（通信与信息系统专业论文）大规模无线传感器网络实验系统关键技术研究及硬件研制.pdf

i i i i i1 1 1 1fillm 1 1 1 1 1iiii lli j i i i i i i j 0 y 17 5 3 7 7 4 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其他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 并表示了谢意。 研究生签名： 蜱嗍吐必 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期： 摘要 本学位论文的研究课题来源于东南大学移动通信国家重点实验室自主研究课题“短距离 无线通信与泛在网络关键技术研究”( 项目编号：2 0 0 8 a 0 8 ) ，主要对无线传感器网络( w s n ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 的关键技术进行了研究，设计完成了大规模无线传感器网络实验系 统节点硬件平台。本课题对无线通信协议、芯片实现、操作系统、能量供应和传播模型等无 线传感器网络相关技术进行研究，通过选择实用的方案，完成了无线传感器网络节点的硬件 实现，并进行了相关测试，验证了节点硬件和整个系统的可行性，为下一步研究提供了基础。 论文在深入研究无线传感器网络的发展现状后，提出了一种面向农田监测灌溉应用场景 的无线传感器网络的总体方案。对方案中的田间网络、汇聚网关和远程控制中心各模块的功 能进行了阐述。之后，详细论述了田间网络节点的硬件电路和软件系统的设计与实现。节点 硬件系统加载软件设计后，可以完成组建网络、田间信息采集、上行下行通信和驱动电磁阀 等相关功能。节点既可以满足总体系统中田间网络的需求，又留有丰富的接口资源，方便作 为开展无线传感器网络相关研究的硬件实验平台，进行上层协议的开发。最后，对于低天线 条件下的i e e e 8 0 2 1 5 4 信号的传输距离、成功率以及信道衰减特性进行了测试和研究，为 将来节点的实际部署提供了参考依据。 全文共分六章。第一章介绍课题背景、研究现状及论文各章节的安排。第二章主要阐述 了农田监测灌溉无线传感器网络系统总体方案，并对各部分的功能进行了描述。第三章对于 无线传感器网络节点各模块的技术方案进行了设计和对比，最终选定了节点的实现方案。第 四章完成了田间网络节点硬件电路的设计与制作和软件的编译与移植，并对节点的能量消耗 进行了分析。第五章，基于节点平台，对信号的传输距离、成功率和信道衰减特性进行了测 试与研究，并完成了整体系统软硬件的联调和测试。第六章对全文工作进行了总结，并指出 工作中的不足和进一步拟开展的工作。 关键词：无线传感器网络，农田监测灌溉，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，实验节点硬件 a b s t r a c t t h er e s e a r c hs u h j e c to ft h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h er e s e a r c hf u n do fn a t i o n a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r y , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a m e dr e s e a r c ho nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si ns h o r td i s t a n c ea n du b i q u i t o u sn e t w o r k s ( n o 2 0 0 8 a 0 8 ) t od e s i g na n d i m p l e m e n tt h en o d eh a r d w a r eo fl a r g e s c a l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) e x p e r i m e n t a l s y s t e m t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st or e s e a r c ht h ei m p o r t a n tr e l e v a n tt e c h n o l o g yo fw s n ， i n c l u d i n gt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，c h i ps c h e m e ，o p e r a t i o ns y s t e m ，s e n s o rt e c h n o l o g y , e n e l i 科s u p p o r t ，a n dp a t hl o s sm o d e l t h ee f f o r t sh a v ep r o v e nt h ev i a b i l i t ) ro fw s nn o d ea n dt h e w h o l es y s t e ms c h e m e ，a n ds e r v