无线传感器网络室内环境监测系统设计实现-硕士论文

中文摘要 中文摘要 随着低能耗无线通信技术，微电子技术的进步和发展，具有多功能的小型传 感器设备得到了广泛的研究和应用。大量传感器设备布置在一起形成了无线传感 器网络用以完成特定的监测任务，例如环境监测和特定事件监测等。无线传感器 在军事、民用、医疗卫生和运输等领域具有非常广泛的应用。在传感器网络的诸 多应用中，基于无线传感器网络的室内环境监测系统是一个典型应用，然而传感 器网络的特性和室内环境监测的具体设计要求向无线传感器网络室内环境监测系 统的设计与实现提出了挑战。 本论文对无线传感器网络的室内环境监测相关技术进行研究，设计并实现了 一个基于无线传感器网络的室内环境监测系统。该系统可以有效对传感器节点采 集的环境感知数据进行管理，并以图表和统计图的形式显示和统计所采集感知数 据，使用户及时掌握环境数据的变化趋势，同时对感知数据不满足阈值条件的传 感器节点可以及时发出警报以保证系统的运行安全。另外，系统也设计了典型管 理系统所具备的用户管理，系统登录管理和用户反馈管理等功能。 本论文对无线传感器网络室内环境监测系统在先期分析的基础上进行了架构 设计、模块设计、数据库设计、以及详细功能类设计。基于上述设计，采用V C + + 6 0 语言模拟实现了该系统。通过测试验证了系统的有效性和可靠性，同时系统也具 有较高的易维护性和扩充性。 关键词无线传感器网络；传感器；室内环境监测；感知数据 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 A b s t r a c t A st h ed e p l o y m e n to ft h et e c h n i q u e so fl o w - c o s tw i r e l e s sc o m m u n i c a t e sa n d m i c r o e l e c t r o n i c ，t h es m a r ts e n s o rd e v i c eh a sw i d er e s e a r c hw o r ka n da p p l i c a t i o n s A l a r g en u m b e ro fs e n s o rd e v i c e sa r ed e p l o y e di nac e r t a i nr e g i o nt of o r maw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt oa c c o m p l i s hs o m em o n i t o r i n gt a s k W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v e b e e nu s e di nm a n ya r e a si n c l u d i n gm i l i t a r y , c i v i l ，m e d i c a la n dt r a n s p o r t W i t h i nt h e s e a p p l i c a t i o n s ，i n d o o re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o n H o w e v e r , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dt h er e q u i r e m e n t so fi n d o o re n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gp r o p o s ec h a l l e n g e sf o rt h ed e s i g no ft h es y s t e m I nt h i sw o r k ，w ef i r s ts t u d yt h et e c h n i q u e so fi n d o o re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，a n d t h e nd e s i g naw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e di n d o o re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m O u rs y s t e mh a st h ec o m p o n e n to fe n v i r o n m e n td a t am a n a g e m e n t ，d i s p l a ya n ds t a t i s t i c t h es e n s e dd a t ai nt h ef o r mo fc