（测试计量技术及仪器专业论文）室内无线传感器网络节点故障及健康诊断.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 室内无线传感器网络作为无线传感器网络( w s n ) 的分支之一在工 农业生产中有着广泛的应用，网络在运行过程中由于节点自身限制及 环境影响不可避免地发生故障及性能的下降，因此针对室内无线传感 器网络特点，研究传感器节点故障及系统运行健康状况的诊断具有十 分重要的意义。 首先以室内无线传感器网络的典型应用温室无线传感器网络 为例，建立室内无线传感器网络健康诊断试验系统，包括短距离无线 通信方式的选择；z i g b e e 星形网络的组网；中心节点和传感器节点 的硬件设计、软件设计以及系统的运行调试。其次在所建立试验系统 的基础上，采用主成分分析( p c a ) 法将测量数据空间划分为主成分子 空间( p c s ) 和残差子空间( r s ) 研究传感器节点故障检测诊断方法；采 用小波分解高频系数的方法探讨传感器节点故障识别定位方法。最后 基于模糊层次分析( f a h p ) 法分析影响室内无线传感器网络运行健康 状况的各因素，确定层次单排序向量和层次总排序向量，建立室内无 线传感器网络健康评价模型，对传感器网络系统运行健康状况进行评 估诊断。 室内无线传感器网络健康诊断试验系统试运行表明：传感器节点 以低功耗休眠唤醒方式将所采集到的温度、湿度、光照度信息实时传 输至上位机，系统运行稳定可靠，上位机操作人机界面良好；传感器 节点故障诊断仅需附加两个字节的平方预测误差( s p e ) 诊断信息， 具备能量高效性，簇头节点故障检测时间远远小于数据采集时间间 t 江苏大学硕士学位论文 隔，具有较高的实时性；在所有影响网络健康的因素中，失效节点的 综合权重最大，结合各因素权重和各单项指标评价，给出的健康度指 标有效，为网络维护人员从整体上了解网络系统运行状况提供依据。 关键词：无线传感器网络，传感器节点，故障诊断，健康度 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sab r a n c ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) ，i n d o o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n b e c a u s e o ft h ec o n s t r a i n t so ft h es e n s o rn o d ea n d e n v i r o n m e n t a li m p a c t ，n e t w o r kp e r f o r m a n c ei n e v i t a b l yd e c r e a s e sd u r i n g t h eo p e r a t i o no ft h en e t w o r k h e n c e ，c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n d o o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt os t u d yt h ed i a g n o s i so fs e n s o rn o d ef a u l t a n dt h eh e a l t ho ft h en e t w o r kh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s t ，t a k eat y p i c a li n d o o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o n ，t h e g r e e nh o u s ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka se x a m p l e ，a ni n d o o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kh e a l t h d i a g n o s i ss y s t e m i s e s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n g s h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n o p t i o n ，z i g b e e s t a rn e t w o r k n e t w o r k i n g ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec e n t e rn o d ea n ds e n s o r n o d e s ，a n dt h ed e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e m t h e n ，b a s e do nt h es y s t e m e s t a b l i s h e d ，s e n s o rn o d e sf a u l td e t e c t i n gm e t h o