（测试计量技术及仪器专业论文）无线传感器网络环境监测系统数据中转器设计.pdf

摘要 摘要 随着半导体技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，具有 感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛。用于监测感 知对象的各个传感器节点通过自组织的方式构成无线传感器网络，能够实时感知、 采集和上传节点分布区域内监测对象的各种信息，监控用户对监测信息加以处理 从而完成环境数据的监测任务。无线传感器网络已逐渐成为工业界及学术界的一 个研究热点，特别是在环境监测方面其应用价值显得尤其明显。 本课题主要介绍无线传感器网络环境监测系统数据中转器设计，包括硬件电 路以及软件程序的设计。系统设计的目的是提供监控用户和传感器节点的远程通 信链路，让系统具备最低功耗性和数据处理的安全可靠性。本文重点介绍基于 c c 2 4 3 0 ( 无线收发芯片) 和p c i 0 4 ( e c 5 1 7 1 2 ) 的无线传感器网络数据中转器设计， 配以d c a t x 电源模块、无线通信模块以及软件设计，实现低功耗、能量自给、 可靠的无线传感器网络环境监检测系统。 在甘肃张掖的野外实验显示本系统具备实时性强、数据可靠、功耗低、可远 程控制等显著优点，系统基本实现了设计的各项要求指标，具有广阔的应用前景。 关键字：环境监测，远程通信，数据中转，低功耗 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h t h e m a g i cd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n c l u d i n g s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，s e n s o rt e c h n o l o g y ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) w h i c hc a l la p p e r c e i v e ，c a l c u l a t e ，s t o r ea n dc o m m u n i c a t eh a sb e e na p p l i e di n w i d e ra n dw i d e rf i e l d s w i r e l e s ss e n s o rn o d e sw h i c ha r eu s e dt om o n i t o rs o m e s p e c i f i co b j e c t sc a nw o r kt o g e t h e rt of o r mas e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k f o rt h es a k e o fa p p e r c e i v i n g ，s a m p l i n ga n du p l o a d i n gt h ee n v i r o n m e n t a ld a t a t h e nt h e m o n i t o r i n g u s e rc a np r o c e s st h es e n s o rd a t ai no r d e rt oa c c o m p l i s ht h e a s s i g n m e n t o fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，t h er e s e a r c ho fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u si nt h ei n d u s t r i a la n da c a d e m i cd o m a i n s i t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ee n v i r o n m e n t a ls u r v e i l l a n c ef i e l dm a k e si t m u c hm o r en o t a b l e t h ep a p e ri sb a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g n so fd a t a r e t r a n s f e r f o re n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h em a i ni n t e n t i o no ft h ed e s i g ni st oe s t a b l i s ht h er e m o t ec o m m u n i c a t i o nl i n k b e t w e e nm o n i t o r i n gu s e ra n ds