本次的毕业设计重点在于无线传感器网络的传输协议的选择以及对于各个传感器节 点的能耗的优化。传输协议关系到无线传感器网络的安全性与工作效率，是整个网络中 重要的一环。而无线传感器网络用于长期监测，能耗必定是考量整个网络的一个重要指 标。协调好这两个问题，整个网络才能良好的监测输送河道。 1. 系统概述 1.1 研究主题 本次的设计主要是利用无线传感器网络的网络设置灵活，覆盖面广，能在恶劣环境 中工作等特点，设计一个用于长期监测输送河道的无线传感器网络。主要实现的目标是 基于新型无线传感节点，实时采集各种水利信息，包括水位、流量、ph值等，并进行及 时传输和储存；应用一定的算法，优化无线传感节点分布，合理调度能源负荷，实现无 线传感节点之间的有效组网和通信；运用上位机，实现河道水文异常情况的实时分析和 监控，及时预警预报重大水利事故。 总所周知，输送河道是我国交通运输方面的重要一环。所以设计一个用于长期监测 输送河道的网络，来保证其安全性以及可靠性，是很有必要的。运用无线传感器网络来 监测输送河道，可以做到实时采集水利信息；若遇到水利事故，还能及时报警，保障了 输送河道交通方面的安全性与可靠性。 1.2 研究背景 作为一门对以后人类的生产生活有着巨大影响的热门技术，无线传感器网络正在飞 速的发展。mit评选改变人类以后生活的新科技的时候，就把wsn放在了第一位。不少 科学期刊指出这个技术将掀起新的产业狂潮。wsn技术的现阶段研究得到了很大的发展。 现阶段国外的主要研究项目有usla以及其他机构的wins计划。这个计划涉及wsn 技术的各个方面。他们主要研究了微型传感器和收发器、cpu处理结构、短距离网络传输 协议的基本原理。他们在数据链路层采用了tdma 技术，而在物理层采用了rf扩频技术。 这样做的好处是优化了无线传感网络的工作效率，降低的了功耗。uc berkeley等25个科 学小组的 sensit项目主要是对这两个方向进行研究：一个是能够应对移动速度较快的战 争的wsn技术、能够进行快速处理以及分配任务的高反应式wsn技术；二是用于静止的 长期进行环境监测的wsn技术项目。seaweb项目主要是用来研究水下通信的wsn网络技 术，这个项目很好的验证了wsn技术在水下监测方面的可行性。 到现在为止，中国已经在大力进行了wsn技术方面的研究，但是现在还是赶不上世 界领先水平。中国在1999年首次启动研究wsn技术的项目。之后国家认识到了wsn技术 的重要性，陆陆续续审批通过了很多的相关技术的重点提案与研究项目。 1.3 意义及目的 环境监测是目前无线传感网络、物联网在民用方向的一个重要应用领域，输送河道 监测则是环境监测中的重要一环，其关系到整个水环境监测系统的安全性和可靠性。因 此利用无线传感网络设计一款输送河道监测系统具有很强的必要性和实用性，必然能在 市场上广泛推广和应用。本毕业设计的目标是通过该输送河道监测系统的设计让学生了 解电子信息专业最新进展和发展方向，扩宽学生的设计思路，提高学生的动手能力，从 而设计出有实际应用价值的系统产品，为将来从事电子系统相关工作奠定理论基础和实 践经验。 wsn技术有着非常美好的发展远景1。设计出一款长期监测生态环境的wsn系统， 从而来了解环境监测的安全性和可靠性在长远看来是十分有必要的。这么做一定可以占 据一定的市场主动权。因此利用无线传感网络设计一款输送河道监测系统具有很强的必 要性和实用性，必然能在市场上广泛推广和应用。 1.4 发展趋势 现如今，世界各国对于wsn技术的周边领域的研究已经十分的成熟。但是要建立一 个监测输送河道的无线传感器网络还是存在着很多的不足。而且因为wsn技术有着传统 网络没有的一些独到之处，使得wsn的组网布局与传统的网络的组网布局有着巨大的差 别。例如，由于wsn中的传感器节点分布密集，所以需要应用到大量的数据传输处理等 算法。其次，传感器网络节点布置的地点有时候会十分危险，这就造成了维护及补给问 题上的巨大困难。 网络协议也是很重要的问题2。网络协议是将一个个独立的传感器节点连接起来，形 成一个数据链路。对于wsn技术来说最主要的问题是确定网络层和mac层的协议。网络 层的网络传输协议用来控制监测信息的传输路径；数据链路层的mac层用来分享底层的 物理信道、决定节点的传输方式和工作方式。在整个wsn系统中，传输协议不能只看要 一个节点的能耗问题，更要考虑到整个网络的能耗，只有这样才能使系统更好的完成长 期监测输送河道的任务。 降低系统能耗也是wsn技术现阶段研究的一个重要方面。一般来说传感器节点只能 配备一个有限的电源。