h a r t M o r e o v e r , t h es y s t e mc a l lf i r ea l a r mw h e nt h e s e n s e dd a t ai so v e rt h eg i v e nt h r e s h o l d M e a n w h i l e ，t h es y s t e ma l s oh a sf u n c t i o n so f u s e rm a n a g e m e n t ，l o gi nm a n a g e m e n ta n du s e rr e p o r tm a n a g e m e n t B a s e do nt h ep r e v i o u sa n a l y s i s ，w ep e r f o r mt h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n ，m o d u l e d e s i g n ，d a t a b a s ed e s i g na n dc l a s sd e s i g ni nd e t a i l B a s e do nt h ea b o v ed e s i g n ，w e d e v e l o pt h es o f t w a r eo fo u rs y s t e mu n d e rM i c r o s o f tV i s u a lC + + 6 0 T h ee x p e r i m e n t s s h o wt h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fo u rs y s t e m M o r e o v e r , o u rs y s t e mh a v et h e f e a t h e r so fe a s i l ym a i n t a i n a b l ea n de x t e n s i b l e K e y w o r d s ：W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；S e n s o rn o d e ；I n d o o re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ； S e n s e dd a t a I I 万方数据 目录 目录 中文摘要I A B S T R A C T I I 第1 章绪论。1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要内容及结构4 第2 章无线传感器网络监测技术综述s 2 1 无线传感器网络概述5 2 2 无线传感器网络监测技术- 5 2 3 无线传感器网络室内环境监测任务6 2 3 本章小结7 第3 章系统分析。8 3 1 系统基本描述8 3 2 系统设计面临的挑战8 3 3 系统运行需求。9 3 4 系统的非功能性需求：9 3 4 1 系统运行环境j - 9 3 4 2 系统性能需求1 0 3 4 本章小结1 0 第4 章系统设计n 4 1 系统设计概述1l 4 1 1 系统设计思想：1 1 4 1 2 系统设计目标1 1 4 2 系统功能设计1 2 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 4 2 1 系统登录模块的功能概述1 2 4 2 2 用户管理模块的功能概述1 3 4 2 3 环境感知数据管理模块的功能概述1 4 4 2 4 感知数据统计管理模块的功能概述1 4 4 2 5 警报处理模块的功能概述1 4 4 2 6 感知数据图表管理模块的功能概述1 5 4 2 7 用户需求反馈模块的功能概述1 5 4 3 数据库设计15 4 3 1 数据库设计原则1 5 4 3 2 主要表的设计1 6 4 4 本章小结l9 第5 章系统实现2 0 5 1 系统登录模块的实现2 0 5 2 用户管理模块的实现2 2 5 3 环境感知数据管理模块的实现2 5 5 A 感知数据统计管理模块的实现2 9 。5 5 警报处理模块的功能概述2 9 5 6 感知数据图表管理模块的实现3 0 5 7 用户需求反馈模块的实现一3 0 5 8 本章小结31 第6 章系统测试3 3 6 1 系统功能测试3 3 6 1 1 系统登录模块的测试3 3 6 1 2 用户管理模块的测试3 4 6 1 3 环境感知数据管理模块的测试。3 5 6 1 4 节点监控服务模块测试3 7 l V 万方数据 目录 6 2 本章小结3 8 第7 章总结与展望3 9 参考文献4 0 致谢1 4 独创性声明。4 5 V 万方数据 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 近年来，随着低能耗无线通信技术，微电子技术的进步和发展，具有多功能 的小型传感器节点设备得到了广泛的研究和应用。