（精密仪器及机械专业论文）面向水环境监测的WSN网关与交互系统设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧缺、水污染严重，如何高 效、实时地获取水环境参数，研究开发水环境监测新方法，已成为水环境管理与保护的一 项重要任务。本文在国家九七三课题的资助下，认真研究国内外相关技术发展现状，提 出了一套面向水环境监测的无线传感器网络( 以下简称w s n ) 网关与交互系统的设计方 法，可以应用于水环境传感数据的远程传输，具有高效、稳定、可靠的特点。 在综合考虑w s n 网关性能、功耗、成本等基础上，本文采用当前流行的a r m 系 列微处理器芯片l p c 2 1 0 6 ，结合g p r s 模块m c 3 9 i 与其他外部电路实现无线传感器网 络网关的硬件设计。采用嵌入式实时操作系统uc o s i i ，t c p i p 协议栈l w i p 构建网关 软件开发平台，设计多任务的划分方法与具体实现，实现了利用g p r s 模块进行数据的 可靠传输以及链路维护与节能休眠等功能。 针对水环境监测中数据的突发性强、流量不稳定、单包数据量小等特点并充分考虑 无线网络带宽，设计了一种具有改进型n a g l e 算法的t c p 协议。通过仿真和实验验证了 该改进算法在保证传输可靠性的同时，可以明显提高无线信道的利用率并可大幅降低系 统能耗。 本文的最后介绍了水环境监测交互系统的v c 6 0 下设计方法，通过网络通信、数据 解析、界面显示等模块的协同工作使系统实现了远程无线传感器网络信息的界面化实时 显示。系统利用a d o 技术实现了数据库相关模块的设计，为使用者的数据维护工作提 供了便利，同时提高了系统的安全性。 关键词：水环境监测；无线传感器网络；网关；n a g l e 算法；交互系统 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统设计 a d e s i g no fw s ng a t e w a ya n di n t e r a c t i v es y s t e mf o rw a t e r e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g a b s t r a c t w a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi sa ni m p o r t a n tm e a n sf o rw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n t a n dp r o t e c t i o n ，c h i n a sl a c ko fw a t e rr e s o u r c e s ，t h e r ei ss e r i o u sw a t e rp o l l u t i o np h e n o m e n ai n c h i n a f m da ne f f i c i e n t ，r e a l t i m ew a yt oa c c e s st ow a t e re n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e wm e t h o d so f e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n go fw a t e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t t a s ko fw a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ta n dp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r ，f u n d e db yt h es t a t e9 7 3 p r o j e c t ，s e r i o u ss t u d yt h es t a t u sq u o o fr e l a t e dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，p u t f o r w a r dad e s i g np r o g r a mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sw s n ) g a t e w a y a n di n t e r a c t i v es y s t e m su s e df o rw a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g , w h i c hc a nb ea p p l i e dt o r e m o t es e n s i n gd a t at r a n s m i s s i o n ，w i t ht h ef e a t u r e so fh i g he f f i c i e n c y ，s t a b l ea n dr e l i a b l e a