而更换电源对于一个wsn网络来说是不现实的。这就使得节点的 能耗一定要尽可能的小。所以需要借助降低功耗的方式来延长整个wsn系统的使用寿命3。 这是设计wsn系统时要考虑的最关键的一个问题。 wsn技术作为一个非常受到关注的研究课题，近来也发现了很多新的研究意向，主 要体现在向服务的wsn应用、wsn技术的网络计算和面向wsn技术的软件工程等几方面。 2. 研发平台 2.1 节点结构 2.1.1 传感器节点 整个wsn技术网络系统包含着大量的采集数据用的工作节点。这些传感器节点能够 独立的采集数据并将数据处理后传输。只有传感器稳定的进行数据的采集以及传输，整 个系统才能正常的工作。 传感器节点的内部结构大致如图2-1所示。由传感器，ad/da转换装置，以及cpu和 最后的收发器组成，整个节点需要有供电模块。这些模块共同组成了一个网络的传感器 节点。 传感器 ad/da转 换 处理器 储存器 网络收发 模块 供电模块 传感器模块内包含整个网络测量所需要的多个传感器（如测量ph值的ph值传感器）。 然后通过转换模块将数据传送给处理器。最后通过无线收发模块将数据发送出去。由于 整个系统处于长期监测的状态，所以传感器节点的能耗需要很低。 2.1.2 网关节点 网关节点又称汇聚节点，主要负责将传感器节点的数据采集并处理之后传输到上位 机。网关节点结构如图2-2所示。 处理器无线收发模块 存储模块 传感器节点 上位机 供电模块 图 2-1 传感器节点结构 图 2-2 传感器节点结构 网关节点由无线收发模块、处理器、存储模块以及供电模块组成。传感器节点接受 到网关节点的命令后进行数据采集，并传输给网关节点，然后通过网关节点处理并传输 给上位机。网关节点是整个wsn网络中的中转站，也是传感器节点执行上位机命令的收 发者，在整个系统中起到了至关重要的作用。 2.2 上位机 上位机如图2-3所示，用于发送监测命令，接收从网关节点传输过来的大量采集的数 据，并进行分析整合，最终得出一定的结果。如本次的设计要求上位机能够将各种水利 信息如ph值、水位、流量等进行处理，得出一定结论并记录。若输送河道有异常状况， 还需要实时监控并且及时进行报警。上位机是整个wsn技术系统的操作者。它先发送类 似给网关节点相关的命令，然后接收由网关节点传输过来的数据，再将数据存入数据库， 最后更新数据库，实现整个wsn网络监测输送河道的作用。 图 2-3 上位机图片 3. 课题研究及方案设计 3.1 拓扑结构 无线传感器网络有多种形态的组网方式，根据结构层次分可以分为平面网络结构、 分级网络结构、混合网络结构以及mesh网络结构。 平面网络结构可以说是这些网络结构里最简单的一种结构，在这种结构的模式下， 相邻传感器节点之间可以相互传输。这种方式的优点是结构不复杂，维修起来是非常方 面的。但是由于没有网关节点，导致这个网络结构的组网算法十分复杂。 而分级网络结构则是平面网络结构的一种延伸。这种结构将节点分为具有汇聚功能 的网关节点以及一般传感器节点，这种网络结构一般都由一个网关节点管理多个传感器 节点，传感器节点与传感器节点之间独立存在，由汇聚节点将数据传输给上位机4。这种 网络结构的优点是结构的扩展性较好，管理以及执行任务的能力强，整个网络的能耗十 分低，并且建设网络的成本被大大降低了。同时，这种网络结构也能较好的管理传感器 节点，适合大型的无线传感网络长期监测系统的使用。 把上述的两种结构相结合，就形成了第三种网络结构混合拓扑结构。这种结构 也将节点分为网关节点和一般传感器节点，但是各个传感器节点之间也能够相互传输数 据。这样做虽然可以使整个系统的功能更为完善，但也使得各个传感器节点成本提高。 最后一种网络结构是mesh网络结构，这是一种新型的多跳网络。这中网络结构没有 网关节点。与平面网络结构不同的是，mesh网络结构的传感器节点一般只能与最近的节 点进行通信。这种结构具有较强的容错性，但是由于要求每个传感器节点都可以代替网 关节点，相比以上几种网络结构，硬件成本十分高，能耗也相对较大。 根据本次课程设计长期监测输送河道的要求以及以上网络结构的优缺点，选择分级 网络结构作为网络拓扑结构，这种结构同时也是国内外多个相关项目（如seaweb项目等） 的网络拓扑结构。 3.2 网络协议的要求 3.2.1 物理层要求 无线通信模块的通信协议的选择是十分重要的。整个网络的协议的选择主要是看网 络中的物理层和mac层的的特点，这两个层对网络协议的要求可以代表整个网络的协议 要求。从物理层来看，wsn技术的传输信息对数据的传输速率没有很大的要求5。