di ss t u d i e db ya d o p t i n g p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) t h a td i v i d e st h ed a t as p a c ei n t ot h e p r i n c i p a lc o m p o n e n ts u b s p a c e ( p c s ) a n dt h er e s i d u a ls u b s p a c e ( r s ) ，a n d s e n s o rn o d e sf a u l ti d e n t i f i c a t i o nl o c a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e db yu s i n g h i g h f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so fw a v e l e td e c o m p o s i t i o n f i n a l l y , t h eh e a l t h e v a l u a t i o nm o d e lo fi n d o o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt oe v a l u a t et h e o p e r a t i o no ft h en e t w o r ki sb u i l tb yu s i n gf u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s i i i 江苏大学硕士学位论文 ( f a h p ) a n a l y z i n gt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eh e a l t h yr u n n i n go ft h e i n d o o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt od e t e r m i n eh i e r a r c h i c a ls i n g l eo r d e r v e c t o r sa n dh i e r a r c h i c a lg e n e r a lo r d e rv e c t o r s i n d o o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kh e a l t h d i a g n o s i ss y s t e m c o m m i s s i o n i n gs h o w st h a ts y s t e mr u n n i n gs t a b l ea n dr e l i a b l e s e n s o r n o d e st r a n s m i tt h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dl i g h ti n t e n s i t yi n f o r m a t i o n t ot h eu p p e rc o m p u t e rw i t hl o wp o w e rs l e e pa n dw a k eu pm o d ei nr e a l t i m e o n l yt w o - b y t ed i a g n o s i si n f o r m a t i o n - s q u a r ep r e d i c t i o ne r r o r ( s p e ) v a l u e s i sa d d e d ，a n dt h et i m ec l u s t e rn o d ed e t e c t i n gt h ef a u l ti sf a rl e s s t h a nt h e s y s t e mc o l l e c t i n gt h ed a t a ，t h e r e f o r e ，t h i s m e t h o di s e n e r g y e f f i c i e n c ya n dr e a lt i m e i n a l lt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ei n d o o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，f a i l u r en o d e sh a v et h e l a r g e s tw e i g h t c o m b i n e dt h ew e i g h t so ft h ef a c t o r sa n dt h es i n g l ei n d e xe v a l u a t i o n s ，t h e h e a l t hd e g r e ei n d e xg i v e ni se f f e c t i v et h a tp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h e n e t w o r km a i n t e n a n c ep e r s o n n e lt ou n d e r s t a n dt h eo v e r a l lo p e r a t i o no ft h e n e t w o r k 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 ，f a u l td i a g n o s i s ，h e a l t h d e g r e e i v 学位论文版权使用授权书 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。