e n s o rn o t e s t h i sd e s i g ni sa i m e da tl o w c o n s u m p t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y i nd a t ap r o c e s s i n g t h ed e s i g no f d a t a r e t r a n s f e r f o re n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s b a s e do nc c 2 4 3 0 ( r ft r a n s c e i v e r ) a n dp c i 0 4 ( e c 5 1 7 1 2 ) w i t hp e r i p h e r a l d c a t xp o w e r s u p p l ym o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sa n de f f e c to f t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sc a ni m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，p o w e rs u p p l y s e l f - s u f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y t h ef i e l de x e r c i s ec a r r i e do u ti nz h a n g y ei ng a n s up r o v i n c ei n d i c a t e st h a tt h i s s y s t e mi sp r o m i n e n ti nt h ef e a t u r eo fi t sr e a lt i m ec a p a b i l i t y , h i 醢d a t ac r e d i b i l i t y , l o w c o n s u m p t i o n , r e m o t ec o n t r o la n ds oo n t h i ss y s t e mu l t i m a t e l ym e e t st h er e q u i r e dg u i d e l i n ea n di tw i l lb eu n i v e r s a l l yu s e di nw i d e rs c o p e s k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a lm o l l i t o r r e m o t e c o m m u n i c a t i o n , d a t ar e t r a n s f e r , l o w c o n s u m p t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：二p j ：年月臼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：盔幺一 日期：叫年占月怕 第一章绪言 1 1 课题背景 进入2 1 世纪，信息获取的手段和能力已非常丰富。在强大的电子信息技术和 航空、航天技术支撑下，人类己具备从天、空、地获取地球表面信息的能力。遥 感平台、传感器、数据通信等相关技术领域的快速发展，已经可以建立一个能够 动态、快速、准确、多手段获取并提供各种对地观测数据的立体信息网络。在信 息获取、处理和应用方面，单一的数据源已不能满足应用需求，而获取多源数据 ( 空间遥感、地面实测) 并通过融合、去冗余等方式减少数据的不确定性，即可 以得到更充分的信息，同时可以建立相关联信息之间的推演模型，为进一步信息 的预测打下坚实的理论和技术基础【l 】。 无线传感器网络的研究工作首先是开展于美国。1 9 9 7 年加州大学伯克利分校， 在d a r p a 的资助下，首先开展了智能微传感器网络的研究，成立了尘埃网络公司。 紧接着其它国家和地区，如欧洲、澳大利亚、日本、新加坡、巴西也相继开展了 各自关于无线传感器网络的研究工作i ：2 】。 我国的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。1 9 9 9 年在中 国科学院提交的知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报 告中首次提及，传感器网络作为当时提出的五个重大项目之一p j 。2 0 0 1 年中科院 依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，建立了我国首个传感器网络系统 研究平台，在无线传感器网络通信协议、传感器节点功耗、传感器簇点、网络应 用系统等多个方面取得很大的进展【4 】，其中很多研究成果已经开始应用在港航监 控、交通监督、机场监控等多种实际工程中。