f t e rt h ec o n s i d e r a t i o no fp e r f o r m a n c e ，p o w e r - c o m s u m p t i o na n dc o s t ，t h i sp a p e rg i v e st h e s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fe m b e d d e dw s ng a t e w a y t h eh a r d w a r ed e s i g no f e m b e d d e dw s n g a t e w a yi sa c h i e v e db ye m p l o y i n gt h ep o p u l a ra r m c o r em i c r o p r o c e s s o rc h i p l p c 2 1 0 6 ，g p r sm o d u l em c 3 9 ia n do t h e re x t e r n a lc i r c u i t r y t h es y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r mi s c o n s i s t i n go fr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m t c o s i i ，t c p i ps t a c kl w l p d e s i g nm u l t i t a s k d i v i s i o nm e t h o da n das p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n ，t h eu s eo fg p r sm o d u l ee n s u r et h er e l i a b l e t r a n s m i s s i o no fd a t a ，a sw e l la sl i n km a i n t e n a n c e ，e n e r g y - s a v i n gs l e e pa n do t h e rf u n c t i o n s a i m e da tt h ef e a t u r e st h a tt h eh i g hs u d d e no fd a t a ，i n s t a b i l i t yo ft r a f f i c ，s i n g l ep a c k e tw i t h s m a l la m o u n to fd a t ai nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t a k i n gf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h eb a n d w i d t ho f w i r e l e s sn e t w o r k ，w ed e s i g n e dat r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) w i t ha ni m p r o v e dn a g l e a l g o r i t h m e x a m i n a t i o nv a l i d a t e dt h a tt h ea l g o r i t h mo b v i o u s l yi m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o no f w i r e l e s sc h a n n e la n dr e d u c e ds y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n f i n a l l y ，t h ep a p e r d e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g i n t e r a c t i o ns y s t e m ，w h i c hi sd e s i g n e db yu s i n gv c 6 0 t h ew h o l es y s t e mw o r k i n gt o g e t h e r t h r o u g ht h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，d a t aa n a l y s i s ，i n t e r f a c em o d u l et oa c h i e v er e a l t i m e d i s p l a yo f r e m o t ew s n i n f o r m a t i o n s y s t e mu s e sa d o t oa c h i e v et h ec o n s t r u c t i o no f d a t a b a s e r e l a t e dm o d u l e s t h e s em