ea sg r o u n df o rf u t u r es t u d y at i e rs t u d y i n gt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fw s nt e c h n o l o g y , a ne n t i r ew s ns c h e m e s u p p o s e dt ob ea p p l i e di nt h ef a r m l a n dm o n i t o r i n ga n di r r i g a t i o ni sp r o p o s e d t h ew h o l es y s t e m c o n s i s t so f f a r m l a n dn e t w o r k s s i n k g a t e w a yn o d e a n dt h ef a r - e n dc o n t r o lc e n t e r a n de a c hp a r ti s i l l u s t r a t e di nt h et h e s i s t h e nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew s nn o d eo ff a r m l a n d n e t w o r k sa r ef u l l yd e m o n s t r a t e d t h es e l f - d e v e l o p e dw s nn o d e 1 0 a d e dw i t hp r o p e rs o f t w a r e ， m a yf u l f i l ls o m ep r i n c i p a lt a s k ss u c ha ss e t t i n gu pa n di o i n i n gn e t w o r k s ，c o l l e c t i n gf a r m l a n d i n f o r m a t i o n u p 1 i n ka n dd o w n 1 i n kc o m m u n i c a t i o n 。a n dd r i v i n gs o l e n o i dv a l v e t h ew s nn o d e c a nb ed i r e c t l ya p p l i e di naf a r m l a n dm o n i t o r i n ga n di r r i g a t i o ns y s t e mo rs e r v e sa st h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o ru p 1 a y e rs t u d ya n dd e v e l o p m e n t a l s o ，t h ep r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s 目录 摘要i a b s t r a c t i i 缩略语v 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景和意义l 1 2 无线传感器网络技术研究现状和发展趋势l 1 2 1 无线传感器网络研究现状1 1 2 2 无线传感器网路技术发展趋势2 1 3 本文的内容和结构3 第2 章系统总体方案设计5 2 1 系统总体方案概述5 2 2 田间网络节点5 2 3 汇聚网关6 2 4 远程控制中心6 2 5 整体系统工作流程6 2 6 本章小结7 第3 章无线传感器网络节点设计方案9 3 1 通信技术标准的比较9 3 1 1 蓝牙技术9 3 1 2w i - f i i e e e 8 0 2 1l 9 3 1 3z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 4 。1 0 3 1 4 通信方案的确定。l l 3 2 芯片实现方案的选择1l 3 2 1 方案的比较11 3 2 2 芯片方案的确定。1 2 3 3 开发系统的选择1 3 3 3 1t i n y o s 1 3 3 3 2i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 。1 4 3 3 3 软件开发系统的确定。1 4 3 4 传感器的选择1 4 3 4 1 模拟传感器和数字传感器1 4 3 4 2 传感器型号的确定1 5 3 5 能量供应方案15 3 5 1 网络节点电源方案1 5 3 5 2 太阳能电池板与蓄电池最大匹配设置1 5 3 6 本章小结1 6 第4 章无线传感器网络节点的设计与实现1 7 4 1 微控制器17 4 1 1m s p 4 3 0 f g 4 6l8 18 4 1 2m c u 电源与片外品振设计1 9 4 2 射频模块19 4 2 1 射频模块与m c u 的接口设计l9 i i i 4 2 2 射频模块外围电路设计21 4 3 传感器模块的设计一：2 2 4 3 1 传感器模块与m c u 的接口设计2 2 4 3 2m c u 与传感器的通信规范2 3 4 3 3 转换为物理量2 4 4 4 节点其他设备的设计实现2 4 4 4 1j t a g 口与m c u 的接口设计2 4 4 4 2 标准串口与m c u 的接口设计2 5 4 4 3 显示屏的接口设计2 5 4 6 电磁阀驱动电路2 5 4 7 能量模块的实现2 6 4 8 节点的硬件制作2 7 4 9 软件系统的移植和开发2 8 4 9 1 软件的流程。