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密囹。 学位论文作者签名：旗 如f ，年月卜日 指导教师签名： 矽p 年多月【) 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已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。 辱 日 致 知 孙 月 登 乡 者 年 作 小 文 z 忿 ： 位 期 学 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 无线传感器网络引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注，是 由多学科高度交叉的前沿热点研究领域，其应用已由军事领域扩展到其他许多领 域，能够完成诸如灾难预警与求助【l 】，安全监控【2 】、健康监测【3 1 、交通管理f 4 】、 医疗卫生【5 1 、空间探索【6 】等任务。1 9 9 9 年，著名的美国商业周刊将无线传感器网 络列为2 1 世纪最具影响力的2 1 项技术之一；2 0 0 3 年，m i t 技术评论( t e c h n o l o g y r e v i e w ) 在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的1 0 大新技术之一， 2 0 0 3 年，美国商业周刊又在其“未来技术专版 中发表文章指出，无线传感器 网络是全球未来四大高技术产业之一，将掀起新产业浪潮。 目前，无线传感器网络的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也 越来越高。尽可能延长其使用寿命是近年来较热门的话题。作为无线传感器网络 的衍生，室内无线传感器网络【7 】主要用于如温室、大棚等农业设施，医院大楼、 宾馆或饭店大厦、礼堂、演播大厅、大型商场超市等，需要对室内各种环境信息 和状况信息进行检测与控制。室内无线传感器网络节点数量相对较少，分布密度 相对较低，一般人工部署，单个传感器节点可靠性对网络健壮性影响大，当网络 系统中出现运行有故障的失效节点时会导致网络性能的下降甚至瘫痪；同时网络 系统在运行过程中，由于受到外界环境的影响及节点自身受能量限制等因素产生 亚健康节点导致网络系统性能的下降影响系统的稳定性。 无线传感器网络不同的应用环境和应用对象有不同的数据源特征，对时延、 可靠性、能耗、健壮性的要求不尽相同。因此，针对室内无线传感器网络应用特 点和使用情况，开展室内无线传感器网络系统节点故障诊断与健康状况预警机制 研究，及时对无线传感器网络运行状态作出诊断和维护，对网络系统健康度动态 变化趋势进行预测和预警判断，防止网络系统突然恶化甚至瘫痪，从而提高网络 系统运行可靠性和健壮性，确保各种信息检测与控制稳定正确具有重要的现实意 义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 从目前查阅的各种文献资料来看，无线传感器网络的研究主要集中在网络拓 扑控制、网络协议、定位技术、嵌入式操作系统，而涉及无线传感器网络节点故 障诊断的文献相对较少。 国外有：s c h e s s a 等提出了一般无线传感器网络节点崩溃故障算法并证明了 其可行性【1 1 】；lb r u i z 等提出使用外部管理器的事件驱动型无线传感器网络故 障诊断机制【1 2 】；m h l e c 等提出一种通过比较邻居节点间的发送数据和向邻居 节点传播检测结果进行分布式故障诊断的方法【1 3 1 ；gv e n k a t a r a m a n 等针对节点 能量损耗型故障提出了基于分簇的故障诊断算法，当某个节点故障发生时，算法 在保证网络连通性的同时具有快速的响应性，延长整个网络寿命【1 4 1 。 国内有：蒋鹏对传统的无线传感器网络故障诊断算法进行了改进以降低误诊 断率和减少邻居节点信息的依赖性【1 5 】；雷霖等提出了一种基于粗糙集理论的无 线传感器网络节点故障诊断算法，将粗糙集理论用于故障属性约简降低诊断过程 中网络的开销，并且通过消息询问的方式对节点故障进行检测【1 6 1 ：张劫等提出 基于比较簇节点的无线传感器网络故障诊断算法，利用簇头作为簇内故障诊断的 集中控制单元对簇内节点进行集中诊断，同时利用链接所有簇头的逻辑子网，通 过在簇头之间传递相关诊断信息的诊断方式对网络中节点问的通信故障加以识 别【1 7 1 。 可见，目前大多诊断算法为针对节点硬故障的系统级诊断算法，在诊断过程 中需要节点之间进行诊断信息的交换才能够实现故障诊断，并且能够诊断出节点 故障的类型都十分有限，远远不能满足无线传感器网络技术发展的需要。 