（机械电子工程专业论文）基于zigbee技术的无线传感器网络设计研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于z i g b e e 技术的无线传感器网络设计研究 缡要 人类进入2 l 世纪以来，微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和 人工智麓等学科豁飞速发展孕育了一种薪型溅控蕊络无线传感器两 络。无线传感器网络是由大量无处不在的微小传感器节点，随机布设在无 、 人值守的监控区域两构成的，能够根据环境是主完成指定任务的自治监控 网络系统。它已经引起了学术界和工业界的高度重视，是对2 l 世纪产生巨 大影响力的技术之，在机电领域也具有广阔的应用前景。因此本文试图 将无线传感器网络应用于机电系统的监控方嚣。 因为这种监控网络成本较低、无需布线，多个传感器节点布簧于待测 枕械设备的适当空间内，笺够获取传统方法无法采集、监控到的信号；在 无人监控的环境中实时的收集处理设备运行状态的各种数据，同时控制输 出，将数据发送给远程的管理人员用于分析，来达到对设备故障进行迅速 面准确的预测及诊断的蚕的，从丽可以极大地提高枧电设备的故障诊断速 度、修复效率及设备的可用性。 正是基于这种考虑，本文采耀z i g b e e 技术提出了种无线传感器网络 系统方案，设计和实现t z i g b e e 无线数据传输平台，并对无线传感器网络 在机电系统监测与控制方面的应用进行了初步研究。 本文主要工作有以下方面： ( 1 ) 在对无线传感器网络国内外技术发展状况、短距离通信技术及i e e e 8 0 2 。1 5 。4 z i g b e e 协议分析研究的基础上，本文提出了无线传感器网络酌系统 结构及传感器节点的设计方案。 ( 2 ) 本文采用射频芯片c c 2 4 3 0 设计了传感器节点的数据采集模块、电 太原理工大学硕士研究生学位论文 源和无线通信模块，建立了工作频率为2 4 g h z 的完全符合z i g b e e 协议的无 线数据传输平台；在i a r 开发环境下编写和编译了传感器节点程序，实现了 无线传感器网络采集温度信号及传感器节点之间的数据传输功能。 ( 3 ) 在i a r 开发环境下完成了传感器节点的程序下载及i e e e 地缝的编 写以后，进行了参考节点对盲节点的定位及传感器网络分析仪( s n a ) 捕 获传感器节点通信的实验，对节点之间的通信过程进行了简单分析，并用 树形图给出了网络的拓扑结构。 。 ( 4 ) 在机电设备维护方式研究的基础上，本文提出了无线传感器网络 的机电系统应用方案，设计了采集机械设备温度、压力、位移等缓慢变化 信号的无线传感器网络系统，绘制了传感器节点的系统框图及数据传输的 流程图。 关键词：传感器网络，传感器节点，z i g b e e 协议，无线通信芯片c c 2 4 3 0 ， 机电设备监控系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 r 嚣s 嚣a r c 珏0 nw i r e l e s sse n s o rn e r w o r kd e s 薹g n b a se do nz i g be et e c h n o l o g y a b s t r a c t s i n c et h em a n k i n de n t e r st h e21s tc e n t u r y ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e l e v a n t d i s c i p l i n e s s u c ha sm i c r o e l e c t r o n i cm e c h a n i c a l s y s t e m ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o la n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ee n g e n d e r san e w k i n do fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( c o m m o n l y a b b r e v i a t e dt ow s n ) w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sa na u t o n o m o u sm o n i t o r i n g n e t w o r ks y s t e mc o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fs m a l lu b i q u i t o u ss e n s o rn o d e s w h i c ha r er a n d o m l yd e p l o y e di nu n a t t e n d e ds u r v e i l l a n c ea r e a sa n da r ec a p a b l e o fa u t o m a t i c a l l yc o m p l e t i n gt h et a s k sa s s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si so n eo fe n o r m o u si n f l u e n c et e c h n o l o g y t ot h e21s tc e n t u r y , w h i c hh a sa t t r a c t e dt h eh i g ha t t e n t i o n so fa c a d e m i aa n d i n d u s t r i a lf i e l da n da l s oh a st h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h em e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a