2 0 0 5 年北电网络与北京邮电大学正 式签署了“在无线传感器网络的关键技术研究和智能办公的应用项目上开展深入 的联合研发 的项目协议1 5 】。与此同时国内的许多高校和企业单位也都加入了无 线传感器网络的研究行列。 本课题来源于国防科工委民用航天专项研究“多角度偏振遥感应用关键技术 研究”的子课题“无人值守真值数据采集智能网络系统 。旨在实现地表和空气温 湿度实测数据的无人值守监测，通过无线传感器网络上传到数据中转器汇总数据， 电子科技大学硕士学位论文 经过简单处理后利用外部的无线通信接口将网络采集数据上传至用户电脑，统一 进行数据分析。 1 2 课题意义 在传感器技术、嵌入式处理、现代网络和无线通信技术的推动下，具有现代 意义的传感器网络越来越受到人们的普遍关注和广泛应用。传感器网络技术的发 展是很多其它研究领域协同工作的结果，比如传感器的设计制造方面就与材料学、 电池化学、模数电路设计、无线通信元件、射频处理器设计等多个领域相关，除 此之外无线传感器网络的研究还涉及到无线通讯、数字信号处理、嵌入式设计等 多个知识面。传感器网络具备强大的网络测试性能，其应用已逐步渗透到战场勘 察、环境监测、医疗保健、工业应用等更多领域。无线传感器网络是一门新兴技 术，及时开展它对改善人类未来生活和发展前沿科技有着深远的意义和影响力。 随着生活质量的提高人们对于环境指标日益关注，无线传感器网络在环境研 究方面的应用也越来越广泛，可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜 和家禽的环境状况和大面积地表监测等，甚至可以在森林火灾、洪水监测等方面 做出一份特殊的贡献。因此做好无线传感器网络在环境监测中的应用研究对环境 观测、灾害预测、动物种群研究等领域具有不可忽视的研究意义【6 j 。 目前在无线传感器网络应用于环境监测方向的研究我们与国际水平之间的差 距并不大，如果能获得我国自主知识产权的无线传感器网络相关技术，无论应用 在国防还是民用上对传感器网络的发展和推广具有积极的战略意义。 1 3 课题的设计指标 无线传感器网络环境监测系统要求系统在复杂、恶劣的自然环境或者其它实 际应用中能长时间准确可靠地进行数据采集任务。传感器网络是以数据处理为目 的随机布设在监测区域内，因此数据采集误差必须控制在0 5 以内；另外野外环 境一般都是无人值守的，需要无线传感器网络系统自身具有高度的稳定性和尽量 长的生命周期，同时系统成本也是设计必须考虑的重要因素。 用户控制机通过节点网络控制界面能够实时查询网络的采集数据、下达新的 采集任务和查询节点历史数据；传感器节点能够准确采集环境数据，完成7 0 米以 2 第一章绪言 上的可靠无线通信，同时传感器网络具备高度自组织特性，能够随时加入或者撤 离若干采集节点而不影响已入网节点的工作。 数据中转器用于给用户和监测区域中的传感器节点搭建稳定的远程通信链 路，同时是数据上传和用户控制输入的转接口。数据中转器工作于物理层，它必 须将两个不同网络体系的数据经过解析、封装成能够被识别的数据包，实现不同 协议的转换；同时它也是传感器网络的管理者，给网络内传感器节点选定合适的 2 4 g 左右的物理信道，协助节点完成组网和路由；另外它要实现1 0 0 兆数据的可 靠存贮、收发，能够保证无线传感器网络系统1 0 0 小时以上的稳定工作。 数据中转器必须工作于节点网络一定的传输范围内才能实现中转器上汇聚节 点和传感器节点的r f 通信，因此中转器也必须具备野外工作的能力，除了能源消 耗尽可能低外，其安全性能也有一些要求。 1 4 数据中转器的研究现状 一般所说的无线传感器网络应用指的是单一的传感器节点网络，这种网络是 由不同的节点簇组成，簇与簇之间相互独立，整个网络通过无线射频实现协同工 作，但是整个网络都是应用r f 通信的，监测数据的传输距离受到限制。本课题中 所讨论的无线传感器网络数据中转器是根据课题要求的远程控制目的自行设计 的，将无线传感器应用和嵌入式设计相结合的产物，是一个全新的应用理念。功 能上数据中转器即是一个从r f 无线网络到i n t e r n e t 有线网络的网关，又是一个数 据上行命令下行的解析器，同时它还是整个无线网络的管理者、数据的存贮器， 它对整个无线传感器网络环境监测系统的稳定工作起着举足轻重的作用。 为了解决这个传感器网络传输距离受限和不同网络介质间通信转换的问题， 提出了传感器网络数据中转器的概念。理论上讲，传感器网络可以通过任何网络 接入方式与监控用户通信，目前为止出现的接入方式有：u s b 有线接入、蓝牙技 术、g p r s 、w l a n 接入、卫星接入、c d m a1 x 接入等，表1 1 对这几种常见的 接入方式从上行数据速率、网络覆盖范围以及集成成本方面做个比较。 综合比较表1 1 中所示各种接入方式，本课题选择了实用性最强的g p r s 方式 来实现无线接入。本文从工程实现的角度出发，应用嵌入式和传感器网络数据管 理的相关理论知识来进行数据中转器设计，实现一种新的无线传感器网络远程控 制方案，对推动无线传感器网络的应用开发研究具有一定的意义和价值。 