无线传感器网络系统运行健康状况诊断预警机制研究，涉及传感器网络管理 中的能量管理、拓扑管理、网络安全管理等。而对无线传感器网络如何进行在线 监视、综合管理与评估研究鲜有报道。相关文献如下： 国外有：p b a r f o r d 等提出一套网络性能异常的检测体系用于检测和定位一 般网络运行中出现的异常情况【1 8 1 。f h y a h a y a 等分析了传感器节点收发数据、 网络吞吐量和时延三个指标对高端应用的无线传感器网络性能的影响【1 9 1 。y s i n g h 等从点对点延时和吞吐量两个参数分析了k k 加密技术对移动自组织网络 性能的影响【冽。 2 江苏大学硕士学位论文 国内有：郑宇锋等通过对z i g a e e 协议m a c 子层和单跳与多跳传输时延的分 析，结合无线传感网络系统的时延性能指标体系，提出了一种简单便捷的无线系 统的性能评估方法【2 1 1 。陶洋等基于三角模糊层次分析法对具体的多媒体网络性 能进行了评估【2 2 1 。徐海东等提出基于前向单隐层b p 神经网络方法对3 g 无线网 络u t r a n 网络质量进行综合评价【2 3 1 。 可见，目前针对网络性能的评估与分析主要集中在网络协议、算法性能或者 某个具体指标的分析，而单个具体指标并不能完全反应整个网络运行的整体状 况。无线传感器网络诊断预警处理目的和内容不同于一般网络系统故障诊断，但 在诊断算法和机制上可以借鉴一般网络评估诊断方法对无线传感器网络整体运 行状况进行评估诊断。 1 3 论文主要研究内容 本文在总结前人研究成果并借鉴现代诊断及预警技术的基础上，针对室内无 线传感器网络的特点对无线传感器网络节点故障及健康状况诊断做了有益的探 索，主要工作如下： ( 1 ) 室内无线传感器网络节点故障及健康诊断系统的组建，包括系统硬件设 计和软件设计。系统硬件设计包括中心节点硬件配置和传感器节点的硬件设计： 系统软件设计包含下位机程序和上位机程序两部分，下位机程序主要实现z i g b e e 星形网络的组建和节点数据采集；上位机程序接收来中心节点数据并实时显示存 储。 ( 2 ) 在所构建的室内无线传感器网络系统平台的基础上研究室内无线传感器 网络传感器节点的故障诊断技术。室内无线传感器网络单个节点对于网络系统的 可靠性至关重要，针对室内无线传感器网络节点规模小、分布密度低、网络拓扑 稳定、每一个节点可以监控等特点，提出了一种基于主成分分析( p c a ) f f i i d x 波分 解处理相结合的传感器节点故障诊断方法：利用系统采集的历史数据构建p c a 诊断模型，结合平方预测误差( s p e ) 和小波分解高频系数的方法确定故障位置对 传感器网络簇内节点故障进行诊断。 ( 3 ) 基于模糊层次分析理论对室内无线传感器网络健康状况进行诊断。将影 响室内无线传感器网络健康状况的因素进行分类，确定评估技术指标，建立健康 3 江苏大学硕士学位论文 评估模型。在构建评估层次结构模型和模糊互补判断矩阵的基础上求出各项评估 指标的单项和综合权重，给出室内无线传感器网络健康评估综合指标健康 度，按照健康度等级对室内无线传感器网络运行的健康状况做出预警，从而提高 网络系统运行可靠性。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章室内无线传感器网络系统硬件设计 2 1 室内无线传感器网络应用对象 室内无线传感器网络系统设计以其典型应用对象温室为例。温室单栋跨度约 1 0 m ，开间5 m ，平均顶高5 3 m ，整个温室约5 0 m 5 0 m 。由于温室气温的分布 存在着严重不均现象，在天气晴朗、少云、光照充足时气温变化剧烈，湿度、光 照度和c 0 2 浓度也有明显变化，温室栽培时需要及时进行温度、湿度和光照调 节。为此，温室按照上、中、下三层，间距1 0 r e x1 0 m 均匀布置7 5 个温湿度一 体的传感器节点，c 0 2 浓度和光照变化较缓慢，均匀布置1 0 个c 0 2 浓度传感器 节点和1 0 个光照传感器节点，温室气象站预留5 个传感器节点，检测室外温度、 湿度、风速等信息，设置5 0 个特殊传感器节点，负责对温室的调温、调湿和调 光等执行器的控制。总共约部署1 5 0 个无线传感器节点，分布密度约0 0 6 d m 2 。 通过多目标优化确定簇头节点数m 为8 个，单簇最大传感器节点数疗为2 0 2 4 。 2 2 室内无线传感器网络结构 2 2 1 无线传感器网络节点组成 传感器模块处理器模块无线通信模块 l 传感器h 觚脱盯悻剖h 网络h 姒ch 收发器l j lljl 能量供应模块 图2 1 w s n 节点组成框图 f i g 。2 1w s n n o d eb l o c kd i a g r a m 在不同的应用场合中，无线传感器网络节点的组成不尽相同，基本组成包括 四个模块：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块【2 5 】，如图 2 1 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责 控制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其它节点发过来的 s 江苏大学硕士学位论文 数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发 数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 222 室内无线传感器网络系统结构 室内无线传感器网络系统检测室内环境温度、湿度、光照度等物理量，从而 作为室内空调系统、加湿器以及光线调控系统打j f 和关闭的依据。