o d u l e sf a c i l i t a t et h em a i n t e n a n c eo ft h ed a t aa n di n c r e a s e t h es e c u r i t yo ft h es y s t e ma tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ；n a g l e a l g o r i t h m ；g a t e w a y ；i n t e r a c t i v es y s t e m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：亘囱壅巫埴些测鲍堕曼盟圆差生塞亘丕统遮i 土 一 作者签名：三型l 。1日期：盈2 z 年三一月盟日 大连理t 大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目：亘囱丕巫埴些测盟堕曼堕圆差生塞亘丕统遮i 土 作者签名_ 盏垒上日期：竺翌年旦月j 量日 导师签名：坌! 垒型殳日期：圭壶z 年丝拥丝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 传感器技术、嵌入式技术、通信技术以及半导体技术等高新技术的发展，已经带来 了p c 时代和网络时代的繁荣。微机械电子系统( m i c r o e l e t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 的迅速发展为设计和实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 奠定了基础；不同类型传感 器的相继推出和性能的提高为不同监控应用奠定了基础；低功耗、高可靠性的无线通信 技术的发展以及移动通信技术和i n t e r n e t 技术的融合为设备间的通信奠定了基础。无线 传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s r , 0 作为以上多种高新技术融合的产物已经成为 计算机科学和网络通信科学中一个活跃的研究分支，引起了学术界和工业界的高度重 视，它被认为是对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一【1 - 3 l 。传感器网络具有十分广 阔的应用前景，在环境监测、军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、抢险救灾、危 险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值。 1 1 论文的研究背景及研究意义 1 1 1 论文的研究背景 水是人类的生命之源，水环境监测是水资源管理与保护的重要手段，我国水资源紧 缺、水污染严重，如何高效、实时地获取水环境参数，研究开发水环境监测新方法，已成 为水环境管理与保护的一项重要任务。 目前，我国的水环境问题既多又突出，特别是严重的水污染公害和河道功能衰退的情 势严峻，不仅制约着这些地方的经济发展，还威胁到百姓的生存环境。我国的水污染问 题中，重金属、五毒局限于少数水域，有机污染呈加重势头，近期的趋势分析评价表明， 水污染总体呈加重趋势，其演变趋势为由支流向干流延伸，由城市向农村蔓延，由地表 向地下渗漏，由地区向流域扩展，在一些地区的水环境问题已由单一型演变为复合型即 洪涝缺水污染公害交织发生，协同作用，水环境监测面临的问题更为复杂开展 监测的难度也更大1 4 j 。 在水环境自动化监测的需求与指标日益提高，监测环境日益复杂的背景下。无线传 感器网络技术的引入成为解决水环境自动化监测的一种理想方案。无线传感器网络作为 由大量低成本、低功耗的具有传感、计算与通信能力的微小传感器节点构成的自治网络 系统，是能根据环境自主完成各种监测任务的“智能 系统【5 1 。配备有多种水环境监测传 感器的自组织无线传感器网络可以与远程无线通信方式相结合完成对多目标监测水域 的实时动态监测。基于无线传感器网络的水环境监测系统具有：1 、系统成本低；2 、监 测点分布范围广；3 、组网结构灵活多样；4 、对周边生态环境影响小等诸多优点。 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统设计 本文在国家“九七三基础科研项目“水环境监测无线网络微传感器芯片系统 基础研究”f 项目号2 0 0 9 c b 3 2 0 3 0 0 ) 的资助下，研究高性能无线传感器网络网关与 水环境监测交互系统的设计实现方法。 1 1 2 论文的研究意义 我国的水资源监测技术总体效率不高，设备老化，自动化水平覆盖面不广。近几年 虽然在不断加大投资力度进行更新改造，但在更新速度、大型设备的配备率、测试仪器 的先进程度、测试的精度、污染事故的应急监测能力、防洪预警系统的技术利用率与水 资源监测高效、快速的要求仍有较大差距。因此研究一套实用性、易用性强，可靠性高 的自动化无线监测设备具有很高的现实意义。 水环境监测具备一些与其他监测不同的特点，主要体现在数据的表现形式和数据 量，监测网络的拓扑结构，传输的间隔与实时性要求，液态与气态传输介质并存和水体 干扰等方面，因此有必要针对水环境的特点进行有重点的传感器网络应用研究。 