电子科技大学硕士学位论文 表1 1 接入方式比较 接入方式上行数据速率网络覆盖范围集成成本 u s b 有线 5 6 k b p s 一10 0 m b p s 一般5 0 米以内易集成 接入 成本低 蓝牙技术 最高达到1 m b p s 1 0 1 0 0 米不易集成 成本高 卫星接入速率低，传输延迟大最广不易集成 成本高 g p r s 接入最高达11 5 2 k b p s较广易集成 成本最低 l a n 接 1m b p s 一5 4 m b p s 热点区域易集成 入 成本低 c d m al x 最高达1 5 3 6 k b p s 较广易集成 接入成本低 1 5 数据中转器设计的必要性 通信距离 本文介绍的无线传感器网络环境监测系统是对一定面积的区域内若干环境指 标数据进行监测，最终实现对传感器节点的远端实时控制、实时数据查询的功能。 这样的设计要求必然要求监测区域内布置的大量的传感器节点具备远程通信的能 力，而基于z i g b e e 协议的传感器节点之间最大传输距离是有限的( 一般在几十米) ， 这样就限制了传感器网络数据传输距离，因此必须要有一个支持远程通信的模块 处于网络内部担任远程通信的角色。 网络管理 虽然节点具备能量监测和链路质量指示能力，能够自动调整设备的发射功率 保证节点的最低消耗，但是整个节点网络必须有个节点管理者，它是组网过程的 发起者，节点通信物理信道的决定者也是节点间相互协同工作的管理者。 传输成本 监测区域内节点之间是通过无线r f 方式进行数据通信的，无通信成本，但是 监测网络与控制机之间远距离通信，需要借助于无线通信模块这样的长距离通信 4 第一章绪言 必然产生通信成本。本设计中整个节点网络的数据借助于一个无线通信模块g p r s 来进行远程传输能够最大限度节省设计成本。 数据存储 监控用户是随机地查询节点网络数据，单个传感器节点每天的采集数据和路 由数据量大约5 k b y t e 左右，节点的r a m 容量是有限的，为了能让节点长时间稳 定工作，网络内部必须有个大容量数据存储能力的终端存在。 1 6 课题研究的主要工作内容 本文主要介绍了基于嵌入式技术的无线传感器网络环境监测系统的数据中转 器的硬件设计和嵌入式固件程序设计。远端控制电脑端的上层软件编程由本项目 组其余成员完成。 文章主要包括以下几个方面： 第一：环境温、湿度传感器与无线传感器网络数据中转器所构成的温湿度检 测平台的总体结构。阐述各组成部分在检测平台中的作用、设计需求等； 第二：无线传感器网络数据中转器的硬件设计。主要包括工作原理、器件选 择、硬件电路设计等，对调试中遇到的问题进行了相应的分析和处理； 第三：对数据中转器与远端控制机以及传感器汇聚节点的内部数据通信协议 作了介绍，包括各指令的格式和功能； 第四：数据中转器中嵌入式固件程序设计。主要包括串口监视、休眠唤醒、 短信收发等介绍； 第五：野外实验。从实验中发现系统的优、缺点，给出系统的改善措施。 1 7 论文结构 第一章，介绍了目前的无线传感器网络的课题背景、意义、研究现状以及课 题的主要研究工作等基本概念。 第二章，主要介绍基于无线传感器网络环境监测系统的原理、特点、体系结 构与应用等方面的知识。 第三章，主要阐述了无线传感器网络环境监测系统数据中转器的总体硬件设 计方案。介绍了汇聚节点、g p r s 模块以及工控机模块之间的接口连接、控制电路、 电子科技大学硕士学位论文 通信方式等内容。整个设计着重在功耗设计、工作模式控制以及能耗管理上。 第四章，结合硬件电路给出软件设计的思路和流程，对各部分函数功能进行 说明。 第五章，介绍野外实验情况。包括实验安排、监测内容、数据吞吐量以及实 验中存在的问题等。 第六章，总结整个系统设计，给出下一步的改进计划。 6 第二章无线传感器网络 2 1传感器网络概述 第二章无线传感器网络 传感器节点一般是由传感采集单元、处理器、存储器、电源模块、无线通信 单元、软件等几个部分组成。在传感器网络应用中，传感器节点通常都是随机布 设在监测区域内，是一些处理、存储和通信能力有限的小型低值传感器【7 j 。监测区 域中的这些传感器节点之间无线互连组成无线传感器网络，网络中的部分或全部 节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也随着节点的拓扑变化而不断动态变化。 这里的拓扑变化指的是节点邻居数据或者路由数据的变化。节点间通信一般遵循 z i g b e e 协议，其中的任意一个节点只要在对方的通信距离范围内都可以充当路由 器的角色1 8 j ，并且每个节点都具备数据采集、自动搜索网络、最短路由和恢复入网 连接的能力。传感器节点组成结构如图2 1 所示。 图2 1 传感器节点结构图 传感器节点是用于采集监测区域内物理信息的，因此传感器单元是节点上必 备的，传感器将外界的信息转换为电压或者电流等模拟信号输出；处理单元协调 节点上各个功能单元，保证整个节点的协同工作，对传感器输出信号的采样、传 感器节点的供电管理、采集数据时间间隔设置等；供电单元提供传感器节点正常 工作所必需的能源；无线通信一般指的是射频( r f ) 无线通信，无线通信单元负 责本节点与其相邻其它节点的无线通信；软件则为传感器节点稳定、可靠工作提 供必要的软件平台，如传感器o s 、传感器d b 等。 