无线传感器设备是一种具备了 处理能力、存储能力、能源供应和无线通信能力的小型低能耗设备【1 3 3 1 。传感器设 备通常配备了化学、光学或者生物传感器，具备无线通信部件这些传感器设备具 备价格低廉，体积小等优点。大量传感器节点布置到一个特定的监测区域内即形 成了无线传感器网络。典型的传感器网络可以由几百甚至上千个传感器节点组成， 这些节点协作完成特定的监测任务。无线传感器网络的可靠性、灵活性、容易布 置和价格低廉等特性使得它具有广泛的应用领域，包括军事、民用、医疗卫生、 运输等。在传感器网络的诸多应用中，环境监测是一类典型的应用。无线传感器 网络具备的自组织、自我优化以及可容错特性使得它尤其适用于室内外环境监测， 动物生活习性监测等应用【2 1 。与传统的网络相比，无线传感器网络能够更有效准确 地获得周围环境的感知数据，并且可以执行简单的数据处理操作，这也为无线传 感器网络应用于监测类任务提供了优越条件【3 5 6 】。在传感器网络的诸多监测应用 中，室内环境监测是一个典型的应用。然而，无线传感器网络所具有的自身局限性 和资源限制，以及室内环境监测的实际应用向该技术的研究提出了挑战。最近， 随着人们生活水平的提高，室内环境监测变得越发广泛。对室内环境的监测包括 温度、湿度和光强等，可以有效为人们提供舒适的工作和生活空间。无线传感器 网络所具备的无线通信能力，感知能力和计算能力使得其非常适用于室内环境的 应用【7 8 】。设计基于无线传感器网络的室内环境监测系统与实际应用的环境和使用 目的密切相关。网络所应用的具体环境决定了网络规模，传感器节点布置方法和 网络拓扑结构等。资源限制主要包括传感器节点有限的能量供应，有限的通信范 围，有限的吞吐量和有限的存储、计算能力2 1 。因此设计和实现基于无线传感器 网络的室内环境监测系统必须要充分考虑上述局限性。 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 基于无线传感器网络的室内环境监测系统是无线传感器网络的一个典型应 用，然而传感器网络的特性和室内环境监测的具体设计要求向该系统的设计与实 现提出了挑战，主要体现在以下几点。 一能源管理。传感器节点采用电池供电，因此节点的能量供应非常有限。 为了使系统能够尽量长时间运行，必须要有效地管理能源，减少节点的能量消耗。 二可扩展性。基于传感器网络的室内环境监测系统可以应用于不同类型的 室内环境，包括实验室、办公环境等【1 3 1 。因此系统必须适用于不同节点数量的环 境。亦即系统运行在几十个传感器节点上可以，运行在几百个传感器节点上也可 以正常工作。 三易操作性。基于传感器网络的室内环境监测系统通常由非专业的应用购 买使用。因此该系统必须安装和使用简便，系统维护代价低。系统模块并且用户 界面友好是非常关键的问题。 四支持多种传感器。环境监测通常使用有限的集中传感器，例如温度、湿 度、光强、气压和化学物质浓度等。随着技术的进步，一些新的环境监测应用可 能会开发，一些新型传感器会投入使用，例如图像传感器和音频传感器。而传输 图像和音频会耗费大量能量【1 4 1 。 本论文充分考虑上述局限性和挑战，设计并实现了一个基于无线传感器网络 的室内环境监测系统。该系统具备环境感知数据管理功能、感知数据统计管理、 警报处理、感知数据图表管理、用户需求反馈、系统登录功能和用户管理功能。 1 2 国内外研究现状 基于无线传感器网络的环境监测已经得到了广泛的研究，现有环境监测系统可 以分为室内环境监测和室外环境监测两大类1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。室内环境监测主要包括楼宇 监测和办公室监测等。这些应用监测的属性包括温度、湿度、光强和空气质量等。 还有一些室内环境监测的应用包括火灾监测、犯罪现场监测和化学物质泄漏监测 等。设计基于无线传感器网络的室内环境监测系统不但要考虑无线传感器网络和 网络协议，也必须要了解所监测环境的实际特性和需求。 万方数据 第1 章绪论 基于无线传感器网络的室内环境监测已经得到了大量研究，并设计实现了一些 监测系统【聊。 S o n o m aD u s t 是一个监测位于加利福尼亚州桑那市的红杉树林生态环境系统 1 1 9 】。该系统运行在T i n y O S 操作系统上，可以监测树林环境属性包括温度、湿度。 传感器节点每5 分钟采集一次感知数据，并通过多跳网络把采集的数据转发到一 个本地基站上、感知数据通过数据链路从基站传输到距离7 0 K m 远的计算机上。 为了节省节点能量，系统设计了睡眠调度机制使传感器节点以较低的占空比工作。 文献【2 0 】设计并实现了一个活火山的环境监测系统。该系统由五个传感器节点 组成，节点采用单跳网络拓扑结构。其中三个节点配备了特殊的麦克风设备以监 测由火山喷发所激发的信号信息。传感器节点采集的感知发送到本地s i n k 节点然 后通过通信链路进一步发送到位于9 K m 远的计算机上。