2 8 4 9 2 相关a p i 接口3 0 4 1 0 节点的能耗分析3 1 4 1 0 1 低能量节点能耗分析3 1 4 1 0 2 高能量节点能耗分析3 3 4 11 本章小结3 4 第5 章基于无线传感器网络节点的测试与研究3 5 5 1 射频特性测试与研究3 5 5 1 1 传输距离与成功率测试3 5 5 1 2 信道衰减特性测试3 6 5 1 2 1 信道模型概述3 6 5 1 2 2 测试工具、步骤与环境描述3 9 5 1 2 3 测试结果及数据处理3 9 5 1 2 4 结果分析4 2 5 2 系统整体测试4 4 5 2 1 系统联调。4 4 5 2 2 调试过程中遇到的问题和解决方法4 5 5 3 本章小结4 5 第6 章总结与展望4 7 6 1 全文总结。4 7 6 2 存在不足与下一步工作的展望4 7 致谢4 9 参考文献51 攻读硕士学位期间的研究成果5 3 w 缩略语 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 工业、科学、医学频段( i s m ，i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 接收信号强度指示( r s s i ，r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 媒体访问控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 移动协议标准( w a p , w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 个域网( p a n ，p e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 高斯移频键控( g f s k , g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 同步面向连接( s c o ，s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o no r i e n t e d ) 异步无连接( a c l ，a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ) 无线相容性认证( w i - f i ，w i r e l e s sf i d e l i t y ) 正交频分复用( o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 开放系统互联( o s i ，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 应用支持层( a p s ，a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ) 应用框架层( a ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r kl a y e r ) z i g b e e 设备对象层( z d o ，z i g b e ed e v i c eo b j e c tl a y e r ) 片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 精简指令集计算机( r i s c ，r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 压控振荡器( v c o ，v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 低噪声放大器( l n a ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 功率放大器( p a ，p o w e ra m p l i f i e r ) 硬件表示层( h p l ，h a r d w a r ep r e s e n t a t i o nl a y e r ) 硬件抽象层( h a l ，h a r d w a r ea b s t r a c t i o n ) 硬件接口层( h i l ，h a r d w a r ei n t e r f a c el a y e r ) 通用输入输出( g p i o ，g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t ) 微控制器( m c u ，m i c r o p r o g r a r n m e dc o n t r o lu n i t ) 低功耗模式( l p m ，l o w p o w e rm o d e ) 主时钟( m c l k ，m a i nc l o c k ) 子时钟( s m c l k ，s u b - m a i nc l o c k ) 辅助时钟( a c l k ，a u x i l i a r yc l o c k ) 串行时钟线( s c k ，s e f i a lc