7 电子科技大学硕士学位论文 本课题设计中我们采用的典型无线传感器网络结构，如图2 2 所示，系统由传 感器节点、远端监控用户控制机、任务管理节点即汇聚节点、互联网或卫星等部 分构成。传感器节点通常散布在指定的监测区域内，网络中每个传感器节点都能 承担数据采集任务，并能按照任务管理节点的要求将采集数据通过“多跳”路由 的方式传送到任务管理节点1 9 】。任务管理节点是监测区域中所有节点的管理者， 同时也是远端控制机管理传感器节点的通信中转器，肩负着数据上行、下达的使 命。传感器网络中数据中转器一般直接与i n t e m e t 或通信卫星相连，它可以通过 有线或者无线方式将传感器采集的数据传送给用户或者向传感器网络转达用户的 控制命令。 网络 数据中转模块 匡叵圃 传感器节点监测区域 图2 - 2 典型传感器网络结构图 图2 2 中节点a 、b 、c 、d 和任务管理节点之间通过射频方式通信，是无线 连接，他们之间的通信都依托节点上的巴伦电路，实现了无成本通信。任务管理 节点和远端控制机之间的通信存在着一个无线r f 网络与用户以太网网络通信协 议不兼容的问题，这样本课题中的数据中转器设计就被提了出来，它能将传感器 网络的监测数据通过无线通信模块传输给远端的控制机，是传感器网络与以太网 网络之间的“网关”。 传感器网络中的各个节点能够协同工作，实时感知和采集传感器节点布设区 域内的各种监测对象的信息，并将采集到的信息进行融合、处理，从而获得详尽 而准确的监测信息，这些信息可以传送给需要的用户用于特定的监测目的。目前 来说无线传感器网络在军事监控、环境监测、地震与灾害气候预测、太空探索以 及地下水探测等许多方面都具有广阔的应用前景【lo 】，可以说无线传感器网络是推 动信息感知和采集革命的动力，是本世纪最重要的科技技术之一。 8 第二章无线传感器网络 2 2无线传感器网络的原理、特点以及应用 传感器网络最初来源于冷战时期美国国防高级计划局的一个研究项目。为了 实时监测海水中敌方潜艇的行动，在海洋中布置了大量的传感器，利用这些传感 器监测的信息来判断提防潜艇的动向。由于当时的条件限制，传感器网络并未能 应用在除军事以外的领域。 随着传感器网络相关技术的发展，传感器网络的理想蓝图得以逐步实现。传 感器网络从有线到无线大致经历了以下四个发展历程：2 0 世纪7 0 年代的第一代传 感器网络使用的是简单信号采集能力的传统传感器，采用点对点有线传输连接； 第二代传感器网络在连接中采用串口、并口与传感控制器相联，构成了具有多种 信号综合处理能力的传感器网络；第三代传感器网络是在智能传感器出现的基础 上产生的，大约是2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初出现，借助于智能传感器，传 感器网络控制器使用现场总线连接，构成智能型的局域网；第四代传感器网络正 在研究开发阶段，这一代传感器与以往传感器网络的最大区别在于：采用无线自 组织方式接入网络，是无线传感器网络】。 无线传感器网络的研究，内容涵盖面非常广。从节能到安全可靠、从理论研 究到系统实现、从物理层到应用层等各个方面都在无线传感器网络的研究中有所 涉及【1 2 1 。及时启动该领域的基础研究，把这项技术用于国防应用和环境监测上， 提高国防军事和环境研究的信息化的水平，不仅具有深远的战略意义，也具有重 要的社会价值和经济意义。 2 2 1 无线传感器网络的原理及其结构 无线传感器网络是由大量的新型传感器构成的互连系统，这些新型传感器能 与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能【8 】，该网络可以完成 复杂的监控任务。这里的传感器，功能比传统的传感器增强了许多，它具有高度 的集成性。它将传感单元、处理单元、存储单元和无线通信模块集成在一块很小 的物理单元上，在对环境信息进行感知、采集后能够将采集数据经过处理后通过 无线通信的方式传输出去。 我们将这类传感器节点随机地布设在某个待测的区域内，区域中所有节点从 整体上构成一种特殊的无线传感器网络。每个节点都有自己监控的一块区域，大 量的节点就能组成一个大的监控网络，通过其自身的传感器单元，来对它周围的 9 电子科技大学硕士学位论文 物理环境进行监控，这些传感器可以根据监测的内容来具体配备，如环境温湿度 传感器、有毒气体检测传感器、水深传感器、雪厚传感器等。 l 麟慧一 。懑强蓊露鼹蕊黧露瞄隧翌露蕊黧麓蔑 l 嬲一罢鬟纛一软件层 飞露紧雾隘莎露嚣磷勰霖嚣臻窭岛g 嬲叭l | ，五 黧。f 一嚣一霹黔篓 1 鬻冀守键扩器要琶焉譬码黪碍黔荼曼移黪 困闭图图困 硬件层 图2 - 3 无线传感器网络结构 无线传感器网络的结构随着不同的应用场合而复杂多变。一般来说，无线传 感器网络可以分为硬件层和软件层两部分，如图2 3 所示。硬件层实现传感器数据 的采集、转换和无线通信电路的控制，是传感器节点正常工作的物理基础。软件 层则是在硬件层的基础之上实现的，它用于协调传感器节点的能耗管理、通信协 议、拓扑选择、节点采集任务管理等各方面的功能。其中硬件层和软件层还可以 进一步细分，硬件层可以分为传感器、无线收发电路、能源管理、嵌入式处理器 以及外围电路；软件层可以分成链路层、网络层、应用层等t 4 。 