底层一般无线 传感器节点采集环境信息，将数据无线发送至扩聚层的簇头节点，簇头节点接收 数据并进行相应的处理后转发给r 位机。 蘸毹 “”演：i i ”“1 o t m 口m - 蘸 图22 室内无线传巷器网络系统结构图 f i 9 22 i n d o o r w i 嘣e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m $ t t i i c u l eb l o c k 系统总体结构见图22 ，网络采用星形拓扑结构，传感器节点与路由节点、 传感器节点与中心节点，路出节点与中心节点之间采用短距离无线通信方式进行 连接：中心节点与上位机之问采用有线串行方式进行数据交换。 2 3c c 2 4 3 0 无线收发模块 室内无线传感器网络系统无线通信部分采用短距离无线通信方式，由于无线 收发芯片的种类和数量比较多无线收发芯片的选择在防计中至关重要，正确的 选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本更快地将产品推向市场。 本系统选用c h i p c o a 公司c c 2 4 3 0 无线解决方案，能够提高并满足以z i g b e e 为基础的24 g h zi s m 波段对低成本、低功耗的要求，特别适合那些要求电池寿 命非常长的应用。c c 2 4 3 0 结合一个高性能2 4 g h zd s s s 值接序列扩频谢频收 发器核心和一颗工业级小巧高效的8 0 5 1 控制器。c c 2 4 3 0 外围参考电路及无线目 标模块如图23 所示。 6 江苏大学硕士学位论文 闰23 c c 2 4 3 0 外固参考电路厦目标模块 f i g 23 c c 2 4 3 0 e x t e r n a lr e f e r e n c ec i r c u i ta n t i o b j e c t m o d u l e 2 4 中心节点硬件配置 中心节点由成都无线龙公司z i g a e e 无线开发系统c 5 1 r f 3 - z d s 提供的 c c 2 4 3 0 无线目标模块和液晶扩展底扳组成，如图2 4 所示，液晶扩展底板包括 电源接u 、图形汉字l c d 显示器、小键盘、r s 2 3 2 接口、c c 2 4 3 0 无线模块接口、 l e d 等。为能够快速组建室内无线传感器网络系统下面详细介绍液晶扩展底 扳各主要部分。 图24 中心节点 f i 9 24 c e n t e r n o d e 江苏大学硕士学位论文 2 4 1 电源模块 电源部分采用交直流两用模式，图2 5 为系统供电电路原理图，p o w e r 外接 5 va c d c ，二极管起反向输入保护作用。b a t t e r 由3 节a a 电池供电，一般在 需要移动性测试的场合使用，开关s 用于控制电路是否供电。稳压芯片采用1 i 公司的t p s 7 9 4 3 3 低压差线性稳压器，该芯片通常适用r f 模块、蓝牙模块及无 线传感器网络节点的供电方案应用，具有很高的电源抑制比( p s r r ) ，极低的噪 声和快速的启动时间。 2 4 2 显示模块 图2 5 供电电路原理图 f i g 2 5p o w e rs u p p l ys c h e m a t i c 显示模块采用r i t e k 分辨率为1 2 8 6 4 的o l e d 显示器，采用s s d l 3 0 3 作 为驱动控制器，通过s p i 方式同c c 2 4 3 0 相连，如图2 6 所示，m o s i 和s c k 分 别为o l e d 数据和时钟输入，p 0 0 为o l e d 背光打开关闭控制口，p 1 1 为数据 命令选择控制口，p 1 2 为复位控制口，p 1 3 为片选控制口。 图2 6 0 l e d 显示电路原理图 f i g 2 6o l e dd i s p l a ys c h e m a t i c 8 江苏大学硕士学位论文 2 4 3 按键识别 按键采用线选和a d 转换方式识别，如图2 7 所示。采用线选法控制的按 键每一个按键对应1 个g p i o 资源，按键响应速度快；对于a d 转换按键识别方 法，当某一个按键按下时对应一个a d 转换数字量，通过对该数字量范围的判别 识别相应的按键。 2 4 4 串口模块 图2 7 键盘输入接口电路原理图 f i g 2 7k e y b o a r dc i r c u i ts c h e m a t i c s c c 2 4 3 0 拥有两个异步全双工串行通信接口，可以同时接收和发送数据。液 晶扩展底板通过s p 3 2 2 3 芯片把t t l 电平转化为r s 2 3 2 电平，如图2 8 所示， s p 3 2 2 3 是一个采用+ 3 v 电源供电的双通道转换芯片，与c c 2 4 3 0 的u s a r t 0 相 连，s p 3 2 2 3 的r i o u t 引脚接c c 2 4 3 0 的p 0 2 ( r x ) 引脚，t i i n 引脚接c c 2 4 3 0 的p 0 3 ( t x ) 弓l 脚。 