该系统采用M i c a 2 节点和 T i n y O S 操作系统。 文献【2 1 设计并实现了一个农作物生长环境监测系统。该系统可以有效对土豆 作物的生长环境进行监测以防治p h y t o p h t o r a 疾病。P h y t o p h t o r a 是一种生长在土豆 作物上的f u n g a l 疾病，该疾病受到气候因素的影响。系统运行在1 5 0 个传感器节点 上。节点的位置信息已知，并且传感器节点可以感知温度和相对湿度属性。另外， 传感器节点的监测区域配备一个气候基站用以注册气压，风力和方向等信息。传 感器节点使用T i n y O S 操作系统。传感器节点采集的感知数据通过多跳路由协议传 输到本地s i n k 节点并通过无线网络进一步传输到网关。网关通过有线网络连接到 服务器。 S E C O A S 系统是一个基于无线传感器网络的风场监测系统【2 2 1 。传感器节点运 行在K O S 系统上。传感器节点配备压力、温度和湿度传感器部件。传感器节点、 位于海洋和陆地的基站形成了一个单跳网络。传感器节点传输感知数据到位于海 洋的基站，该建站再将数据传输到陆地基站。基站是由一些具有多功能的传感器 节点组成，组成基站的传感器节点具有更多的能量供应，并且通信范围也更广。 用户可以通过因特网访问陆地基站。 S e n s o r s c o p e 系统由两个传感器网络组成用以监测降雪量、空气温度、空气湿 气 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 度、地表温度、风向和风速等环境信息1 2 3 1 。第一个网络由7 个传感器节点组成， 而第二个网络由1 6 个传感器节点组成。传感器节点使用T i n y O S 操作系统。S i n k 节点和传感器节点采用多跳形式通信。传感器节点周期将采集的感知数据发送到 S i n k 节点，s i n k 节点再通过网关将数据传输到服务器。S i n k 节点和服务器可用通 过G P R S ，W i F i 和以太网技术相连。 1 3 本文的主要内容及结构 本文论述的内容共分为6 个章节，具体论文结构如下： 第1 章是绪论部分。本章首先对本论文的研究背景和研究内容进行了简要的 概述。接下来就基于无线传感器网络的室内环境监测系统的发展现状进行了概括。 最后对本论文的组织结构进行了概述。 第2 章是无线传感器网络的概述部分。本章首先给出了无线传感器的概述， 接下来总结了无线传感器网络监测技术。最后介绍了无线传感器网络室内环境监 测的基本任务。 第3 章是系统分析部分。本章对无线传感器网络室内环境监测系统进行需求 分析，包括对本系统的功能性分析，对系统的运行环境分析和系统的非功能性分 析。 第4 章是系统设计部分。本章首先介绍了室内环境监测系统的基本思想和基 本目标，然后对系统的每个功能模块进行了总结。 第5 章是系统实现部分。本章首先给出系统的功能概述，接下来详细介绍了 每个功能模块的具体实现细节。 第6 章是系统测试部分。本章对系统的各个功能进行测试。 第7 章是本文的结论部分。本章总结了系统的主要功能和实现过程，并指出 本系统的不足和尚待改善的地方。 万方数据 第2 罩无线传感器网络监测技术综述 第2 章无线传感器网络监测技术综述 2 1 无线传感器网络概述 随着科学技术的进步和不断发展，无线通信技术、嵌入式技术和感知技术 的进一步发展和成熟，人类进入了前所未有的信息技术时代。作为人类获取物理 世界信息的一项重要技术传感器技术得到了广泛应用，传感器设备应运而生。所 谓传感器设备是指综合了无线通信能力、嵌入式计算能力、感知能力和存储能力 的一种设备。这些设备可以执行简单的监测任务和信息处理工作，大量的传感器 节点组合到一起形成了无线传感器网络。 无线传感器网络在国内外得到了广泛的研究和应用，被誉为“二十一世纪最 具有前景的技术”。无线传感器网络在工业、农业、军事领域具有非常广泛的应用。 在军事领域，无线传感器网络可以用于战场监测、军事情报探测、敌军运行轨迹 跟踪和预测等方面 3 3 - 3 6 】。在农业上，无线传感器网络可以用于农作物生长环境监 测、土壤酸碱度监测、土壤湿度监测和降水量监测等【2 1 1 。在工业上，无线传感器 网络可以用于有毒气体监测和扩散监测、产品质量监测等。在人们生活中，无线 传感器网络也可以应用于智能家居、交通运输、身体健康情况监测等。在生态环 境监测中，无线传感器网络可以用于监测植物生长情况，例如美国的红杉树监测 引。也可以用于监测动物的生活习性，例如非洲草原的斑马生活系统监测。无线 传感器网络也可以用于灾难预报和监测。例如哈佛大学的活火山监测【2 0 1 。在这样 的危险环境中，人类通常无法达到或者很难到达，布置了传感器网络即可以有效 解决这一问题。 2 2 无线传感器网络监测技术 环境监测具有较长的应用历史。早期的环境监测通常使用模拟信号装置测量 物理环境参数。其中，部分装置具有在纸盘记录数值的能力。陈旧的物理装置以 固定的时间间隔记录数据，并需要人工下载数据。