当然， 提高数据的传输速率能够减少数据传输的时间，从而到达减少能耗的目的。而数据传输 时的能耗又在整个传感器节点能耗中占主要部分。考虑到传输数据的能耗要低，所以物 理层要求支持低功耗的通信协议。 3.2.2 链路层要求 从链路层协议看：wsn 网络的链路层和传统监测网络的链路层一样，需要提供流量 可控、传输可靠的点对点传输服务6。不同的是，无线传感器网络重点要求数据传输的长 期稳定性，反而对传输速率要求不高，这点与物理层的网络协议要求也是相吻合的。无 线传感器网络工作特性让节点几本处于休眠状态，只有接受到唤醒信号时，才会进行工 作，这就要求链路层协议有全网同步的特性。 3.2.3 网络协议的选择 ieee802.15 系列网络标准是电气和电子工程师协会的一个工作组主导制定的一个网 络标准系列7。一般在小距离的无线传输中使用ieee802.15的系列标准。虽然无线传感器 网络是一个大型的监测网络，但是传感器节点与汇聚节点之间的距离是十分小的。目前 这个系列的标准中，被广泛使用的是蓝牙协议以及 zigbee协议。下面的表3-1根据这两种 协议的特点以及参数作了一定的比较。 表 3-1 zigbee 协议与蓝牙协议对比表 协议分类 蓝牙技术 zigbee 技术 联网时间 参数 连接网络时间 3s 30ms 跳出网络时间 3s 15ms 存取时间 2ms 15ms 编码调制技术 跳频 序列扩频 软件内存 250kb 28kb 网络规模 8 26500 传输速度 1mbps 250kbps 工作距离 10 米 使用放大器可达 2000 米 根据上面表格中两种协议的特点以及之前对于无线传感网络对网络协议的要求，蓝 牙技术更适合那些传输速度要求较高、数据传输量大、不同工作周期的短距离无线传输 网络。而zigbee协议更适合有大量传输节点、对于传输速率要求低、要求能耗较低的无线 传输网络8。 zigbee协议在制定的时候专门侧重在同步技术、能耗和安全问题。而这些问题正是无 线传感网络的物理层以及数据链路层协议的应用要求。另外，zigbee协议一共定义了包括 2.4ghz频段在内的三个频段，用于支持不同需求的数据传输速率9。基于以上优点，在 本次的无线传感器网络中，我们选择的无线通信协议是zigbee协议。 4. 方案实施 4.1 硬件 基于长期监测输送河道，实时采集各类水位数据的要求，本次的设计需要应用wsn 技术、windows操作系统上位机、zigbee技术、微处理芯片等技术。设计出的网络要求能 够有一定的容错性、能够适应输送河道的环境、实时监测能力强、另外由于需要长期处 于户外环境进行监测，要求系统各个硬件能耗低，工作寿命长，成本处于可控制范围。 基于以上特点选择合适的硬件，网关节点通过多跳网络来传输数据给上位机，最终实现 对输送河道的监测以及数据采集，实现整个网络的功能。所以整个网络包含：传感器、 atmega128l 微处理器、rf收发芯片 cc2420以及供电模块以及上位机。 4.1.1 传感器模块 本次的课程设计达到的要求需要用到测量输送河道水位、流量以及ph值的传感器。 目前市面上传感器的种类繁多，功能也各不相同。 根据这个的网络的要求，本次选择的传感器的体积要小，能耗要低，工作时间要足 够长。人们在生产生活等方面越来越依赖传感器，所以人们对于传感器的研究也变得非 常快。目前应用了mems技术的传感器只有几毫米或者更小，质量也十分轻10，完全可 以满足本次课程设计的要求。图4-1是运用mems技术传感器。 4.1.2 atmega128l 微处理机介绍 之前国内外的wsn系统大多使用8位或者16位微处理机来作为节点处理器11。一般这 图 4-1 mems 传感器 些微处理机都能满足系统的组网以及多跳传输等基本功能11。因为这次课程设计的数据 量不大，因此传感器节点的处理器采用atmel公司的avr系列8位低功耗单片机 atmegal28l。atmega128l单片机能耗小，能够延长整个系统的使用寿命。外围电路简 单使得节点体积小。因此，atmega128l单片机能够很好的满足wsn技术所需要的对于节 点cpu的要求。图4-2是atmega128l单片机引脚示意图。 4.1.3 cc2420 收发芯片 cc2420收发芯片是chipcon公司生产的第一个频率在24g赫兹的zigebee标准的无线 收发器12。它的主要特点是外部电路十分简单，性能稳定，功耗低。因为体积较小， cc2420常被用于wsn系统。由于这个芯片是基于zigbee标准的收发器，所以它极大地 保证了无线传感网络的有效性和可靠性12。图4-3为cc2420收发芯片。 