lf i e l d ，s ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sa t t e m p t e dt oa p p l yt ot h e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sm o n i t o r i n gn e t w o r kc o s t i n gl i t t l ew i t h o u tw i r i n g ，m a n ys e n s o rn o d e s l a i di na p p r o p r i a t es p a c e so ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n tt om o n i t o ra r ea b l et o g a t h e rs i g n a l sw h i c hc a n n o tb ec o l l e c t e da n dm o n i t o r e di nt r a d i t i o n a lm e t h o d 。 n e r u n n i n gd a t ao fe q u i p m e n t ss t a t u si sc o l l e c t e di nu n m a n n e ds u r v e i l l a n c e e n v i r o n m e n t ，s i m u l t a n e o u s l yp r i n t e do u ta n ds e n tt or e m o t ea d m i n i s t r a t i v e p e r s o n n e lf o rd a t aa n a l y s i s ，s oa st oa c h i e v er a p i da n da c c u r a t ep r e d i c t i o na n d d i a g n o s i sa n d t o s p e e du pf a u l td i a g n o s i ss p e e d ，r e p a i r i n ge f f i c i e n c ya n d e q u i p m e n ta v a i l a b i l i t yo fe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t s 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o n s i d e r i n gt h i st h o u g h t ，t h es c h e m e o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss y s t e mi s p r e s e n t e db a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y ，z i g b e ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n p l a t f o r mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e da n da p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k so n t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fe l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a ls y s t e m si ss t u d i e d p r e l i m i n a r i l y p r e l i m i n a r ys t u d y i nt h i st h e s i s ，t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ( 1 ) o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a dt os t u d y ，s h o r t d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s a n di e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e ep r o t o c o l ，t h e a r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e ma n dt h ed e s i g ns c h e m eo fs e n s o r n o d ea r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s ( 2 ) i nt h i st h e s i s ，t h er a d i of r e q u e n c yc h i pc c 2 4 3 0 i sa d o p t e dt od e s i g ne a c h c o m p o n e n to f s e n s o rn o d ei n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，p o w e rs u p p l ya n d 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 w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r mw o r k i n g a t2 4 g h zi se s t a b l i s h e da n dc o n f o r m st ot h ez i g b e ep r o t