随着技术的进步和发展，数字 数据记录器取代了陈旧的设置。数字记录器更容易操作，并且维护代价较低。数 字记录器可以与长距离通信网络，例如G S M 合并起来以获得远处感知数据。然而， 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 _ 1 1 I I 数字记录器也具有一些缺陷。数字记录器通常只能提供单点监测数据，然而很多 应用中用户需要多个监测点的数据。另外，数字记录器存储数据和通信并没有统 一的技术标准。 近年来，随着微电子机械系统和低能耗无线网络技术的进步，具有多功能的 小型传感器设备出现。这些传感器设备可以用于观察周围环境的物理现象，并产 生感知数据。无线传感器节点是具备处理器、存储设备、能源供应和无线通信部 件的小型低能耗设备。传感器节点配备了传感器设备，例如温度传感器、湿度传 感器、光照传感器、酒精传感器和化学传感器。无线传感器设备要比普通的传感 器设备体积小、造价低。 无线传感器设备可以自组织一起形成a dh o e 多跳网络。无线传感器网络由成 百上千a dh o e 传感器设备组成。这些传感器节点协作完成特定的监测任务。传感 器网络具备自组织、自优化和可容错等特性。这些特性都保证了无线传感器网络 执行环境监测任务的优越性。 2 3 无线传感器网络室内环境监测任务 本论文在分析无线传感器网络室内环境监测系统功能和相关技术的基础上，重 点研究室内环境监测中的感知数据获取，感知数据分析，感知数据图表管理，以 及错误警告相关的功能的设计，在可视化的编程环境下，采用V i s u a lS t u d i o2 0 0 5 ， S Q LS e r v e r2 0 0 5 数据库以及其它数据统计知识和网络通信知识，进行系统的开发 和设计【3 7 , 3 8 。 主要研究的内容包括： ( 1 ) 深入理解室内环境监测系统的功能，发展，研究现状和功能。 ( 2 ) 开发系统所用到软件包括V i s u a lS t u d i o2 0 0 5 和S Q LS e r v e r2 0 0 5 数据库。 ( 3 ) 分析室内环境监测系统的功能，设计各功能模块，建立模拟设计整体的架 构。 ( 4 ) 室内环境监测系统中的功能需求与设计，以及数据库中各个数据表间关 系。 万方数据 第2 章无线传感器网络监测技术综述 ( 5 ) 室内环境监测系统的逻辑设计，系统的设计目标，数据库设计、数据流程 设计，各个功能模块的设计，数据库数据表的设计。 ( 6 ) 室内环境监测系统的开发实现，包括各个功能模块的详细实现，系统登录 模块等管理模块的设计。 2 4 本章小结 无线传感器网络的特性和优越性使得其非常适用于完成一系列的监测任务，其 中基于无线传感器网络的室内环境监测是一个重要应用。本章简要介绍和总结了 无线传感器网络的特性，无线传感器网络监测应用的任务和特性，并总结了无线 传感器网络作为室内环境监测的必要性。分析了无线传感器网络室内环境监测系 统的主要设计任务，为后续系统的需求分析、概要设计和详细设计打下基础。 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章系统分析 随着嵌入式技术和无线通信技术的进步，以及智能化应用的发展，基于无线 传感器网络的室内环境监测系统具有更加广泛的应用空间。现在，基于无线传感 器网络的室内环境监测系统已经得到了广泛的研究，并设计实现了一些实际可用 的系统。然而现有系统存在着对硬件要求较高、能源消耗较大等诸多问题。针对 上述问题，本文设计并实现了一个基于无线传感器网络的室内环境监测系统。 3 1 系统基本描述 室内环境监测是随着现代化技术的发展以及人们对生活质量要求的提高而逐 渐形成的一种新技术，室内环境监测系统是为了更好的管理室内环境给人们提供 更好的生活和工作环境。该系统主要包括系统安全设置、设备管理，用户管理和 各种条件控制，如温度控制，湿度控制等。传统的室内环境监测温室管理系统的 管理模式主要依靠人的劳力，但随着科技的发展，传统的室内环境监测系统已不 能适应现代化生活方式的需要，所以智能的室内环境监测系统应运而生。现代化 智能室内环境监测系统的核心是智能化，自动化。其智能化和自动化特性具体体 现在以下两个方面： 1 、较强的数据分析和处理能力。传感器网络中通常会产生大量的感知数据， 如果所有数据都反馈给用户将带来较大的能量消耗。因此，需要进行一些数据分 析和处理操作，将不必要的数据舍弃。而且很多应用也需要在数据上执行一些统 计操作，以得出环境的变化规律。 2 、对环境改变的适应性。在传感器网络的应用中，由于所监测环境的变化， 以及传感器设备工作失效等因素的影响，传感器节点的感知数据可能会不够准确。 系统的适应性表现在能够及时发现节点异常数据，使得系统可以准确正常的运行。 3 2 系统设计面临的挑战 智能的室内环境监测而智能化体现在能很好的监测室内环境的各项环境指标 并进行有效的监测和控制，而做到这一步就要采集大量感知数据收集，对数据进 8 万方数据 第3 章系统分析 行统计分析，最后抽象出一般规律。