无线传感器网络的拓扑结构有多种，经常应用的只有星形结构和网状对等拓 扑结构两种。星形结构的网络由专用中心服务节点来负责整个网络的数据传输和 网络的运行；网状结构的无线传感器网络只要网络中任意两个传感器节点在彼此 的通信范围内就可以实现点对点的传输。显然网状结构的无线传感器网络的结构 更可靠，本系统采用的就是网状对等拓扑结构。 2 2 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种无处不在的传感技术，它使用户可以更加深入地了解 和把握周围的世界。无线传感器网络随机布设、自组织、环境适应等特点使其有 着广阔的应用前景和较高的研究价值。相对于传统无线网络，无线传感器网络具 备以下明显的特征： ( 1 ) 传感器节点设计时对能源要求较高 传感器节点体积比较小，一般都是采用的电池供电，而传感器网络又往往要 1 0 第二章无线传感器网络 求连续很长时间的工作周期和较长的工作寿命。一个网络中随机布设成百上千个 传感器节点，并且部署区域一般都是人员不能到达的环境恶劣复杂区域，所以经 常更换能源的传感器节点设计是不可取的，必须在设计时充分考虑节点功耗，尽 量充分利用每一点能量尽可能延长节点的工作时间l l 引。 ( 2 ) 网络节点间采用自组网的通信方式 传感器节点是自主、自治的，与传统无线网络的中心控制通信模式不同，无 线传感器节点之间遵循z i g b e e 协议，该协议能够为用户提供灵活，机动的组网方 式【2 】。 传感器网络是任务型的网络，以数据处理为核心。由于传感器节点在监测区 域内是随机部署的，构成的无线传感器网络中节点编号与监测位置之间的联系是 偶然的、动态的联系，用户如果要查询特定区域监测事件时，应该直接将关心的 事件通告给汇聚节点，而不能把事件通告给某个确定编号的节点，传感器节点网 络是以自组织方式形成的，其节点的邻居信息和路由信息是变化的【9 】，这些拓扑信 息在每一次节点自动组网的过程中就发生新的变化。 ( 3 ) 网络规模大，网络拓扑容易变化 一般来说一个传感器网通常包括几百甚至几千个节点以拓宽感知的范围和变 化空间视角从而获得更全面的信息，减少盲区。传感器网络中的传感器经常有新 节点加入或已有节点失效，这样的变化都会导致已有节点的拓扑结构发生变化。 因此，节点每次组网完成后都要记录下当时的邻居信息和路由信息。 ( 4 ) 网络的适用能力较强 传感器节点的传输速率一般在2 5 0 k s 左右，通信距离在几十米到几百米之间。 自然环境条件对传感器网络的稳定工作影响很大，复杂环境可能造成节点的通信 不可靠甚至出现长时间故障现象。而节点的能量消耗主要是在无线通信上，无线 网络质量越好对信号发射能量的消耗要求就越低，随着通信距离的增加，能耗将 急剧增加【1 3 】。因此在满足通信连通度的前提下应尽量减少节点传输的“单跳 通 信距离，采用“多跳”路由的传输机制。传感器节点在恶劣的环境中易受干扰， 因此无线传感器网络应具有一定的容错能力。 ( 5 ) 传感器节点的方向性数据处理能力 传感器网络中数据传输具有很强的方向性。通常，节点设置信息是汇聚节点 通过广播或多播的方式在网络内传输，从而使所有节点都能侦听到，而拓扑信息 查询则是由汇聚节点通过点名的方式向分布在各处的传感器节点查询数据l l 引。 目前无线传感器网络已经成为无线通信的一个重要分支，这是因为在日常生 电子科技大学硕士学位论文 活中存在着许多这样的应用需求：系统所传输的数据通常为突发信号，数据量少， 要求实时传送的情况，如果采用传统的无线技术，虽然能完成这个要求但是存在 着设备的成本高，体积大以及能源消耗大等问题，针对这种情况无线传感器网络 成本低，体积小，能量消耗少和传输可靠的优势充分体现出来。 2 2 3 无线传感器网络的应用 无线传感器网络技术是一门新兴的高科技技术，因为其具备可自组织、可快 速部署、高容错性、监测内容可靠等方面的特点，让它在很多应用领域中显得游 刃有余。 军事应用 无线传感器网络具有重大军事价值，通过特种炮弹发射、飞机撒播、人为布 设等手段，可以将大量的传感器节点布设在人员不便于到达的观察区域，如敌方 阵地内、核能、生物、化学攻击的侦察范围，收集有用的微观数据”】，即使在观 察区域中有一部分传感器失效，传感器网络作为一个整体仍能完成规定任务。 环境监测 无线传感器网络，一般具有部署简单、节点工作可靠、系统能源供应持久、 无需派人值守的优点，这样通过密集的布设传感器节点，可以观察到微观的环境 因素，为环境研究提供新的依据【1 6 】。 传感器网络应用在环境监测领域已经有很多的实例。包括：预报森林火警； 灾害天气预测；鸟类迁徙环境研究；生物群落的微观观测。现实中传感器网络的 应用也越来越广泛，英特尔公司在俄勒冈州建立的用于土壤温度、湿度或有害物 数量检测的无线葡萄副1 7 】，旧金山金门大桥上部署的用于监测大桥隐患的联网“微 尘 ，用于监测降雨量、河床水位和土壤水分的系统等。 建筑及城市管理 无线传感器可以获取室内环境参数，经过分析处理从而为居室环境危险报警、 建筑安全、智能家居等提供现实依据。 医疗应用 医疗领域也有很多成功的无线传感器网络应用实例。