磊 h r 2 i nr 1 0 u 1 r l i kr 2 0 u 1 虿2 0 医，rt = l n t l a u t 瓢搿 s z a l 一： o 汛咙 s l 甄力忑o 骗2 ； 踟 g c 2 一 v -似 v 斗c 1 v c cc l + 箍咯2 2 3 1 0 1 5 ，2 r x d o l n 图2 8r s 2 3 2 串口转换电路原理图 f i g 2 8r s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c ec o n v e r t e rd r c u i ts c h e m a t i c s 9 r 辱崔 江苏大学硕士学位论文 2 5 传感嚣节点硬件设计 2 51 温湿度传感器节点设计 温湿度的测量足室内无线传感器网络系统中晟常见的实测参量。由于集成式 传感器所具有的优点，越来越多的设计者采月j 集成式的传感器来取代传统的热敏 电阻或温墩电容。本系统温湿度传感器节点选用瑞士s e n s i r i o n 公司出品的 s h t l 0 温湿度一体传感器，图29 为s h t l 0 结构框图与实物图i 掬。 瞬29 温湿度传感器s h t l 0 f i 9 29 t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys g f l g o r s h t l 0 s h t l 0 传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的 温度敏感元件，并在同一芯片上，与1 4 位的a m , 转换器以及串行接口电路实现 无缝连接。s h t l 0 传感器芯片在极为精确的；1 5 j ! 度腔室中进行标定，以镜面冷凝 式湿度计为参照，校准系数以程序形式存储在o t p 内存中，存校正的过程中使 用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的 功耗，使其成为室内无线传感器嘲络应用的首选。 + 3 v 图21 0 s h t l 0 接口电路图 f i 9 21 0 s h t l o i n t e r f a c ec i r c u i t s h t l 0 与c c 2 3 3 0 无线模块接u 电路如图21 0 所示，s h t l 0 数据输出采用 1 2 c 总线，c c 2 4 3 0 不具备1 2 c 总线接口，故使用单片机通用i o 口线来虚拟1 2 c 江苏大学硕士学位论文 总线，用p 1 0 来虚拟时钟线，p 1 2 来虚拟数据线d a t a ，并在d a t a 端接入一 个1 0 k 的上拉电阻【勿。 2 5 2 光照度传感器节点设计 测量室内辐照度选用，1 1 的t s l 2 3 0 b 传感器。它主要由多晶硅光电二极管和 单片c m o s 电流频率集成转换器构成。芯片把一定光谱的光转换成电流，再由 电流频率转换器转换成相应的脉冲频率，分辨率极高，可以直接与微控制器连 接，传感器结构框图如图2 1 1 所利2 8 1 。 翮s l驼叼 图2 1 1 光照度传感器t s l 2 3 0 b f i g 2 1 1l i g h ti n t e n s i t ys e n s o rt s l 2 3 0 b 图2 1 2 为t s l 2 3 0 b 与c c 2 4 3 0 的连接图，s 0 、s 1 为灵敏度控制端， s 2 、 s 3 为满量程选择端；o u t 为频率信号输出，频率信号由c c 2 4 3 0 的p 0 3 ( t i m e r l ) 捕获输入，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差计算出输出频率值，根据官 方提供的频率一能量关系曲线对照，如图2 1 3 ，得到光辐照度( 单位：r t w c m 2 ) 绷。 玎虿。 一s o$ 3 掣w 圹 歹西、：一i；s is 2 ；0 - f 张乏一 - 毒一硬! o l r f0 - 芸一7 ”两歹 广生g n dv d d 卜上t 卡搿 r 3 l 镪落矿l 岵 訾 图2 1 2 t s l 2 3 0 b 接口电路 f i g 2 1 2t s l 2 3 0 b i n t e r f a c ec i r c u i t v d o - 6 v ，i ff 。6 7 0 “ 。77 l 了 抬，： s 2 1 3l l ， 一嗣i 村 勺7 ； r 广z 。 ，。二 k j 睡- k i h l 一 ，?么一蜘一。 图2 1 3 t s l 2 3 0 b 频率能量关系图 f i g 2 1 3t s l 2 3 0 bf r e q u e n c ya n di r r a d i a n c e d i a g r a m 江苏大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章搭建了室内无线传感器网络系统的硬件平台。在成都无线龙公司提供的 c 5 1 r f 3 - - - - z d s 开发系统硬件基础上对中心节点硬件进行了配置，并设计了室内 无线传感器网络系统的传感器节点：温湿度传感器节点和光照度传感器节点。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第三章室内无线传感器网络系统软件设计及调试 3 1 软件设计功能要求和方法 室内无线传感器网络软件设计包括下位机软件和上位机软件设计两部分。