o c o lc o m p l e t e l y t h e p r o c e d u r e so f s e n s o rn o d ea r ep r o g r a m m e da n dc o m p i l e di ni a rd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h ec o l l e c t i o nf u n c t i o no ft h et e m p e r a t u r es i g n a l si nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k si sn o to n l yr e a l i z e d ，d a t ac a nb ea l s oa c c u r a t e l yt r a n s m i t t e d b e t w e e ns e n s o rn o d e s ( 3 ) a f t e rs e n s o rn o d e sp r o g r a md o w n l o a d e da n di e e ea d d r e s sw r i t t e nu n d e r t h ei a rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，r e f e r e n c en o d e sa r eu s e di nl o c a l i z a t i o no f b l i n dn o d ea n dc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns e n s o rn o d e sa r ec a p t u r e dw i t ht h ea i d o ft h es e n s o rn e t w o r ka n a l y z e r ( s n a ) c o m m u n i c a t i o np r o c e d u r eo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k si sa n a l y z e da n dt h en e t w o r kt o p o l o g yi ss h o w ni nt r e en e t w o r k s ， a f t e r w a r d s ( 4 ) o nt h eb a s i so fm a i n t e n a n c es t r a t e g yr e s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o ns c h e m eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls y s t e mi sp r o p o s e d 。 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss y s t e mi sd e s i g n e df o rs l o w l yt i m e v a r y i n gs i g n a l 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o l l e c t e dl i k et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n d d i s p l a c e m e n ta n ds y s t e md i a g r a mo f s e n s o rn o d e sa n dt h et r a n s m i s s i o nf l o wc h a r to ft h ed a t aa r ep l o t t e d k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，s e n s o rn o d e s ，z i g b e ep r o t o c o l ，r a d i o f r e q u e n c yc h i pc c 2 4 3 0 ，m o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n t v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：签鳖堑堡日期：丝二垒三! 三三 ， 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 ： 签3 垒- 1 ：皿 。事些矽了日期： 导师签名：盥! 至业日期： 阳9 易js 。乡o h 护r 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论弟一早珀i 扳 人类进入2 l 世纪以来，微电子机械系统、计算机、通信、逸动控制和人工智麓等 学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网络无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 。 无线传感器网络是由大量无处不在的具有透信与计算机能力的微小传感器节点，密 集布设在无入值守的监控区域而构成的，能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自 治监控网络系统。无线传感器网络是种超大规模、无人值守、资源严格受限的全分布 系统，采用多跳对等的邋信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自治、囊适应等 智能属性。 无线传感器网络是继因特网之后，将对2 1 世纪人类生活方式产生重大影响的r r 热 点技术。如果说因特网改变了人与人之闻交流、沟通的方式，那么无线传感器网络刘将 逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式。