图1 1 无线传感器网络监控系统示意图 f i g 1 1t h ea r c h i t e c t u r eo fw s n m o n i t o rs y s t e m 传感器网络要真正实现水环境远程监控的特点，不能孤立存在，需要通过网关设备 接入外部网络( 图1 1 ) ，如i n t e r n e t 、局域网或环保监测部门内部互联网，提供监控人员 对远程水体的访问和监视。同时设计友好的人机交互系统对于数据的观察，整理，融合 分析也大有裨益，可以直观及时的反映出监测数据的变化并进行预警。 大连理t 大学硕士学位论文 1 2 国内外水环境监测技术研究概况 基于无线传感器网络的水环境实时监测系统，国外比较典型的代表有澳大利亚 c s i r o 的f l e c k 系纠6 j 和美国h e l i o s w a r e 公司的c s o n e t 系统i 。7 1 。下面分别对这两种系 统的研究进展情况进行介绍。 c s i r o 是澳大利亚联邦科学与工业研究组织的简称，其下属的信息通信技术中心 i c t c e n t e r 主要进行信息工程与无线网络技术的研究。2 0 0 8 年，该部门提出一套传感器 网络监测系统设计方案，并命名为“f l e c k ”系统，意为斑点智能无线传感器网络技术， 每一个传感器网络节点称为一个“斑点”。“斑点 采用运行于伯克利t i n y o s 操作系 统上的a t m e g a l 2 8 l 嵌入式处理器作为控制单元，通信装置采用n o r d i cn r f 9 0 3 ， 户外 环境下的最大通信半径可达5 0 0 m 。所有“斑点”以a dh o e 的方式组成智能传感器网络 可以完成数据信息的自动采集和实时发送。2 0 0 8 年底，c s i r o 与s e q w a t e r 合作将f l e c k 智能传感器网络系统应用于昆士兰州东南部的威文霍湖进行水质监测。其监测网络由 1 2 0 个水上监测点，7 0 个路地监测基站以及4 5 个浮动测量船组成，共同完成水温、水 污染状况以及水位信息等的测量工作。此外，该技术也已经在热带雨林的环境保护监测 中得到较好的应用。 美国h e l i o s w a r e 公司的c s o n e t 系统是面向分布式控制监测提出的无线传感网络 解决方案，该系统由c s o n e tl o g i c c o v e r ( 节点) 和c s o n e t 网关( 接入点) 组成，用户 可以通过w i f i ，w i m a x ，手机，以太网等方式访问网关数据。c s o n e t 网关由传感器网 络通信模块与广域网通信模块构成，其中传感器网络通信模块使用频移键控技术在 9 0 2 9 2 8 m h z 的频率范围内进行通信，网络拓扑采用m e s ha dh o c 和点对点两种结构相 结合的方式；广域网通信模块内嵌1 0 1 0 0 m 以太网端口并配有g s m 模块、3 3 6 kv 3 4 调制解调器等可以通过多种方式与广域网通信。控制器采用a m de l a n5 2 0 ，带有2 5 6 m 闪存运行于嵌入式l i n u x 操作系统中。该网关需要1 1 0 v 直流电源供电，可以加装太阳 能电池板，但功耗较高、产品体积较大。目前该套系统仅适合用做研究，尚不能作为实 用系统在现场使用。 国内已对基于无线传感器网络的水环境实时监测系统的一些关键技术进行了研究。 其中杭州电子科技大学信息与控制研究所对于水环境监测的无线传感器网络网关提出 了结合视频监测的设计方案【引，网络通信采用z i g b e e 与c d m a 结合的方式，t c p i p 协 议采用内嵌协议栈使两种异构协议整合到一个控制平台中，采用双c d m a 模块的发送 方式，是一种很好的解决方案。但是目前尚处于研发阶段，由于耗电量高、传输效率低， 同样无法适应实际应用的需要。 面向水环境监测的w s n 网芙与交互系统设计 此外上海无线龙，宁波中科等该领域知名的国内公司也给出了基于无线传感器网络 和远距离传输协议的监控、监测系统解决方案，并推出了多种配套的实验开发平台、教 学系统等。其中宁波中科推出的面向行业应用解决方案命名为g m e s h 引。g m e s h 使用中 科院计算所自主研发的轻量级高效自组织网络协议，网络具有极高的可靠性和可扩展 性，可实现成百上千个节点的大规模组网。其产品同样以教学核试验开发平台为主，并 无功能完善的应用产品。 综上所述，水环境监测的许多特殊场合中，如湖泊水质监测、地下水水质监测等场 合，网关节点依靠有线的接入方式不再可能，同时节点携带的能量也变得十分有限，因 此在进行硬件节能性设计的同时，有必要考虑g p r s 等无线接入方式的带宽特点和网关 能量消耗问题，设计一种具备自适应特性的高效传输层算法。 1 3 相关技术介绍 1 3 1m 2 m 技术与无线传感器网络技术 近年来世界信息产业发展势头迅猛，随着移动通信技术高速发展，移动通讯网络已 经发展成为覆盖面积最广、功能最强、基础设施最完善的无线通讯网络。越来越多的机 器设备与人之间采用了移动通讯技术实现了数据信息的传输，于是m 2 m 概念应运而生。 