在这过程中会面临着以下的挑战： 1 、感知数据的存储。传感器网络由大量传感器节点组成，而每个传感器节点 周期性采集感知数据，整个监测过程中会采集大量的感知数据，对这些数据的存 储是我们在设计系统中面临的第一个挑战。 2 、感知数据的分析。由于感知数据的数据量较大，如何在这些数据上执行分 析和处理操作是我们设计系统中面临的第二个挑战。 3 、感知数据的显示。由于网络中每个传感器节点的每个时刻感知数据都在发 生变化，如何直观地显示感知数据的变化信息，使得用户可以及时了解环境的变 化情况是我们设计系统中面临的第三个挑战。 3 3 系统运行需求 1 、用户界面要求 系统的用户界面简洁明了，系统操作简便，视图美观等特点。并且采用菜单界 面驱动方式，使得用户操作起来非常便利，用户界面友好【3 3 1 。该系统支持鼠标和 键盘独立操作。 2 、故障处理 系统管理员可以记录程序出错的原因、出错的代码号，重新启动程序。 3 、系统的封闭性 该系统的封闭性较好，用户可以通过系统的提示信息输入所需要数据。 4 、系统安全性 用户可以使用该系统实现各种用户要求的功能。系统针对不同的用户类型可执 行的操作不同，具有一定的安全性。 5 、系统的容错性： 用户输入错误信息，或者执行非常操作，都会有错误提示。 3 4 系统的非功能性需求 3 4 1 系统运行环境 本文所设计的室内环境监测系统的运行具有特定的环境要求，下面以图表的 9 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 形式列举出系统对机器硬件、软件的具体要求。 表3 1 系统运行环境表 T a b l e4 1T a b l eo fS y s t e mE v i r o n m e n t 硬件要求 微处理器( C P U ) ：P 43 0 G H z 内存：1 G B 硬盘空间：2 0 G B 以上 操作系统 M i c r o s o f tW i n d o w s7 系列 M i c r o s o f tW i n d o w sX P 软件要求 s u a lS t u d i o2 0 0 5 S Q LS e r v e r2 0 0 5 3 4 2 系统性能需求 1 、数据精确度 本系统为用户提供了传感器节点工作的频率设定功能，频率的精确性是按毫秒 计算。传感器节点采集感知数据的相对误差不超过5 。 2 、时间响应特性 对系统的操作响应时间应在1 秒内：传感器节点开始工作与用户指定的时间相 关；与传感器节点的工作频率相关。 3 、可移植性 本系统具有较好的可移植性，也可以在W i n d o w s 和l i n u x 多种操作系统环境下运 行。系统可以满足企事业单位和实验室使用的需求。 3 5 本章小结 本章首先对设计和实现的无线传感器网络室内环境监测系统的功能性进行分 析和提取。接下来分析了系统的运行环境要求和非功能性要求，为后续系统的概 要设计和详细设计做好铺垫。 万方数据 第4 章系统设计 第4 章系统设计 4 1 系统设计概述 4 1 1 系统设计思想 基于无线传感器网络的室内环境监测系统是为普通用户监测实验室环境或工 作环境所设计，其设计主要考虑用户的使用感受，因此系统应该以用户使用的便 捷性为主要目标，同时考虑系统具备以下特性： 1 、系统安全性：该系统为办公环境或实验室环境的用户设计，操作系统的用 户可以有多个而且用户的权限也不尽相同，所以系统的安全性为一个重要 设计目标本系统采用用户名和密码的登陆形式是一个关键设计。 2 、操作便捷性：操作该系统的用户多为普通用户，因此系统的操作界面友好、 便捷就可以给用户带来更好的使用感受。 3 、功能全面性：该系统应包含室内环境监测的一些常用功能，而且各个功能 要求尽量完善。 4 、系统结构清晰性：系统代码的架构是评判一个系统软件性能的重要标准， 为了保证系统的稳定，便于后续的系统维护，为系统设计一个好的架构至 关重要。 4 1 2 系统设计目标 在分析了现有室内环境监测系统的局限性，以及常用室内环境监测系统所必须 具备的功能，综合无线传感器网络技术的优越性，本系统的设计考虑达到以下目 标。 1 、系统智能化：室内环境监测系统要求网络内传感器节点自组织采集感知 数据、将感知数据发送到指定用户，当感知数据不满足给定的阈值条件，要发 出警报。 2 、系统自动化：系统自动化要求网络内节点在发现监测环境外部发生变化， 或者节点存在异常情况后，能够做出合理操作。例如当室内温度高于给定阈值 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 时，系统经过比较判断后能自动发出警报信息。 3 、系统网络化：系统网络化要求是指位于任何位置的用户都可以通过网络 获得环境内的感知数据。通过传感器网络内节点的无线通信部件，传感器节点 可以自行构建路径将感知数据发送到任意位置。 4 、数据直观化：数据直观化是指位于环境外的用户可以随时通过计算机了 解室内环境的变化情况。