l o c k ) 主机输入从机输出数据线( m i s o ，m a s t e ri ns l a v eo u t ) 主机输出从机输入数据线( m o s i ，m a s t e ro u ts l a v ei n ) 从机选择线( s s ，s l a v es e l e c t ) 接收数据存储区( r x f i f o ，r e c e i v ef i r s ti nf i r s to u t ) 发射寄存器( t x f l f o ，t r a n s m i s s i o nf i r s ti nf i r s to u t ) 射频认证( r f i d ，r a d i o a c t i v ef r e q u e n c yi d e n t i t y ) 通用串行通信接口( u s c i ，u n i v e r s a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 在线编程( i s p , i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 操作系统抽象层( o s a l ，o p e r a t i o ns y s t e ma b s t r a c t i o nl a y e r ) 路径损耗( p l ，p a t hl o s s ) v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 进入2 l 世纪以来，随着微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科 的飞速发展，一种新型的网络技术无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 应运 而生。w s n 是多学科高度交义的前沿研究领域，综合了传感器、嵌入式计算、网络及通信 和分布式信息处理等技术大量的微型传感计算节点以自组织网络的形式协作地实时监测、感 知和采集各类环境或监测对象的信息。w s n 以一种“无处不在的计算”的新型计算模式， 成为连接物理世界、数字虚拟世界和人类社会的桥梁。借助该手段，人们可以从更为细微 的角度了解周嗣的环境或个体对象所出现的现象、所处的状态或者所发生的行为，并据此对 物理环境或物理对象进行反向控制，从而有效提高社会生产过程的效率，改善人类的生活质 量与便捷程度，提高科学认知的层次与水平。 w s n 在环境监测、远程医疗监测、灾害污染监测、公共安全和国防、工业生产以及智 能农业等各个领域都有广泛的应用前景，也是国际上信息领域的研究热点和竞争的焦点。无 线传感器可以随机部署在人迹罕至的恶劣环境中，通过火冗余节点的部署，能够通过节点协 作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进 行处理，获得详尽而准确的信息并传送给感兴趣的观测者。无线传感器网络节点通常是一个 微型嵌入式系统，完成数据的采集、处理和传送，是决定网络性能的重要因素。 本课题既在无线传感器网络技术方面进行理论性探索性研究，又面向应用，重视技术与 产业应用的衔接。课题拟以农田信息采集、环境监控以及节水灌溉等应用为背景，研究用于 室外环境监测与控制的无线传感器网络体系结构，开发适合现代化农业应用的传感器节点， 构建高效、通用的无线传感器网软硬件实验平台，针对特定应用开展通信协议、服务质量等 一系列关键技术的算法设计与理论研究。 1 2 无线传感器网络技术研究现状和发展趋势 1 2 1 无线传感器网络研究现状 无线传感器网络的研究始于美国，最早是由美国国防部高级研究计划局为军事应用而发 起的。由于这种网络的潜在应用价值，逐渐引起了世界许多国家军事部门、工业界和科技界 的极大关注。近年来，随着网络通信技术、嵌入式计算技术、节点及电路制造等技术的进步， 无线传感器网络技术和应片j 也获得了突飞猛进的发展。在技术上节点的集成化与小型化、网 络的动态组织、信息的分布式处理与管理等具有现代化意义上的无线传感器网络的特征已完 全凸显。集成了多项高新技术的无线传感器网络在基础理论和工程技术两个层面向科研工作 者提出了人量挑战性的研究课题。欧关等国非常重视无线传感器网络的研究和发展，加拿大、 英国、德国、芬兰、日本和意人利等国家的研究机构都加入了w s n 的研究，而美国所有著 名院校几乎都有研究小组在从事w s n 相关技术的研究。例如美国加州大学洛杉矶分校的“集 成无线网络传感器( w i n s ，w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 计划”，加州人学伯克利分校 的“智能尘埃( s m a r td u s t ) 计划”，麻省理工学院的适应多为功率监控传感器0 t a m p s ， - a d a p t i v em u l t i - d o m a i np o w e ra w a r es e n s o r s ) 研究计划等。美国国家自然基金委员会洲s f ， n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 也开设了大量与其相关的项目，n s f 于2 0 0 3 年制定w s n 研究 计划，每年拨款3 4 0 0 万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网 络研究中心。