1 9 9 9 年， 美国商业周刊将无线传感器网络列为2 l 世纪最具影响的2 l 项技术之一。2 0 0 3 年，m r r 技术评论在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变超雾的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，传感器网络是全球未来的 四大高新产业之一，将掀起新的产业浪潮卜3 1 。 无线传感器网络的如现零| 起了全世赛范围的广泛关注。无线传感器豫络技术的研究 起源于2 0 世纪7 0 年代，最早应用于军事领域 i - 3 。1 9 7 8 年，美园国防部高级研究计划 局( d e f e n s ea d v a n c er e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y , d a r p a ) 在卡耐基一梅隆大学成立了新一 代分布式传感器网络王俘组。此后，d a r p a 联合美国鸯然科学基金委员会设立了多项 有关无线传感器网络的研究项目。我圈近两年也以多种形式支持无线传感器网络的研 究。这些研究推动了以网络技术为核心的新军事革命，诞生了网络中心战的思想和体系。 无线传感器网络是网络中心战体系中藤向武器装备的网络系统，是c 4 i s r t ( c o m m a n d ， c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 的重要组成部分。目前，无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他许多领域，能 太原理工大学硕士研究生学位论文 够完成诸如灾难预警与救助、家庭健康监测、空间探索等传统方法无法完成的任务，成 为一种“无所不在”的传感技术。 本课题的研究目的是设计一种基于z i g b e e 技术的无线传感器网络系统，进而将其 应用于机械系统的监控方面。因为这种监控网络成本较低、无需布线，多个传感器节 点布置于机械设备的待测空间内可以采集监控传统方法无法监测到的信号。例如，冶金 企业设备监测系统一般需要铺设大量的电缆、网线、光纤构成传输网络，设备建设和维 护成本很高，旋转部件、油库限制布线供电往往难于监测数据，而无线传感器网络技术 是一种低功耗、自组织的短距离技术，可以实现监测、感知和采集网络分布区域内的各 种环境对象数据。工程机械大多在恶劣、危险的环境中工作，噪声大、污染严重，甚至 有毒，对操作人员的人身安全和身心健康有着极大的损害，因此迫切需要研究传感器网 络技术对工程机械进行远程遥控。大型复杂机械一般使用“定时维护”和“基于情况的维 护”，维护成本较高，而传感器网络配合专家系统就可以实现数据的采集和分析，从而 降低人工维护成本和设备成本。基于z i g b e e 的传感器网络技术如果配合有线网络( 如 以太网) ，可以实现整个工厂范围内机组的实时监控：配合无线蜂窝网络技术可以实现 手机对机械设备的实时监测。因此无线传感器网络的研究具有重要的应用价值。 1 2 应用领域与研究动态 1 2 1 无线传感器网络的应用领域 传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护 理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓 库管理、机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应 用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域【2 捌。 军事应用 传感器网络具有快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合 军事上的应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、 目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。通过飞机或炮弹 直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网络，就能够非 常隐蔽且近距离准确收集战场信息。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武 器的成分，及时提供情报信息，有利于正确防范和实施有效的反击。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 环境观测和预报系统 传感器网络在环境研究方面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的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等， 还可以通过跟踪小鸟和昆虫进行种群复杂度的研究等。 基于传感器网络的a l e r t 系统中就有数种传感器用来监测降雨量、土壤水分，并 依此预测爆发山洪的可能性。类似地，传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告， 传感器节点被随视密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时， 这些传感器节点通过协同合作能在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息 传送给相关部门。 医疗护理 传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪 和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。如果在住院病人身上安装特殊用 途的传感器节点，如心率和血压整测设备，医生利髑传感器网络就可以随时了解被监护 病人的病情，发现异常后就能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机 系统即可以帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性，还可以利用传感器网 络长时间地收集人体的生理数据，这些数据黠了解人体活动机理和研割新药品非常有 用。 