本系统设计时考虑将传感器节点采集的感知数据以图 表的形式显示出来，并且用户可以构建曲线掌握室内环境特定属性，例如温度 属性的变化情况。 5 、数据处理统一化：数据处理统一化目标是指当用户接收到传感器节点发 送的感知数据后，经过简单的处理把感兴趣的数据交由数据层，即数据库来统 一存储和管理。这种方式不但可以方便感知数据存储，也方便计算机及其他终 端的数据同步。 4 2 系统功能设计 本系统可以分为系统登录模块、用户管理模块、感知数据管理管理、感知数 据统计、警报处理，数据图表管理和用户反馈等七个模块。系统的总体功能结构 如图4 1 所示。下面我们将详细分析每个功能模块的具体功能，为后续章节的详细 设计做好准备。 4 2 1 系统登录模块的功能概述 该模块采用用户名和密码验证的形式，实现不同用户的登录、退出和重新登录 等功能。该模块将用户划分为两类：系统管理员和普通用户。用户类型不同所赋 予的权限亦不相同。系统管理员可以对该系统进行设置，包括传感器节点的工作 功率，传感器节点的采样频率，传感器节点的个数和传感器节点的布置模式等。 普通用户可以对系统进行访问，包括查询感知数据，对感知数据进行简单操作等。 该模块的功能概括如下： 1 用户登录功能：用户通过输入用户名和密码登录该系统。 2 用户注销功能：用户退出当前登录模式，返回到登录模块。并且用户可以 万方数据 第4 章系统设计 图4 1 系统总体功能结构图 F i g4 1T h eo v e r a l ls y s t e mf u n c t i o n a ls t r u c t u r e 选择删除s e s s i o n 信息。 用户在登录模块输入用户名和密码信息，上述信息通过表单的形式将数据传输 到接口进行验证，如果可以验证成功则用户可以进入系统主界面。如果验证不成 功则提示用户错误信息，并保持在登录界面。 4 2 2 用户管理模块的功能概述 该模块可以对登录到室内环境监测系统的用户进行管理，用户主要分为管理员 用户和普通用户两大类。对每类用户管理的功能包括： 1 普通用户：普通用户可以登录到室内环境监测系统，对监测结果进行查看、 查询、删除和执行简单的统计工作。 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 2 管理员用户：管理员用户在普通用户所具备的功能基础上增加了管理普通 用户的功能，包括增加普通用户、删除普通用户、重置用户密码等。 4 2 3 环境感知数据管理模块的功能概述 该模块可以对登录到室内环境监测系统所采集的感知数据进行有效的管理，也 是本系统的核心部分。该模块由感知数据采样和感知数据查询两个子模块构成。 1 感知数据采样子模块 感知数据采样模块管理位于传感器网络监测区域内的节点实时采集对环境的 感知数据，包括温度感知数据、湿度感知数据和光强感知数据。传感器节点采集 的感知数据最终发送到终端计算机，存储到数据库中以备后续用户的查询和统计。 传感器节点采样数据的频率可以动态调整。参与采样工作的传感器节点也可以由 用户动态选择。参与采样工作的节点数目越小则节点越节省能量。 2 感知数据查询子模块 感知数据查询模块可以帮助用户查询传感器节点所采集的历史感知数据。用 户可以根据实际需要设定查询条件。可以查询特定区域内的感知数据，可以限定 查询的属性，也可以执行简单的S Q L 查询。 4 2 4 感知数据统计管理模块的功能概述 该模块可以对感知数据执行简单的统计工作。包括统计传感器节点数目，满足 某个特定条件的传感器节点数目，对传感器节点所采集感知数据进行排序，例如按 照温度属性值升序排列，按照湿度属性值降序排列等。 4 2 5 警报处理模块的功能概述 该模块可以在室内环境发生变化并且满足给定阀值的情况下发出警报。传感器 节点按照用户要求采集感知数据并且发送到终端，终端计算机检查收集到感知数 据是否满足给定的阀值条件。如果不满足条件则系统以弹出对话框的形式提示不 满足阈值条件的传感器节点位置以及它当前所处状态。用户可以根据实际需求设 置感知数据的阈值 万方数据 第4 苹系统设计 4 2 6 感知数据图表管理模块的功能概述 该模块可以将网络内所有传感器节点所采集感知数据汇总起来，并以属性表 格和统计图的形式显示出来。其中，属性表格按照节点所在位置统计传感器节点 的基本信息，包括节点编号，传感器节点采集感知数据次数和由于不满足阈值而 发出警报次数。 统计图可以进行简单的节点信息统计，包括按照固定的时间间隔为每个传感 器节点生成感知数据统计图，统计图可以直观地显示属性表格的基本信息。 4 2 7 用户需求反馈模块的功能概述 该模块可以根据用户的需求，收集用户对系统的反馈信息，参与反馈信息的用 户需要标准反馈用户姓名、电话以及反馈内容等信息。 4 3 数据库设计 数据库设计部分可以根据对环境监测得到的感知数据进行高效的管理。对于 室内环境监测系统的核心部分，负责存储和管理传感器节点的感知数据的数据据 库的建立是本系统的核心部分，为后续功能的设计打下了基础，也是保障我们基 于无线传感器网络的室内环境监测系统稳定运行的关键。 