本 章重点介绍下位机软件的实现，采用模块化的设计思想设计下位机软件：包括无 线网络的通信管理；传感器节点的数据采集；节点低功耗工作方式的实现；无线 数据收发等功能。上位机监控管理软件采用b o r l a n dc + + 编程语言实现，通过 w i n 3 列心i 函数调用实现串口通信并采用多线程技术手段完成界面主线程和数据 采集后台辅助线程接收中心节点发送的数据，同时利用b o r l a n dc + + b u i l d e r 的数 据库管理功能对上传的历史数据进行管理。 3 2 室内无线传感器网络通信方式 选用z i g b e e 短距离无线通信技术作为本系统无线通信方式。z i g b e e 技术具 有低复杂度、低功耗、低速率、低成本的特点，工作在2 4g h zi s m 频段上， 传输速率为2 0k b s - 2 5 0k b s ，传输距离为1 0 m 7 5 m ，主要用于近距离无线传输， 应用领域包括工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、 消费电子、医用设备控制等【2 9 3 4 】。z i g b e e 协议是由i e e e8 0 2 1 5 4 1 3 5 】标准的p h y 和m a c 层再加上z i g b e e 的网络层和应用支持层所组成。 3 2 1z i g b e e 协议栈 如图3 1 ，z i g b e e 协议栈是在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上建立的，z i g b e e 设 备包括i e e e8 0 2 1 5 4 的p h y 与m a c 层、z i g b e e 堆栈层、网络层、应用层以及 安全服务管理【3 6 1 。z i g b e e 协议栈中的每层为上层提供一组特定服务：一个数据 实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部的其他服务。每个服务实体通过 一个服务接入点( s a p ) 为上层提供服务接口，并且每个s a p 提供了一系列的基本 服务指令来完成相应的功能。 1 3 江苏大学硕士学位论文 应用层( a p l ) 魏剖叵竺】 应用支持子层( a p s ) 嘲 网络层数据实体服务 访问点( n l d e - s a p ) 网络层瞥理实体服务访 闯点( n l m e - s a p ) n 丽渌阍- - l 笪瞿j 网络层 匝到 ( n w k ) 也国眄习 m a c 数据实体服务访 问点( m l d e s a p ) 黜塞 m a c 管理实体服务访 问点( m l m e s a p ) 媒体访问控制层( m a c ) 物理层数据服务访 问点( p 胁s a p ) 物理层管理实体服务 访问点( p l m e s a p ) 臣到 物理层( p h y ) 图3 1z i g b e e 协议栈结构体系 辎 陋 剐 锕 星 t q f i g 3 1z i g b e es t a c ka r c h i t e c t u r e 本系统采用的z i g b e e 协议栈为无线龙公司提供的精简版协议栈，该协议栈 全面支持z i g b e ef f d 、r f d 、r o u t e r 、c o o r d 和多种网络拓扑，并且具有 z i g , b e e 协议栈基本的c 5 1 源文件，包括n w k c 网络层源代码、定义文件n w k h 、 网络邻居代码等；同时包括8 0 2 1 5 4 m a c 层的全部源代码，具体见表3 1 。 1 4 厶 堂计_ 誉 答呔舞蛙 林尉瓤厶 _日z 星罄 呔蹬蛙能 呔罡)惫乞 江苏大学硕士学位论文 表3 1 无线龙精简版z i g b e e 协议栈 t a b 3 1t h ew x ll i t ev e r s i o nz i g b e ep r o t o c o ls t a c k 相关程序具体函数及其功能 应用层程序 网络层程序 m a c 层程序 p h y 物理层程序 i e e e 定义的一些相关头文件 a l a s c a p s h 应用子层程序 m e m a u o c c m e m a l l o c h 内存申请释放 z e p c z 印h 设备对象相关操作程序 c o n s o l e c c o n s o l e h 输出控制相关程序 n e i g h b o r c n e i g h b o r h 邻近节点相关程序 n w l c n w l h 网络层相关程序 m a c c m a c hm a c 层相关程序 p h y c p h y h 物理层相关程序 h a l s t a c k h e v b o a r d h i o c c 2 4 3 0 h 与c c 2 4 3 0 相关的一些定义 i e e e _ l r w p a n _ d e f s h l r w p a n _ c o m m o n _ t y p e s h l r w p a nc o n f i g h 3 2 2z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 协议定义了两种相互配合使用的物理设备全功能设备和削减功能 设备：全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，可以支持任何一种拓扑结构，可 以作为网络协调器、路由器或终端节点，具备控制器的功能，并且可以和任何一 种设备进行通信。