m 2 m 全称是m a c h i n et om a c h i n e ，所谓m 2 m 技术，狭义上讲，就是机器与机器之间通 过通信技术实现数据的交换，简单来说，就是把世界上现有的各种机器都纳入到通信网 络之中，使所有的机器都能联动，实现机器的网络化和智能化l l 2 1 。 通信网络技术的出现和发展，给社会生活面貌带来了极大的变化。人与人之间可以 更加快捷地沟通，信息的交流更顺畅。但是目前仅仅是计算机和其他一些r r 类设备具 备这种通信和网络能力。众多的普通机器设备几乎不具备联网和通信能力，例如家电、 车辆、自动售货机、工厂设备等。m 2 m 技术的目标就是使所有机器设备都具备连网和 通信能力，其核心理念就是网络一切( n e t w o r ke v e r y t h i n g ) ，具有非常重要的意义，有 着广阔的市场和应用前景，推动着社会生产和生活方式新一轮的变革。 几乎与m 2 m 技术同时发展起来的传感器技术、嵌入式技术以及通信半导体技术， 使得在微小的体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。这种小而方 便的低功耗设备冲破了传统p c 和高性能服务器的设计模式，并将应用领域拓展到传统 p c 很难做到的领域。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是上述技术发展 的结果，它由部署在监测区域的大量微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳 一4 大连理工大学硕士学位论文 自组织的网络系统。它的目的就是感知、采集部署区域中的信息发送给关心这些信息的 人。这项技术在军事，环境监测，智能家居，工业生产等方面有着广阔的发展空间【1 3 , 1 4 。 m 2 m 具有覆盖完善的庞大数据通信平台，w s n 提供灵活价廉的终端设备通信手段。 w s n 多技术组合时，运用m 2 m 概念，把w s n 接入移动通信网络，既满足网络接入的 要求，又达到低成本和灵活移动的目的，二者的完美结合可实现无所不在的通信环境和 便宜实惠的应用效果。以智能家居为例，家庭中的灯光控制系统、安防控制系统、家居 环境监控系统( 温度、湿度、空气质量等) 、家庭气象站可以运用w s n 技术连成一个统 一的无线控制监视网络。w s n 像一张大网把室内的各种信息搜集到基站，此时m 2 m 终端就可以将信息通过移动网络传输到i n t e r n e t ，这样我们在任意时刻和地点都能够实 现家居的远程监控。w s n 技术与m 2 m 技术的结合，使我们可以更为简洁有效地构建我 们的智能化家庭环到1 5 j 。 用于w s n 网关的远程数据传输一般采用基于移动通信的m 2 m 技术，目前这种基 于移动通信的m 2 m 技术已经被广泛用于多种远程监控系统的设计中，尤其是采用基于 g p r s 的m 2 m 模块进行远程数据的传输已经比较成熟。下面给出当前可以用于实现无 线传感器网络数据的远程传输的m 2 m 技术的比较，如表1 1 所示。 表1 1 用于远程通信的m 2 m 技术特性对比 t a b 1 1 c o n p a r a t i o no fl o n g d i s t a n c em 2 mt e c h n o l o g y 楚2 m 技术 g s mg p r s ( t d ，w c d m a ) w i m a x 特点 传输方式 s m s s m s ，数据s m s ，数据数据 传输速率1 6 0 字符条 4 0 k b - 1 9 2 k b3 m7 0 m 网络状态稳定，可靠稳定，可靠某蟛地l x j 州 局部开发测试 传输距离( 米)全球全球基站覆盖区域两点之间5 0 公里 应用前景早期应刚广泛当前普遍应用近期酱遍应川当前不可用 其他特点一般不用于数据传低速数据传输，不久后的主流通信优点突出，前期投 输，实时性较差网络可靠方式，当前有地区入高，未来趋势 局限性 1 3 2 嵌入式系统技术 无线传感器网络网关是具备信息汇聚、处理以及数据传输功能的嵌入式系统，它的 设计从技术角度看应当是属于嵌入式系统的范畴。 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，能适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【1 6 】。它主要由嵌 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统设计 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，用于实 现对其它设备的控制、监视和管理等功能嵌入式系统通常都被嵌入在主要设备之中。嵌 入式系统通常由硬件和软件两部分组成。嵌入系统与通用计算机系统相比有五个明显的 特征：专用性、可封装性、外来性、实时性、可靠性1 1 7 , 1 8 j 。专用性是指嵌入式计算机系 统用于特定设备完成特定任务。可封装性指嵌入式计算机系统隐藏于目标系统内部而不 被操作者察觉。实质上是面向对象封装以实现信息隐蔽思想的体现。外来性体现在嵌入 的计算机一般自成一个子系统，与目标系统的其他子系统保持一定的独立性。实时性是 指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或用户的 干预做出响应。