2 0 0 5 年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可 扩展的网络，可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达到4 0 0 0 万美元。一 些著名的企业也投入了该领域的研究与开发。例如i n t e l 公司在基于无线传感器网络技术的 机器工作状态监测、桥梁健康状态监测、智能农业和老年人健康监护等方面都开展了大量的 实验研究：作，其应用实例如表1 1 所示。同时，j e n n i e 、c r o s s b o w 和m o t e l v 等一批专门 以传感器网络节点为产业的公司已为市场和用户所熟知。他们的产品为很多科研机构搭建了 硬件平台，方便的开发平台使得大部分研究机构可以专心地投入到大规模无线组网、传感信 息压缩融合、时间同步与定位以及低功耗设计等关键技术的研究中。 东南大学硕士学位论文 表1 1i n t e lw s n 应用实例2 1 目的 传感器类型节点数参与方 大鸭岛微小气候和海燕行为监测 温度、湿度、红外 1 5 0 i n t e l 、u c b 老年人健康监护运动、压力、红外 1 3 0i n t e l 红木丛林微气候监测温度、湿度、光强、气候 8 0 i n t e l 、u c b 芯片工厂中的设备发动机运行状态检测振动、转数 7 0 i n t e l 、u c b 葡萄园中生长环境与细菌污染程度检测温度 6 5i n t e l 国内方面，无线传感器网络方面的研究虽然起步较晚，但目前已受到广泛关注。从2 0 0 2 年开始，国家自然科学基金、中国下一代互联网示范工程和国家“8 6 3 ”等己陆续资助了多 项无线传感器网络相关的课题，相关科研单位和高校在无线传感器网络方面进行了大量的工 作。同时国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，如宁波中科、北京 鑫诺金和成都无线龙等公司也开始推出针对无线传感器网络的解决方案以及面向一定产业 应用的系统方案。总体上，从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的研究水平相对 国外落后，并且，国内对无线传感器网络的研究大都集中在跟踪国外某些具体研究点。比如 以节能为首要目标的路由协议、媒体访问控$ i j ( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议和拓扑控 制与管理，以及相应支撑技术如数据管理系统、定位与时钟同步等理论分析和算法仿真方面。 而且相应理论成果大多存在着与实际应用脱节，理论成果的实际应用性不足等问题，尤其缺 少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权的内容较少。虽然在网络协议与信息处理技 术这一研究方向的研究始终在紧跟国际的发展水平，但应用与技术攻关的研发却仍处在起步 阶段，研究水平与国外同行相比还存在非常大的差距。 1 2 2 无线传感器网路技术发展趋势 未来无线传感器网络发展正在朝着以下几个方向发展1 ： 灵活、自适应的网络协议体系 无线传感器网络的网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。在 环境监测中需要使用静止、低速的无线传感器网络；军事应用中需要使用移动的、实时性强 的无线传感器网络；智能交通里还需要将射频认j a 正( r f i d 。r a d i o a c t i v ef r e q u e n c yi d e n t i t y ) 技术 和无线传感器网络技术融合起来使用。这些面向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路 由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大的差异，因而网络性能各有 不同。如何设计功能可裁剪、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的无线传感器网络协 议体系结构，将是未来无线传感器网络发展的一个重要方向。 跨层设计 无线传感器网络有着分层的体系结构，各层的设计相互独立且具有一定局限性，因而各 层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。针对此问题，一些研究者提出了跨层设计的 概念。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层之间的设计互动与性能平衡。对无 线传感器网络，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现；但要使整个网络的 性能达到最优，还应采用跨层设计的思想。例如将m a c 与路由相结合进行跨层设计可以有 效节省能量，延长网络的寿命。同样，传感器网络的能量管理和低功耗设计也必须结合实际 跨层进行。此外，在时间同步和节点定位方面，采用跨层优化设计的方式，能够使节点直接 获取物理层的信息，有效避免本地处理带来的误差，获得较为准确的相关信息。 技术标准化 统一的技术标准是规范无线传感器网络产品开发，推动无线传感器网络产业稳步、有序、 良性发展的重要保证。