削减功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r e d ) ，只支持星型结 构，不能成为网络协调器或者路由器，可以与其进行通信，实现简单。 z i g b e e 网络中有三种网络角色：z i g b e e 网络协调器、z i g , b e e 路由器和终端 设备。每一个网络只有一个网络协调器，网络协调器是网络建立的起点，负责整 个网络的初始化，确定p a n 的d 号和通信信道。它能允许其它节点加入网络， 并统筹分配短地址。网络协调器必须是f f d ，还具有路由和数据转发的功能，并 周期性地发出信标帧( b e a c o nf r a m e ) 。路由器也必须是f f d ，具有数据路由的能 力。终端设备可以为f f d 或r f d ，它是网络的子节点，只能与父节点通信。 z i g b e e 网络根据应用的需要可以组成星形网络，也可以组成点对点网络，其 中点对点网络又可分为簇树网络和网状网络，如图3 2 所示。在星形结构中，所 有设备都与中心设备p a n 网络协调器通信，在这种网络中，网络协调器一般使 用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星形网络适合家庭自动化、个 1 5 江苏大学硕士学位论文 人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。而点对点网络与星形网 络不同，只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之间都可以直接 通信。点对点网络也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身 份等功能。点对点网络模式可以支持a dh o c 网络，允许通过多跳路由的方式在 网络中传输数据。相比星形网络，点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合 于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制，货物跟踪和智能农业等方面 有非常好的应用前景。 3 2 3z i g b e e 原语 书揿 ( a ) ( b ) ( a ) 星形网络 ( b ) 簇树网络 ( c ) 网状网络 ( c ) 图3 2 z i g b e e 网络拓扑结构 f i g 3 2z i g b e en e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r e z i g b e e 设备在工作时，各种不同的任务在不同层次上执行，通过层的服务完 成所要执行的任务，每一层的服务可通过建立在它下层服务上的功能，来为它上 层或者子层里的用户提供服务【3 7 1 。原语通常分为四种基本类型。 ( 1 ) r e q u e s t ：请求原语是从n 用户传递到n 层，用以请求发起服务。 ( 2 ) i n d i c a t i o n ：指示原语是从n 层传递到n 用户，用以指示一个内部n 层事 件对于n 用户有重要的意义。该事件可能与远端服务请求逻辑相关，或 者它是由n 层内部事件引起的。 ( 3 ) r e s p o n s e ：响应原语是从n 用户传递到n 层，用以完成指示原语先前调 用的程序。 ( 4 ) c o n f i r m ：确认原语是从n 层传递到n 用户，用以传送一个或多个先前相 1 6 江苏大学硕士学位论文 关的服务请求的结果。 服务提供者 n - l a y e r 图3 3z i g b e e 服务原语 f i g 3 3z i g b e es e r v i c ep r i m i t i v e 图3 3 说明了原语的概念，它描述了服务层次的关系，以及两个通信的n 用 户和它们相连的n 层( 子层) 对协议实体之间的关系。 3 2 4z i g b e e 星形网络组网 对于小规模的室内无线传感器网络应用采用z i g , b e e 星形网络拓扑结构。星 形网络以中心节点( 网络协调器) 为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信， 因此星形网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。任何一个f f d 节点 都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决 定。一般采用的策略是：一个f f d 设备在第一次被激活后，首先广播查询网络 协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列 认证过程，设备就成了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过 程不成功，这个f f d 设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协 调器。 在本系统中，中心节点由用户指定