可靠性是指嵌入式计算机隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制。 因此一旦工作就要求它可靠运行。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须 高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 w s n 网关的设计应当根据其特殊的应用领域以及功能需求，综合考虑软件和硬件的 需求，选择适合于节点的的软硬件系统架构，系统设计采用软硬件协同开发方式，每阶 段均考虑软件和硬件的特性，针对模块进行软硬件协同设计，最终将各个模块进行系统 集成，这样可以更有效的发现和解决问题，加速系统的开发进程。 1 4 本文研究内容及论文结构 本文针对水环境无线传感网络监测的国家课题，在检索阅读了大量国内外网站、期 刊文献和分析系统功能需求的基础上给出了无线传感器网络网关及交互系统的的具体 设计方案。采用嵌入式系统软、硬件协同开发技术，基于a r m 处理器实现了一种无线 传感器网络网关的硬件设计，实现了pc o s i i 下的网关多任务设计。针对水环境传输 的数据特点提出并实现了一种传输层协议的改进方法并进行了测试。面向水环境的监测 需求设计了用于接收和存储无线传感器网络信息的监测交互系统。 论文第一章作为绪论，阐述了本课题研究的大背景和主要意义、国内外水环境监测 技术的研究概况、以及相关技术的发展。全文以此为基础，详细论述面向水环境应用的 无线传感器网关及监测交互系统设计与实现。第二章在分析系统功能需求的基础上，给 出了无线传感器网络的软硬件总体方案设计。然后分别对系统的硬件设计和软件平台搭 建进行了详细的阐述。其中包括处理器与g p r s 模块相关电路设计，p c b 设计，uc o s i i 及l w l p 协议栈的移植，系统的任务划分与具体流程等。论文的第三章针对水环境应用 的数据传输特点分析了传输层协议的选择与设计方法，并提出了一种基于n a g l e 改进算 法的t c p 协议的实现方案；使用网络仿真软件n s 2 对改进协议的性能进行了分析，最 一6 一 大连理工人学硕十学位论文 后以实验的方式验证的改进算法在传输效率上的优越性。第四章给出了采用m sv c 6 0 设计的用于监控w s n 网络的交互系统设计方案，分别阐述了系统各个主要模块的设计 并着重介绍了采用a d o 接口的数据库设计方法。论文的最后给出了结论。 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统设计 2 嵌入式w s n 网关设计 网关( g a t e w a y ) 3 l 称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是 最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。利用网关，不同网络上 的主机间可以建立起跨越多个网络的、级联的、点对点的传输连接f 1 引。本课题中的无线 传感器网络网关主要用于实现w s n 与外部网络的互联，并对w s n 的数据进行转换以 及转发。本章将从系统总体结构的设计出发详细阐述w s n 网关的软硬件平台搭建方法。 2 1 网关总体结构设计 网关的构建以实用性、开放性、功能的可扩展性、技术的先进性为指导原则，通过 对无线传感器网络数据传输过程的分析，并按照嵌入式系统的开发流程网关硬件平台应 具有低功耗、高性能的嵌入式微处理器，存储器系统，串行通信和m o d e m 接口，还应 包括j t a g 测试接口、时钟系统以及复位电路等。网关软件平台应为便于移植的，可裁 减的嵌入式操作系统。此平台应支持w s n 数据的采集、转换、转发等应用程序，并支 持多线程编程。 根据上述功能需求以及系统的组成，在系统的实现技术上将有很多种方案可供选 用。本着成本尽可能低、性能尽可能高、稳定可靠性尽可能高、技术实现尽可能简捷的 原则，系统各个功能模块的选择采用如下方案： ( 1 ) 主控模块采用a r m 处理器。在无线传感器网络中，节点主控c p u 的性能和功 耗是我们选择的主要指标。本文选用的高性能a r m 处理器l p c 2 1 0 6 可以根据需要关闭 暂时不用的模块，从而工作于低功耗模式下，适合节点的应用设计。 ( 2 ) 网关通信技术选用基于g p r s 技术的移动通信网络。通过移动通信网络实现远 程数据传输在通信成本、通信覆盖范围以及通信质量等方面有着其他的无线网络无可比 拟的优势。虽然在国内也有基于3 g 技术的移动通信网络可供选择，但在网络覆盖率方 面不及g p r s 网络。目前市场上有很多面向m 2 m 应用的g p r s 通信模块出售，价格低 廉，技术成熟，并且可以满足系统的需求。 ( 3 ) 软件系统采用基于嵌入式实时操作系统t tc o s i i 的软件系统结构，按照功能模 块将系统软件设计划分为不同的任务，从而达到结构清晰和模块化的要求。 ( 4 ) 移植l w i pt c p 厂i p 协议栈并进行优化，从而为g p r s 数据传输和其他应用层功 能的实现提供便捷的丌发平台。 人连理l 。