智能家居 传感器网络能够应焉在智能家屠中。在家电和家具孛嵌入传感器节点，通过无线网 络与i n t e r n e t 连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环 境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，例如可以在网家之前半小时打开空 调，这样隧家的时候就可以直接享受适合的室溢，也哥以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、 电话机、电视机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收 电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作，也可以通过图 像传感设备随时蓝控家庭安全情况。 其他方面的应用 复杂机械的维护经历了“无维护、“定时维护”以及“基于情况的维护三个阶 段。采用“基于情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证 制造成本仍然低廉。其维护开销分为几个部分：设备开销、安装开销和人工收集分析机 械状态数据的开销。采用无线传感网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟， 可以使用无线技术避免昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析。 1 2 2 无线传感器网络的国内外研究动态 无线传感器网络是一个研究热点，相关工作众多。无线传感器网络的主要研究方向 可以归结为传感器硬件、无线传感器网络协议、无线传感器网络操作系统、无线传感器 网络仿真等几个研究方向【4 】。这几个研究方向的现状如下。 1 传感器硬件 传感器等硬件设施是无线传感器网络的重要组成部分。该部分研究工作主要包括如 何设计高效节能的新型传感器，如何提高传感器性能，如何设计高效、自适应的无线网 络设备等。代表性工作有s m a r td u s t 、b e r k e l e ym o t e s 、i n t e li m o t e 、b e r k e l e yp i c o n o d e s 、 i i l t e lx s c a l en o d e s 等i 习。 2 无线传感器网络协议 网络协议是无线传感器网络的核心部件之一，用来在网络基础设施和应用两个层面 上解决无线传感器网络中的数据传递问题。该项研究涉及的内容包括数据传递模型、通 讯协议结构、各种专用协议等。无线传感器网络的早期研究主要集中在高效节能的通讯 协议上。目前，无线传感器网络协议已有很多，如：泛洪类协议、s p i n 、l e a c h 、d d 、 c a d r 、c o u g a r 、t e e n 、m e c n 、a f i e e n 、g a f 等i o 】。其中，代表性工作如下。 泛洪类协议( 包括f l o o d i n g 和g o s s i p i n g 协议) ，该类协议的基本思想是通过向所有 邻居或者部分邻居广播数据，最终使数据传递到接收者。采用这种协议的网络无需维护 网络拓扑结构，对拓扑结构变化有一定适应性，在带宽高、网络连接稳定的情况下，有 较快的数据传递速度。缺点是f l o o d i n g 协议易产生数据的重复发送，能源消耗大； g 0 s s i p i n g 协议容易产生数据传递的延迟【6 】。 s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 协议，由j o a n n ak u l i k 等人于 1 9 9 9 年提出，其基本思想是通过元数据交换提高有效数据的传递效率，节省能源。该协 议具有节省能源的特点，但在数据传递的可靠性上存在欠缺，无法保证数据一定能够正 确传递到目的地，并且存在元数据重复发送的问趔7 1 。 l e a c h ( l o w - e n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a c h y ) 协议，由w e n d ir a b i n e r h e i n z e l m a n 等人于2 0 0 0 年提出。这是一种基于簇的单跳路由协议，采用动态更换簇头的 方法均衡各节点的能源消耗，并用数据聚合降低网络中数据的传输量【8 】。该协议在一定 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 条件下能够节省能源。偃不麓支持部署范围和规模较大的传感器网络，有时簇动态生成 的额外代价较大，簇头荔形成网络可靠性的瓶颈i 6 】。 d d ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 协议，由c h a l e r m e ki n t a n a g o n w i w a t 等人于2 0 0 0 年提出。这 是一种查询驱动的数据传递协议。它雷先震数据属性接述数据，然后通过向邻居节点发 送任务广告消息，建立数据的源和池之间的路径。它能够有针对性地在某个方向上建立 路由，对网络节点失效有一定适应性，且无需维护网络全局拓扑结构。但该协议中离散 的事件驱动数据查询方式不适合需要数据连续传送的应用场景 6 , 9 1 。 g a f ( g e o g r a p h i c a la d a p t i v ef i d e l i t y ) 协议，由y ax u 等入予2 0 0 1 年提出，该协议 建立在虚拟网格基础上，在同一格段内的网络节点在数据转发上是等价的，利用等价节 点的睡眠可以节省能源，延长嬲络寿命l 煳。 t e e n ( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o rn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 协议，i 扫a r a t i m a n j e s h w a r 等人于2 0 0 1 年提出。