图 4-2 atmega128l 单片机 cc2420是一款符合zigbee网络协议的射频收发器。cc2420射频收发器支持zigbee网 络协议。 4.2 通信模块的选择 本文在第三节分析比较了zigbee协议以及蓝牙协议，发现本系统的通信协议使zigbee 标准是很有必要的，它是为低传输速率网络设计的传输协议，能够实现mac层和物理层 的规范13。所以本系统的网络协议采用 zigbee协议作为无线通信协议标准。 4.3 基于无线传感网络的输送河道监测系统设计 本次的课程设计利用wsn技术来监测输送河道，把传感器节点布置在监测的输送河 道内，通过自组网络的方式构成监测系统。传感器节点通过无线传输将采集到的数据传 输给网关节点，网关节点再次通过多跳将整理的数据传达给上位机。最后由上位机实现 监测的具体功能，如输送河道的水位、ph值及流量。若是某块监测区域的数值不正常， 上位机发现后将进行定位并报警。由于运用了无线传感器网络技术，本次的设计相对于 一般的监测网络来说，有着远程控制非常方便，布局网络的成本十分低廉，对于环境监 测又有着很好的效果，所以有很强的必要性及实用性14。 4.4 工作流程图 4.4.1 感器节点工作流程图 如图 4-4 是传感器节点流程图。节点首先进入初始化，然后查询进入网络，在一定条 件下进入休眠或者数据采集及传输，最后完成通信。 图 4-3 cc2420 收发芯片 开始 系统初始化 进入查询状态 查询附近存在网关节点？ 建立通信链路 建立链路成功？ 进入休眠模式 激活传感器节点 进入数据通信状态 数据通信完成？ 结束 y y y n n n 4.4.2 网关节点工作流程图 如图 4-5 是网关节点流程图。节点首先进入初始化，然后建立进入网络，连接传感器， 接受上位机的命令，传达给传感器节点。采集传感器节点的数据，数理后传输给上位机。 图 4-4 传感器节点流程图 开始 系统初始化 建立网络 建立网络成 功？ 允许传感器节点加 入网络 接受到上位机 命令？ 接受到无线数据？ 接受命令 转换成数据帧 发送给传感器节点 接受传感器节点数据 将数据处理转换 将数据发送给上位机 y yy n n n 图 4-5 网关节点流程 图 5. 结论 wsn 技术作为改善全球生活的新兴科技之一，引起了国内外新一轮的学术研究热潮 15。与传统网络相比，无线传感器网络成本低、功耗小、部署网络简单等特点，使它在 未来的发展前景十分广阔。 本次的课程设计要求用无线传感器网络技术监测输送河道。在设计系统方案的过程 中，我通过阅读资料，了解了 wsn 技术的发展现状。结合输送河道的特点，构建了本次 设计的监测网络。并通过调查研究，基本确定了传感器节点以及网关节点的设计部署。 最后的上位机，选择了兼容性十分强的 windows 操作系统，最终完成了整个网络的设计。 本次的课程设计对于系统的安全性以及可靠性有很大的要求，同时要求系统稳定。 在本次的课程设计过程中得到了很多帮助，导师跟同学的帮助让我更加系统的认识到了 本专业关于 wsn 技术方面的知识。在不断学习及了解的过程中，我对 wsn 技术的发展 前景充满了信心。在不久的将来，wsn 技术必将改变世界16。 当然本次的课程设计还是存在着一些不足之处，比如传输协议方面可以做的更好来 降低能耗等，希望以后的研究者可以改进与完善。 参考文献 1冯秀芳，赵婵婵无线传感器网络的应用研究电脑开发与应用v0119，no7，2006 2孙利民，李建中，陈渝，朱红松无线传感器网络清华大学出版社2005 310 emerging technologies that will change the worldmits technology review magazine 4李丽娜，石商涛，廖明宏传感器网络操作系统 tinyos 关键技术分析哈尔滨商业大学 学报(自然科学版)，第 21 卷，第 6 期，200512 5于海滨，曾鹏分布式无线传感器网络协议研究通信学报，2004，25(10)february 2004 6 郭世富,马树元, 吴平东, 等. 基于 zigbee 技术的无线传感器网络在远程家庭监护系统中 的应用研 究j.电子技术应用 ,2006(6):28-30. 7 任秀丽, 于海斌. 基于 zigbee 技术的无线传感网 的安全分析j.计算机科学,2006(1 0):111-11 3. 8 张宏锋, 李文锋. 基于 zigbee 技术的无线传感器网络的研究j.武汉理工大学学报(信息与管理工 程版),2006(8):1 2-15. 9 张博. 基于蚁群算法的无线传感网络稳定簇路由研究j