大学硕上学位论文 2 1i 网关硬件结构设计 w s n 网关的设计按照嵌入式系统量体裁衣的思想选择各个功能模块部件，着重考 虑节点的性价# e 和可升级性等因素，设计嵌入式无线传感器网络节点的硬件结构。根据 功能需求，将各个独立功能模块化，节点的硬件体系结构如图2 1 所示。 嘲2 1 w s n 州荚硬什结构不意闭 f i 9 2 l h a r d w a r e f r a m e w o r k o f w s n g a t e w a y 嗍关设计在硬件上选取a r m 系列3 2 位处理器为主控单元，外围电路主要包括时钟、 复位电路，串行通信接u 和其他电路系统。无线传输模块采用s i m e n s 公司的工业级 g p r s 模块m c 3 9 i 与主控模块间采用串行方式连接，外围电路主要有s i m 接口及启动 电路等。此外系统的电源模块采用了转换效率较高的d c d c 芯片作为电源转换芯片以 提高系统的节能性，滤波整流电容的布置和选用也做了充分的考虑保证了系统工作的 稳定性。 2 12 网关软件结构设计 为满足水环境监测中对系统运行稳定性和功能完善性的需求，嵌入式网关软件设计 应具备较好的可升级、可裁减、模块化等特点。传统的前后台系统在处理信息的及时性、 程序运行的时删确定性等方面难以得到保证，而且当修改应用程序时，整个前台的循环 时序也需要做较大的修改。综合考虑以上因素，系统软件使用嵌入式实时操作系统是非 常有必要的。由于网关与远端交互系统通过g p r s 和i n t e m e t 网络进行通信，因而软件 体系中同样需要具备可裁剪、可移植性好的t c p i p 协议栈。本文在著名开源嵌入式实 时操作系统uc o s i i 作为系统软件体系设计的基础，选择裁剪后满足我们需求的l w l p 作为系统的通信协议栈，设计一种町靠性高、功能完备的嵌入式w s n 网关。如图2 2 所示为系统的软件体系结构图。 褰 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统没计 图2 2w s n 网关软件结构示意图 f i g 2 2s o f t w a r ef r a m e w o r ko fw s ng a t e w a y 节点软件设计按照模块化的设计思想，将各模块根据其功能划分为系统的任务，由 uc o s i i 进行调度和管理，通过操作系统提供的事件实现任务之间或底层驱动之间的 通信和资源共享。通过使用嵌入式操作系统提供的任务调度、时间管理、任务管理、任 务间通信及事件同步等使得嵌入式应用程序的设计和扩展更加方便、快捷，提高了系统 的可靠性，缩短了嵌入式软件的开发周期。本文给出的软件体系结构综合考虑了嵌入式 系统设计和无线传感器网络网关的功能需求，能够为网关的设计提供可靠、便捷的应用 接口，适合嵌入式w s n 网关。 2 2w s n 网关硬件电路设计 2 2 1 嵌入式处理器选型与相关电路设计 嵌入式w s n 网关的硬件核心是嵌入式微处理器。嵌入式处理器在功耗、体积、成 本、可靠性及运算处理能力等各方面性能指标在不同的应用场合均有较为特殊的要求， 不同的行业及应用场合对嵌入式处理器的性能都有不同的要求。随着集成电路设计制造 技术的提高，3 2 位处理器在性价比方面的优势较为突出，其中采用a r m 体系结构的处 理器芯片在3 2 位处理器中占很大的比例1 2 0 1 。w s n 网关处理器的性能直接关系到的网关 的数据处理能力并影响着整个传感器网络与外部交互的能力。因此本文选用当日订较为流 行的3 2 位a r m 处理器设计嵌入式无线传感器网络节点。 大连理工大学硕士学位论文 选择合适的m c u 是设计出高性价比无线传感器网络网关的必要条件。出于对节点 体积和成本的考虑，处理器芯片内部应集成节点必备的外围设备模块，包括：u a r t ， s p i ，a d c ，t c 和1 2 c 等以实现m c u 与其他模块的通信和满足功能拓展的需要；除此 之外，从网关的通信数据量考虑，需要m c u 集成较大的r a m 和f l a s h 用来储存数据 和程序代码。处于以上几个方面的考虑，适当考虑芯片的性价比、厂商提供的技术支持 和开发工具的易用性等因素。最后本文选定p h i l i p s 公司生产的l p c 2 1 0 6 芯片作为嵌 入式网关的主控制器。 l p c 2 1 0 6 是一款基于a r m 7 t d m i 核的微控制器，它尺寸十分小巧、具有1 2 8 k 的 片内f l a s h 和6 4 k 的片内r a m ，是目前l p c 2 0 0 0 系列产品中片内r a m 最大的一款微 控制器。l p c 2 1 0 6 的引脚数量虽少但是片内外设的种类依然十分丰富，u a r t ，s p i ， a d c ，t c 和1 2 c 等一应俱全。芯片使用双电源供电，包括1 8 v 的内核电源和3 3 v 的 外设电源；支持主从j t a g 功能，支持系统设计阶段的片上调试功能1 2 1 】。下面分别介 绍主控模块的外围电路设计方法。 ( 1 ) 时钟电路设计 l p c 2 1 0 6 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部p l l 电路可调整系统时钟， 使系统运行速度更快( 最大操作时钟为6 0 m h z ) 。