它用簇来组织传感器网络节点，通过设置硬、软阚值来 降低数据传输量，感知被监测对象的变化。采用该协议的照络麓较好地对被监测对象的 变化做出反应。但如果被监测数据及变化长时间没有超过阚值，就会出现整个传感器网 络收集不到任何数据的现象，甚至无法判断传感器网络是否仍能正常工作【1 1 】。 r u m o rr o u t i n g 协议，i 参d a v i d b r a g i n s k y 等人予2 0 0 2 年提出。它是一种将查询与事件 机制折衷的协议，其思想是首先建立到每个事件的路径，当有查询要求时，先找到事件 路径，然后按照该路径查询n 2 1 。r u m o rr o u t i n g 协议是对d d 协议的一种改进，它减轻了 d d 协议中因查询广播惹带来的闽题，毽事件数曩的多少会影响协议效率嘲。 3 无线传感器网络操作系统 无线传感器网络操作系统实现对物理资源的抽象，管理有限的内存、处理器等资源。 迄今，具有代表牲的无线传感器网络操作系统有t i n y o s 、s o s 、m a n t i so s 、c o n t i k i 、 e y e so s 等。 目前，t i n y o s 是实际上的传感器网络节点操作系统标准，它为面向应用领域的无线 传感器嬲络应用系统赞集成提供了一个基于构件的软律框架。该操作系统没有区分用户 和内核模式，没有提供内存保护机制，但可以在资源有限的条件下，提供并发处理能力。 此外，t i l l y o s 包括了无线传感器网络通讯协议的实王见【1 3 l 。 s o s 操作系统主要包括一个逶雳内核和一个动态装载摸块，实现了消息传递、内存 管理、模块装载卸载以及其他一些服务。s o s 没有提供内存保护机制，但它区分内核和 用户模式，并采用动态内存管理降低编程复杂性和提高临时内存的重用率。此外，该操 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 作系统还采用优先权调度来处理中断，提高时间关键任务的性能n 4 1 。 m a n t i so s 是一个支持无线传感器网络快速构建的多线程嵌入式操作系统。它的 内核和a p i 用标准c 语言编写，易于用户使用。在m a n t i so s 基础上，应用的开发周期 短，测试、调试方便。此外，该操作系统还支持多模态原型以及对传感器节点的动态重 编程、远程调试【u 】。 c o n t i k i 是一个支持程序模块动态调入和替换的无线传感器网络操作系统，包括核心 和可装载程序两部分，前者包括操作系统内核、基础服务、编程语言运行时环境和支持 库，后者在运行时可以被动态装载或卸载。此外，该操作系统采用事件驱动的内核，并 以库的方式实现了抢先式多线程，支持运行在内核之上的基于线程的应用n 6 1 。 e y e so s 是一个具有能源感知能力的小型无线传感器网络操作系统。它支持无线 传感器网络动态重配型1 7 1 。 4 无线传感器网络仿真 与a dh o c 无线网络不同，无线传感器网络的一些特性很难通过物理实现的方式进行 验证。因此，通过仿真对无线传感器网络进行评价显得十分重要。目前，已有很多研究 人员在这方面投入了大量精力。其中，代表性工作有n s 。2 、j i s t - s w a n s 、t o s s i m 、 s e n s o r s i m 等。 n s 2 是一个支持有线、无线网络仿真的离散事件模拟器，可以实现t c p 协议、路 由和多播协议等的仿真。n s 一2 不是个无线传感器网络专用的仿真工具，尽管它可以支 持无线传感器网络仿真，但是构造仿真系统的代价很高1 8 】。 j i s t - s w a n s 是一个用j a v a 编写的无线传感器网络仿真工具集，包括一个基于j a v a 的离散事件仿真引擎和一个基于该引擎的可扩展的无线a dh o c 网络仿真器。该工具集采 用了软件构件的思想，通过组装配置这些构件可以构造无线传感器网络，并支持大规模 网络仿真。 t o s s i m 是一个t i n y o s 环境下的无线传感器网络仿真器。它将t i n y o s 事件驱动的执 行映射为离散事件模拟，可以精确地捕捉网络行为，并支持传感器节点的扩展。t o s s i m 与t 如y o s q b 的开发工具有良好的接口，用户可以将仿真程序方便地移植到t i l l ) r o s 【2 0 1 。 s e n s o r s i m 是一个以n s 2 为基础构建的传感器网络仿真框架，支持对传感器网络的 建模。它对n s 一2 进行了扩展，支持感知通道与传感器模型、电池模型、无线微传感器轻 量级协议栈、场景生成和混合仿真 2 h 。其中，混合仿真是s e n s o r s i m 的一个重要特点。 它支持将实际节点加入到仿真中，而且在s e n s o r s i m 的支持下，同一个应用既可以运行 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 在仿真节点上也可以运行在实际节点上，降低了应用移植的开销。 1 3 无线传感器网络的结构 l 。3 1 无线传惑器网络系统结构 无线传感器网络由大量的传感器节点组成，这些节点通常部署在监测区域内部或者 监测区域附近，通过自组织方式构成网络2 翔。无线传感器网络系统结构如图1 - 1 所示， 它由三部分组成：传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) i t d 管理器节点。传感 器节点监测数据并以多跳的方式通过路由节点把这些数据传送给汇聚节点；汇聚节点通 过i n t e m e t 或通信卫星与任务管理器节点( 如手机、计算机等) 进行通信；用户通过管 理器节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务。 图卜1 无线传感器网络体系结构 f i g u r e l 一1a r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 1 3 2 无线传感器网络的节点结构 传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块组成2 3 1 ， 懿图l 一2 所示。