4 3 1 数据库设计原则 数据库的设计必须立足于本系统的功能和对数据的需求，为了有效地对数据 进行管理，数据库的设计必须遵循以下的原则： ( 1 ) 数据完整性。该原则是指存储的感知数据必须保证正确，数据不会受到一 些因素的影响导致被破坏，用户录入的数据要保证无错误。该原则可以通过一定 的约束条件来实现。 ( 2 ) 数据一致性。该原则是指同一传感器节点在同一时刻采集的感知数据要 在任何地方都保持一致。 ( 3 ) 设计规范性。感知数据的数据库设计要保证规范化，这样可以避免插入 异常、删除异常，和数据错误、数据冗余等问题的出现，保证整个系统的正常运 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 I I I I 行。 ( 4 ) 系统扩展性和移植性。由于设计通用的室内环境监测系统要求对传感器节 点的数据、采集感知数据属性等参数可以动态变化和调整。这就要求我们设计的 数据库要充分考虑保证具有可扩展性和较好的可移植性。为系统在不同环境下的 应用做好基础工作。 ( 5 ) 数据库易于维护和管理。设计感知数据的数据库时，我们要应充分考虑系 统的管理和维护的问题，尽量使得数据易于管理和维护。 ( 6 ) 数据安全性。室内环境监测系统在不同的应用环境中能会涉及到数据的安 全性问题，在设计数据库时要充分考虑这一问题，尽量保证数据的泄露、改变或 破坏等问题不发生。 4 3 2 主要表的设计 通过前面内容对功能需求的分析，我们可将数据库中的表进行分类。以方便 对对系统数据进行组织与存储，有利于数据库的管理维护。数据库中主要表如下： 1 管理员账号表 在此系统中，管理员账户的权限要高于普通账户的权限，它除了具有普通账 户的功能还涉及到对系统的维护和安全保障。为了保证管理员账户的安全，系统 管理员的密码必须经过加密处理。系统管理员账号表的结构如表4 1 所示。 表4 1 管理员账号表 T a b l e4 1T a b l ea d m i n i s t r a t o ra c c o u n t 2 普通用户账号表 普通用户账户表主要用来保存普通用户的相关信息，用户可以在用户管理界面 修改相关信息。普通用户账户表的结构如表4 2 所示。 万方数据 第4 章系统设计 表4 - 2 普通用户名密码表u s e r d b T a b l e4 2A c c o u n tF o r mU s e r 3 警报阈值设定表 警报阈值设定表顾名思义就记录和存储传感器节点采集感知数据的阈值，通 过设置阈值上下界的形式设置阈值的合法区间。警报阈值设定表的主要结构如表 4 3 所示。 表4 3 警报阈值设定表 T a b l e4 3A l a r r nT h r e s h o l dt a b l e 4 温度感知数据表 温度感知数据表存储的是温度感知数据，包括采集感知数据的节点I D ，节点 位置，采集感知数据的时间和感知数据值。温度感知数据表的主要结构如表4 5 所 示。 表4 4 温度表 T a b l e4 4T e m p e r a t u r et a b l e 5 湿度感知数据表 湿度度感知数据表存储的是温度感知数据，包括采集感知数据的节点I D ，节 点位置，采集感知数据的时间和感知数据值。湿度感知数据表的主要结构如表4 5 所示。 1 7 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 表4 5 湿度表 T a b l e4 5H u m i d i t yt a b l e 6 光照感知数据表 光照感知数据表存储的是温度感知数据，包括采集感知数据的节点I D ，节点 位置，采集感知数据的时间和感知数据值。光照感知数据表的主要结构如表4 5 所 示。 表4 6 光照表 T a b l e4 6L i g h tt a b l e 7 二氧化碳感知数据表 二氧化碳感知数据表存储的是二氧化碳感知数据，包括采集感知数据的节点 I D ，节点位置，采集感知数据的时间和感知数据值。二氧化碳感知数据表的主要 结构如表4 5 所示。 表4 7 二氧化碳表 T a b l e4 7C 0 2t a b l e 8 酒精感知数据表 酒精感知数据表存储的是酒精感知数据，包括采集感知数据的节点I D ，节点 万方数据 第4 章系统设计 位置，采集感知数据的时间和感知数据值。酒精知数据表的主要结构如表4 5 所示。 表4 8 酒精表 T a b l e4 8A I c o h o Jt a b l e 4 4 本章小结 本章是论文的概要设计部分，根据上一章的需求分析结果确定了该系统设计 的基本思想和基本目标。通过对系统功能的进一步分析，明确了系统的功能模块 以及各个模块的主要功能。同时完成了数据库的设计，为系统的详细做好准备工 作。 万方数据 黑龙江大学硕士学位论文 第5 章系统实现 本系统包括系统登录模块，用户管理模块，环境感知数据管理模块，感知数 据统计模块，安全警报管理模块，感知数据图表管理模块和用户反馈等七个功能 模块组成，本章