因为需要使用片内p l l 功能及i s p 下载功能，外部晶振频率需设为1 0 2 5 m h z ，外部时钟频率为1 0 2 5 m h z 。 本文设计采用外部1 1 0 5 9 2 m h z 晶振提供系统时钟，电路如图2 3 所示。用 1 1 0 5 9 2 m h z 的原因是使串口波特率更精确，同时能支持l p c 2 1 0 6 微控制器芯片内部 p l l 及i s p 功能。 ( 2 ) 复位电路设计 q pft r 2 亍l i m l tx r a t 鼍r 图2 3 时钟模块电路原理图 f i g 2 3s c h e m a t i co fs y s t e mc l o c km o d u l e 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统设计 由于a r m 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容很低，对电源的纹波、 瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本 文的复位电路使用美信公司出品的带1 2 c 存储器的电源监控芯片m a x 7 0 8 s c s a ，提高 了系统的可靠性。 图2 4 复位电路 f i g 2 4s c h e m a t i co fr e s e tc i r c u i t ( 3 ) u a r t 通信电路设计 l p c 2 1 0 6 内部集成2 路通用异步收发器( u a r t ) ，提供一个全双工的串行通信接口 可作为m o d e m 接口使用。每个u a r t 模块内部均与一个可以实现数据的高速传输的 p d c ( 外设d m a 控制器) 模块相连。本文设计的节点通过u a r t 0 串行通信接口与m c 3 9 i 相连，进行数据的接收与发送。如图2 5 所示，将m c 3 9 i 的硬件握手和数据收发信号引 脚分别与处理器连接，通过硬件握手c t s 和r t s 实现数据的校验以及错误重发机制。 根据m c 3 9 i 的硬件说明，由于r x d ，c t x ，r i n g 引脚在p o w e rd o w n 模式处于悬 浮状态，因此使用1 5 0 k 的下拉电阻保证m c 3 9 i 模块的安全性。 人连理t 大学硕十学位论文 t x d l癣zt x i 濉0 倜j c 3 s ) - 0 网r r 卧0 砌n i g l 一 埘n c n 0 陷 ： 支 ： 粼 - ：= 图2 5g p r s 模块m c 3 9 i 的u a r t 通信接口 f i g 2 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ef o rg p r s m o d u l em c 3 9 i 由于系统是3 3 v 系统，所以要使用m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平转换。m a x 3 2 3 2 是3 v 工作电源的r s 2 3 2 转换芯片。可以将c m o s 电平转换为r s 2 3 2 电平，工作稳定。 本文将u a r t l 提供串口功能作为外部输入数据的接口，同时也可以在调试过程中显示 当i i 各个功能模块的状态信息及网络调试信息。 2 2 2g p r s 通信模块选型与外围电路设计 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是在原有g s m 网络的基 础上通过增加g g s n 和s g s n 实现的数据分组传输。g p r s 允许用户在端到端分组转移 模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务【珏2 4 1 。特别 适用间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。目前，虽然移动通信领域正在经历 从2 5 代逐步向第三代( 3 g ) 技术发展的过渡过程，但是由于3 g 网络覆盖面、技术成熟 度方面的缺陷，具备高稳定性高覆盖率的2 5 g 移动通信技术g p r s 依然是近期的主要 的数据传输方式之一。 m c 3 9 i 是由德国西门子公司设计生产的具备g s m 和g p r s 功能的m 2 m 模块【2 引， 它是一款安全绿色环保产品，它可以很好的满足无线传感器网络远程数据传输的需求。 它支持g p r s 的四种编码协议，理论上最高传输速度可达1 9 2 l ( b s 。m c 3 9 i 模块具备g s m 和g p r s 的所有通信功能。它设计的目的就是为用户提供一种方便的语音和数据无线连 接解决方案，它可以广泛的应用在g s m g p r s 相关的数据传输平台上，让用户以最小 的代价搭建自己的无线解决方案。m c 3 9 i 模块集成了基带处理单元和r f 处理模块，对 外提供4 0 p i n 的z i f 连接器，用户通过该连接器就可以实现包括系统控制、数据输入 输出和电源输入等功能。m c 3 9 i 用于g p r s 通信时，采用一直在线技术，提高了数据传 面向水环境监测的w s n 网关与交互系统设计 输的实时性和传输速度。m c 3 9 i 提供a t 命令