在s s i m ( s m a r ts e n s o r s a n di n t e g r a t e dm i c r o s y s t e m s ) 项目中，1 0 0 个盲人通过在眼睛中植入微型传感器， 从而获得了一定程度的视觉。开展无线传感器网络的医疗应用研究最终可以让人 们在足不出户的情况下借助于各种医疗传感器网络，享受到更可靠、更便利、更 1 2 第二章无线传感器网络 舒适的医疗服务。 公共安全 通过像生物、化学传感器等特殊用途的传感器来监测有害气体、粉末、微生 物、危险物的信息，最大限度地保证人民群众的生命安全。 2 3 无线传感器网组成结构 2 3 1 传感器网络的体系结构 传感器网络中大量传感器节点随机部署在监测区域内，节点的数据传输一般 都是沿着其它传感器节点通过逐次跳跃的方式进行的，经过多跳后路由到汇聚节 点，最后通过互联网或卫星到达远端监控主机【1 3 1 。远端监控主机具备传感器节点 控制界面、数据库和无线通信模块，借助于无线通信模块通过节点控制界面来对 传感器网络中各个节点进行配置和管理，下达新的监测任务以及查询监测数据。 传感器节点作为一个微型的嵌入式系统，通过其自身携带的有限的电池供电， 它对采集数据的处理、存储和通信能力相对较弱。从网络功能上看，每个传感器 节点即是采集数据的节点终端又是网络路由器，在对本节点采集信息进行处理外， 还要对路由来的数据进行存储、融合、转发等处理【l 引。 汇聚节点( 又叫任务管理节点) 其处理能力、存储能力和通信能力比节点相 对强，是一个具有增强功能的传感器节点，它通过r f 方式连接到无线传感器网络 中的各个节点，通过广播或者点名的方式与各个节点通信，下达节点的监测任务， 查询节点的拓扑结构。汇聚节点有足够的能量供给和更多的内存资源参与计算， 是整个传感器节点网络的管理者【1 9 】。 2 3 2 传感器节点结构 传感器节点模型主要是由传感器单元、处理单元、无线传输单元和电源四个 部分组成。传感器网络是以节点硬件设计为底层平台、z i g b e e 协议为支持、数据 采集为实现目的、具备自组织和多跳路由等性能的任务型无线网络【2 0 】。其主要的 能量消耗主要体现在：数据探测、无线通讯和信息处理上，对节点设计而言，减 少功耗从而实现网络的最长工作周期是设计中最重要的指导思想。 传感器节点除了上述的四部分外，传感器还可能有一些额外的组件( 比如定 1 3 电子科技大学硕士学位论文 位系统，能量再生和移动系统等) 。传感器模块负责感知和采集区域内信息，并通 过a d 转换将其转换为数字信号，然后送到处理模块；传感器节点的一个重要组 成部分是电源，电源供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，可以使用电池 或太阳能电池等储能设备。 无线传感器环境监测系统由各类传感器和数模转换设备组成，传感器的类型 是由被监测物理信号决定的，如用于温度监测的铂电阻传感器，用于压力监测的 电容式传感器等。本设计中只采用了土壤温、湿度传感器和空气温、湿度传感器 处理，在以后的应用中可以根据具体需要选择适当的传感器。 2 3 3 传感器网络协议栈 无线传感器网络的设计一般都面向应用，网络结构较为简单，但对网络的功 能结构却很难在比较详细的级别上给出。为此，研究人员提出了多个传感器节点 协议栈方案，最常用的协议栈包括5 个层和3 个平刽9 1 。其具体内容见图2 4 所示。 应用层 移动管理平台 能量管理平台 任务管理平台 图2 - 4 无线传感器网络协议栈结构 无线传感器网络协议栈结合能量和路由寻找，网络运用协议整合数据，通过 无线方式进行有效通信，促进节点间有效地合作。如图2 4 所示，协议栈由应用层、 传输层、网络层、数据链路层和物理层5 层和3 个平台：能量管理平台；移动管 理平台；任务管理平台组成。 各协议层的功能如下【2 l i i ( 1 ) 应用层由各种传感器网络应用软件系统构成，为用户开发各种传感器网 络应用软件提供有效的软件开发环境和软件工具。 ( 2 ) 传输层按照传感器网络的需求产生数据流，并负责数据流的传输控制， 它是保证通信服务可靠的重要部分。 ( 3 ) 网络层维护传输层提供的数据流路由技术，负责路由生成和路由选择。 ( 4 ) 数据链路层考虑到网络环境存在噪音和传感器节点的移动因素，主要负 1 4 一 一层一 层一层一路一层 输一络一链一理 传一网一据一物 一 一数一 第二章无线传感器网络 责数据流的多路技术、数据帧探测、介质访问和差错控制，减少临近节点广播的 冲突，保证可靠的点到单点和点到多点通信。 ( 5 ) 物理层的关键技术是调制、发送和接收技术。 另外，能量管理、移动管理和任务管理平台分别监视传感器节点中的每个节 点的能量、移动和任务，这些管理平台有助于传感器节点调整感知任务和降低总 体能量消耗。其各自的功能如下： 能量管理平台对节点如何使用自身的有限能量进行管理。例如，如果一个 传感器节点收到一个相邻节点的信号，它就有可能关掉它的接收机，这就避免了 接受冗余信息。同样，当一个节点的能量比较低的时候，它就会广播给它的相邻 节点，告知对方它的能量很低，不能参加路由信息，剩余的能量用于保留感知信 息阴。 移动管理平台用于发现和注册移动的传感器节点，从而节点能够跟踪和判 别它们的相邻节点。