传感器模块负责益测送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他节点发来的数据；无线 通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供 给模块为传感器节点提供运行所需的能量，逶常采用微型电遗。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 传感器模块 缝燃参i ，望燮一 处理器 i 无线收 传感器 - 一+ 模数转换 _一- _ _ - 一 一a 一一 存储器 l发装置 jl l 1 t 一一一一一一一【 一 ti 能量供给模块 1 4 论文组织结构 图1 - 2 传感器节点体系结构 f i g u r e1 - 2s y s t e ms t r u c t r eo fs e n s o rn o d e 本文由五章组成。论文的组织结构如下：课题背景、研究意义与国内外技术的研究 动态；无线传感器网络的系统结构、无线传感器网使用的通信协议、节点模块设计，传 感器节点实验，无线传感器网络在机电系统的应用。 第一章介绍了无线传感器网络的课题背景、研究意义与国内外技术的研究动态，并 重点介绍了无线传感器网络的系统结构与节点结构。 第二章首先介绍了无线通信的主要协议标准，本课题采用z i g b e e 作为无线传感器网 络的通信协议；然后详细介绍了z i g b e e 协议的关键概念、基本架构与各层规范。 第三章首先介绍了传感器节点的设计流程、总体设计方案及采用的无线通信芯片 c c 2 4 3 0 ；其次对传感器节点各模块进行了详细设计，并对传感器节点进行了软件设计， 给出了传感器节点的部分程序；最后，使用设计的传感器节点采集了室内环境温度，在 计算机上给出了显示，表明设计的传感器节点可以完成数据采集功能，能进行数据的无 线通信。 第四章首先在i a r 开发环境下对传感器节点下载程序及对i e e e 地址进行编写。然 后使用下载好程序的传感器节点用于盲节点的定位，使用传感器网络分析仪( s n a ) 捕 获传感器节点之间的通信过程，并用树形图给出了网络的拓扑结构。 第五章首先对有线网络和无线网络进行了对比，然后构建了采集机电设备温度、压 力、位移等信号的无线传感器网络系统，设计了传感器节点的系统框图。最后给出了传 感器网络的拓扑结构图和数据传输的流程图。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章无线传感器网络通信协议 无线传感器网络系统采用z i g b e e 协议，z i g b e e 协议包括协议的架构、各层功能、 规范及数据格式等。 2 1 无线通信协议 目前，便携式设备间的网络连接使用的无线通信技术主要有无线局域网 8 0 2 1 l ( w i 一秘、超宽带( u w b ) 、近距离通信( n f c ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外数据传输( i r d a ) 、 z i g b e e 、无线1 3 9 4 和专用无线通信系统等。下面叙述几种主要的短距离无线通信技术2 2 1 。 w i f i ( e e8 0 2 1 1 ) 目前是w l a n 的主要技术标准，提供无线局域网的接入，可 实现几m b p s 至几十m b p s 的无线接入，主要用于辩决办公室无线属域网和校园网中黑 户与用户终端的无线接入。i e e e8 0 2 1 1 流行的几个版本包括：8 0 2 1 l a ，在5 8 g h z 频段 最高频率为5 4 m b p s ；8 0 2 1 l b ，在2 4 g h z 频段最高频率为1 m b p s - - l l m b p s ：8 0 2 1 l g ， 在2 4 g h z 频段与8 0 2 1 l b 兼容，最高频率也可达5 4 m b p s 。w i f i 规定了协议的物理层 和m a c 层，并依赖t c p i p 作为网络层。由于w i 。f i 优异的带宽是以较高的功耗为代价 的，因此大多数便携w i f i 装置都需要较高的电池储备，因此限制了它在工业场合的应 用。 超宽带技术( u l t r aw i d e b a n d ，叭b ) 是一种无线载波通信技术。u w b 可在非常 宽的带宽上传输信号，美网f c c 对u w b 的规定为：在3 1 - - 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。由于u w b 可在低功耗、低复杂度发射，接收视上实现高速数据传输，因此 在近几年得到了迅速发展。u w b 适用于室内密集多径场所的高速无线接入，最具特色 的应用是视频消费娱乐方面的无线个域网。与其它传统的无线通信技术相比，u w b 传 输速率高，通信距离短，平均发射功率低，多径分辨率极高，适用予便携式应用。 近场通信( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，n f c ) 是由p h i l i p s 、n o k i a 和s o n y 公司主推 的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离通信技术标准。与r f i d 不同，n f c 采用了双向的识别和连接技术，在2 0 m 距离内工作于1 3 5 6 m h z 频率。n f c 最初仅仅是 遥控识别和网络技术的合并，但现在醴发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线 网络，为蜂窝、蓝牙或w i f i 设备提供一个“虚拟连接”，使设备间可以在很短距离内 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行通信。通过n f c ，可实现多个设备( 如数码相机、p d a 、机顶盒、电脑、手机等) 之间的无线互联，彼此交换数据或服务。与蓝牙等短距离无线通信标准不同的是，n f c 的作用距离进一步