但从当前情况来看，无线传感器网络的整体标准化水平依然较低，常 见的只有i e e e 8 0 2 1 5 4 、z i g a e e 、i e e e l 4 5 1 标准族和关于无线传感器网络与i p v 6 的几个草 案。虽然受无线传感器网络应用领域的广泛性、涉及技术领域的多样性以及工作环境的复杂 性等冈素的限制，无线传感器网络技术标准化工作具有很大的难度，但技术标准化仍是今后 工作的重要任务。 与其他网络的融合 无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、 2 第1 章绪论 移动通信网的融合，一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面 这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。新兴的“物联网”正是基于此类应用。借助 与冈特网和移动通信网络的融合，无线传感器网络可以将从特定对象采集的信息实时传送到 地球的任何一个角落，这将会掀起人们工作和生活领域的有一场革命。目前我国在无锡已经 设立了“感知中国”研究中心，专门从事“物联网”的研究”1 。伴随着第三代移动通信( 3 g ， 3 阳g e n e r a t i o n ) 网络的发展，无线传感器网络与3 g 网络的融合会成为未来十年的研究热点。 1 3 本文的内容和结构 本文参与了面向农田监控和灌溉的大规模无线传感器网络实验系统的整体设计，主要完 成了田间无线传感器网络节点的硬件系统和软件流程的设计与实现。田间节点既可以通过传 感模块采集相关信息，通过z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 4 网络将其上行发送至网关，网关与远程控 制中心通信，也可以接收来自控制中心通过网关发送的下行控制指令，完成诸如重启网络、 上传拓扑信息、无线更新和开关电磁阀进行灌溉等任务。并基于自行研制的节点，进行了一 系列的测试与研究，取得了相关经验与结论，验证了本系统的可行性，为下一步的研究工作 提供了基础和支持。 本文共分六章，各章内容安排如下： 第l 章：绪论。介绍课题背景、国内外研究现状以及全文各章节安排。 第2 章：总体方案设计。本章首先对农田监控和灌溉大规模无线传感器网络实验系统的 总体方案进行了阐述，然后分别详细分析了田间节点、网关和远程控制中心等各部分的功能 需求，最后描述了整体系统的工作流程。 第3 章：传感器节点方案选择。本章根据实际应用场景，对于传感器节点的设计方案进 行了选择。主要对通信技术标准、控制器和射频模块的方案、开发系统以及传感器种类等进 行了比较和设计，最终确定了节点的实现方案。 第4 章：传感器节点的设计与实现。在第3 章确定的方案的基础上，本章设计实现无线 传感器网络的节点的硬件电路，开发了初步的软件流程，完成了操作系统的移植和烧写，并 对节点的能量消耗进行了分析。 第5 章：基于节点的相关测试与研究。本章基于自行研制的节点，对信号的射频特性进 行了相关的实验和测试。本章最后参与了整体系统的联调，并对其性能进行了评估。 第6 章：全文总结与展望。对全文工作进行了总结并展望了拟进一步开展的工作。 3 【。 第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统总体方案概述 农田监控和灌溉大规模无线传感器网络实验系统的总体方案示意图如图2 1 所示，系统 分为三个部分：田间网络、汇聚网关和远程控制中心。田间网络节点的传感模块采集数据， 将其数据通过无线网络多跳发送到汇聚网关节点：汇聚网关节点接收数据，并将其封装为适 合的数据包通过无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 接入i n t e r n e t 转发到远程 控制中心，移动客户端也可以登录网关服务器，及时杏看相关信息；远程控制终端，对接收 的农田信息数据进行存储和分析，并可以发送下行控制命令至网关，网关汇聚节点将相关命 令转发给目标田间节点，目标节点根据接收到的指令执行相关操作。 低 低能量节点 图2 1 总体方案示意图 2 2 田间网络节点 本系统中，田间网络节点分为两类：高能量节点和低能鼍节点。田间每间隔约数十米布 置一个由可补充电源供电的高能量节点，其周围随机分布若干不可补充电源供电的低能量节 点。高能量节点与电磁阀驱动电路相连，具有路由转发功能：低能量节点与传感器模块相连， 负责采集农田信息数据，无路由功能。田间无线传感器网络为两层网络，第一层为星型网络， 低能量节点经过一个比较算法( 基于距离、链路质量和剩余能量等指标) 确定其一跳通信范 围内的某高能量节点作为簇头，周期性地将采集的环境信息发送到簇头( 高能量节点) ，低 能量节点大部分时间处于休眠状态，只在需要工作周期起始时唤醒。第二层为网状( m e s h ) 网络，高能量节点通过现有的或自行开发的上层网络路由协议，将簇内信息和来自其他簇头 的转发信息多跳发送至汇聚网关节点，高能量节点由于有多重任务需要处理，不进入休眠状 态，能量消耗较大。在接收到来自网关的控制指令后，高能量节点会根据指令执行相应操作， 例如控制电磁阀开闭或将指令转发给簇内低能量节点。 5 东南大学硕士学位论文 2 3 汇聚网关 汇聚网关由汇聚节点与网关两部分构成。汇聚节点负责发起网络，分配网络地址，接收 田间信息和将控制指令发送至指定田间节点。