知道了它们的相邻节点，就能平衡地利用能量和完成感知任 务。 任务管理平台为某一特殊区域的传感器节点安排任务和时间计划，并不是 所有这一区域内的传感器节点都必须在同一时间执行感知任务。 以上这些管理平台都是必须的，只有这样，传感器节点才能够结合在一起， 低功耗地工作，在节点间共享数据资源。如果没有这些管理平台，传感器节点只 能单独各自地工作。如果传感器节点能够协同工作，那么就能够提高整个网络的 工作效率，可以延长传感器网络的生命周期。 2 3 4 传感器网络的建立过程 传感器网络是一种自组织、动态网络，与以地址为中心的互联网不同，传感 器网络是以数据处理为中心的任务型的网络。传感器网络拓扑结构与节点编号之 间的关系完全是动态的。传感器节点的拓扑结构体现在路由数据和邻居数据上， 路由数据包括两方面内容：寻找源节点和目的节点间的最短优化路径；将需要传 输的信息沿着优化的路径正确“逐跳”转发。传感器节点每次休眠醒来都必须重 新入网，所有的节点组成一个全新的传感器网络，相应的每个节点的路由数据也 将发生改变。拓扑结构由每次传感器节点入网时记录的邻居数据、路由数据确定。 无线传感器网络一般有两种自组网方式：星型拓扑和对等拓扑。在星状拓扑 中，所有终端设备都与唯一的中央控制设备- p a n ( p 删，p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 电子科技大学硕士学位论文 协调器通信，终端设备之间的通信通过p a n 协调器的转发来完成l l0 1 。终端设备指 的是指通信的起点或者终点。在星型拓扑网络中，p a n 协调器与采用电池供电的 其他设备不一样，一般使用持续电力系统供电，星状网络适合家庭自动化等小范 围的室内应用。点对点对等拓扑网络中，也有一个p a n 协调器；但与星状网络不 同的是，对等网络中的任何两个设备只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，就 可以直接通信。点对点对等网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据，具 有自组织、自修复的a d h o c 组网能力。 在实际应用中，每次组网过程中汇聚节点是第一个被打开的节点。汇聚节点 设置自己的跳数为o ，并广播路由建立消息，该消息包含一个到汇聚节点跳数的域。 与汇聚节点相邻的节点收到这个消息后，将汇聚节点作为自己的父节点，并设置 自己到汇聚节点的跳数为1 ，然后继续广播路由建立消息。汇聚节点需要监听邻居 节点的广播，并将发送跳数为l 的建立消息的节点标记为子节点。这个过程一直 扩展到整个网络，使得每个节点都知道自己的父节点和子节点，以及到汇聚节点 的跳数，知道所有节点都加入这个网络位置。如果一个节点同时收到多个广播消 息，则选择信号最强的作为父节点。节点广播路由建立消息后，如果没有收到任 何跳数比自己大的路由建立消息，则认为自己是终端节点【6 】。 2 4 环境监测系统总体设计原则 本系统是将无线传感器网络应用于环境监测领域的典型应用，系统设计和应 用中体现了以下优势和特剧7 j ： 一、无人值守。传感器节点部署方便，在布线困难、电源供给困难以及环境 恶劣的监测都能稳定工作，完成环境监测任务，系统不需要人为干预能长时间自 主工作。 二、数据采集量大，精度高。大量传感器节点密集地分布在待测区域，定时 采集各项环境数据，网络的数据量比较大，般在兆字节级，而监测数据一般都 是用于研究或者预测目的，对数据的准确度要求比较高，因此在设计中要借助于 高精度的a d 采样模块以及运算放大器使采集数据获得较高的采集精度。 三、传感器网络实用性强。节点要具有一定的信息处理、存储能力和无线通 信能力，因此节点间可以协同监控，针对物理环境的变化进行较为复杂的监控。 四、节点功能完备。无线传感器网络系统在规划设计方案时，要充分考虑可 1 6 第二章无线传感器网络 能的系统功能，器件选择上尽量选择功耗低，精度高的模块，同时根据需要预留 一定的接口，用于将来节点功能扩展。 五、可靠性设计。基于无线传感器网络技术的环境监测系统，系统采集的环 境数据与后期的数据处理以及结论评价有密切的关系，因此规划和设计中，应把 可靠性放在首要的位置【1 9 1 。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章数据中转器接口电路硬件设计 无线传感器网络数据中转器以研祥科技的e c 5 1 7 1 2 ( p c l 0 4 ) 微处理器和基于 c c 2 4 3 0 的汇聚节点以及g p r s 模块为核心，这些独立的模块需要一块外围电路整 合成一个完整的系统才能协同工作，实现对传感器节点所处监测区域环境数据的 监测和控制数据处理、上传等功能，因此数据中转器系统的接口电路设计是必须 的。 本章将结合系统设计的低功耗、数据可靠性、便于控制以及方便调试等因素， 详细叙述无线传感器网络的数据中转器的接口电路板的硬件设计。整个硬件电路 主要包括电源调理模块、无线通信模块以及网络汇聚节点模块等。 本章介绍顺序： ( 1 ) 首先介绍数据中转器系统的整体设计思路，然后逐个介绍课题中所用到的 重要芯片：