网关是一个基于a r m 嵌入式l i n u x 开发平台 的多端e l 接入网关，网关负责传感器网络和外界网络的协议转换和数据交换，此外网关还要 完成对目标区域监控的视频传输。汇聚节点和网关之间利用标准串口进行通信。汇聚节点会 将收集到的数据通过串e l 发送给网关，网关在对数据进行重新打包后将数据通过以太网传输 至控制中心以便对数据进行存储和分析。控制中心发送控制命令也要通过网关来完成，首先 控制中心会将控制命令按照预定的帧格式打包然后通过以太网发送给网关，网关在对数据进 行帧校验后将数据重新打包并通过串口发送给汇聚节点，汇聚节点接收到数据帧后就可以解 析出控制命令并将控制命令发送至目的节点。 网关是基于优龙f s 2 4 1 0 开发板实现的，开发板集成了a r m 9 处理器，n o rf l a s h ，n a d f l a s h ，s d r a m ，以及两个u s b 口，一个1 0 0 m 以太网口和三个串口l s 。n o rf l a s h 用于系统 测试，n a df l a s h 用于系统安装，存放引导文件( b o o tl o a d e r ) ，内核以及文件系统。网关通过 以太网口接入本地以太网从而连入因特网，u s b 接口可以开发无线网卡或3 g 上网卡的驱动 程序，通过w l a n 或3 g 网络接入因特网。远程控制中心接入因特网就可以和网关之间实 现通信。网关还可以开发移动协议标准( w a p ，w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) j 艮务器，手机用 户可以直接登录网关的w a p 服务器，随时随地察看农田环境状况。 2 4 远程控制中心 远程控制中心是基于d e l p h i 和s q ls e r v e r 数据库开发，通过i n t e m e t 与汇聚网关相连， 具有接收、显示、存储农田目标区域环境信息，主动查询拓扑结构、剩余电量信息以及发送 下行控制指令等功能。远程控制中心的设计主要分为三个模块：显示存储模块、查询模块和 操作节点模块。 显示存储模块的主要作用是接收、解析、显示和存储网关传送的农田目标区域环境信息， 主要包括土壤和空气的温度，湿度。具体功能如下：将网关传送过来的数据帧解析并按照字 段取出相应信息，存入数据库：从数据库中读取目标区域的历史温度或湿度数据，根据该信 息画出历史曲线图；设置时钟，按照设定的时间间隔读取传感器信息，通过绘制动画，实时 反映出目标区域环境信息的变化；设置门限，当所接收的数据超过门限值时，发出报警。 除了被动地定期接收网关传输的数据，控制中心还可以通过查询模块查询拓补结构、节 点剩余电量等节点信息，以更好地监控田间节点的工作状况。拓扑结构模块具体功能如下： 查询节点拓扑信息和拓扑协议，显示网络拓补模型；查询目标节点剩余能量，绘制网络能量 概略图。 操作节点模块主要作用是向网关传送控制信息，控制田间节点。田间网络、网关与远程 控制中心之间设计一组独特的控制命令信息。无线传感器网络节点接收到下行信息，解析后 根据控制命令协议采取相关操作。具体功能如下：控制节点的发射间隔；发射功率；断开指 定。肖点；节点重新接入网络；重启网络。 2 5 整体系统工作流程 本系统是面向户外环境监控应用的大规模自组织网络，其工作流程如下： 组建网络。首先启动汇聚节点，汇聚节点启动后扫描信道，建立起网络并在网络中 担当协调器。然后高能量节点被启动，开始搜寻它附近区域存在的网络，搜索到网络后便会 加入网络。高能量节点可能与汇聚节点直接通信，也有可能以另一个较早加入网络的高能量 节点为父节点。加入网络后，高能量节点会从汇聚节点或父节点那里分配到网络短地址段。 最后启动低能量节点，低能量节点会搜寻附近区域存在的高能量节点，并根据一定的策略( 信 号强度、链路质量、剩余能量和簇内节点数目等) 选择一个高能量节点为簇头，加入网络。 当所有节点都加入到汇聚节点所建立的网络中之后，这个自组织网络就形成了。 上行通信。网络形成之后低能量节点就开始周期性地采集目标区域的数据信息并将 数据发送给其相连的高能量节点。高能量节点将其簇内的低能量节点发送的数据进行相应的 融合处理后，根据相应的路由协议将数据传送到汇聚节点。汇聚节点将接收的信息通过串口 6 第2 章系统总体方案设计 发送至网关。网关对信息的格式和协议进行处理和转换，通过以太网或w l a n 的方式接入 因特网，发送至远程控制中心。控制中心对信息进行解析、显示、存储和处理。 下行控制。为了改变网络控制参数和实现应用功能，控制中心还可以对于田间网络 发送下行控制命令。控制命令主要有：改变节点数据发送间隔、改变节点发送功率、断开节 点、重新连接节点、重新启动网络和开关电磁阀进行灌溉等。控制中心首先按照预定的格式 发送控制命令到网关，网关收到数据后将数据转发给汇聚节点。汇聚节点收到数据后会将控 制命令数据解析出来，然后根据控制命令中的节点地址信息将控制命令发送到具体的节点。 节点收到控制命令信息后会根据控制命令的类型和参数做出一些网络参数的改变或者应用 操作。 2 6 本章小结 本章根据应用场景，对农田监控和灌溉大规模无线传感器网络实验系统的总体方案和其 工作流程进行了设计。其中，包括系统整体方案概述，田间网络节点、汇聚网关和远程控制 中心三部分的功能分析，以及网络建立、上行数据传输和+ f 行命令传输的流程描述。 7 1一 第3 章无线传感器网络节点设计方案 第3 章无线传感器网络节点设计方案 3 1 通信技术标准的比较 无线传感器网络采用的无线传输方式取代有线传输，是区别于传统传感器网络的重要特 征，