（计算机应用技术专业论文）基于wsn的远程抄表系统软件的设计与实现.pdf

摘要 摘要 水表、电表、燃气表( 三表) 数据抄送主要经历了手工抄表、i c 卡预付费 表、有线抄表以及基于蓝牙技术的无线抄表等阶段，这些抄表方式有各自的优 点，但同时也有其局限性，因此现有抄表技术亟待提高。 随着科技的发展，融合了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和 分布式信息处理技术的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 技术 应运而生。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信的方式构成的自 组织网络，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，是现代信息技术中 的一个新的发展领域，有着非常广阔的发展空间和应用前景。 在深入研究了无线传感器网络的网络传输特性、数据采集和处理的特殊要 求及拓扑结构和路由算法，并分析了传统抄表系统在应用中存在的问题后，本 文给出了一种基于无线传感器网络的远程无线抄表系统的软件设计方案。并详 细介绍了其系统结构、通信机制及软件实现流程。这是一种全新的远程自动抄 表系统，该系统具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统 的优点，集采集、存储、传输、处理、计算、显示、查询、打印等一系列功能 于一身，同时能够具有远程监控、远程维护的功能。 关键字：无线传感器网络；抄表系统：节点：基站 东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t e r sr e a d i n g s y s t e mo fw a t e rm e t e r , a m m e t e ra n dn a t u r e g a sm e t e r ( s i m p l i f i e da s ：t h r e em e t e r s ) e x p e r i e n c e df o l l o w i n gp r o c e s s e s ：m a n u a lm e t e r r e a d i n g ；i cc a r dp r e p a i dm e t e rr e a d i n g ；w i r e dm e t e rr e a d i n ga n dw i r e l e s sm e t e r r e a d i n gb a s e do nb l u e t o o t h a l lo ft h e mh a v et h e i ro w nm e r i t s ，a n dh a v el i m i t a t i o n s o f t h e ma tt h es a n l et i m ea l s o ，s ot h em e t e r r e a d i n gt e c h n o l o g yn e e d st ob ei m p r o v e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) t h a ti n t e g r a t e st h es e n s o rt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ye m e r g e da sb e i n gr e q u i r e d t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i sas e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r kt h a ti sc o m p o s e do fal a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e s t h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i tm a yf i n i s hq u a n t i f i c a t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ，t h e p r o c e s s i n g f u s i o na n dt r a n s m i s s i o n a p p l i c a t i o n i t a l s oh a sb r o a dv i s i o ni n d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na l s o t h et h e s i ss t u d i e dt h ew s n ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o n s p e c i a l r e q u i r e m e n t so fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s ，t h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dr o u t e a r i t h m e t i c o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ee x i s t i n gi s s u e si nm e t e rr e a d i n gs y s t e mo f t r a d i t i o n ，t h et h e s i sg a v eo u tas c h e m ei nr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do nw s n t h e r ei sad e t a i l e d d e s c r i p t i o na b o u tt h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ec o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ma n dt h ef l o wc h a r to f p r o g r a m i ti sab r a n dn e wr e m o t ea u t o m a t i o nm e t e r r e a d i n gs y s t e m ，a n di t sm e r i t sa r ea c c u r a c yo fm e t e rr e a d i n g ，r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ， c o n v e n i e n c eo fm e t e rr e a d i n ga n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n i th a ss om a n yf u n c t i o n s a sd a t ar e q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，t r a n s m i s s i o n ，p r o c e s s ，c o m p u t a t i o n ，d i s p l a y , q u e r y , a n d p r i n t a n di tm a ya l s or e m o t em o n i t o ra n dr e m o t em a i n t e n a n c e 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 ；m e t e rr e a d i n gs y s t e m ；m o t e ；b a s es t a t i o n - i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：皇! i 亟巫日期：2 盟&年月丛日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：皇盟堑年月上二日 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 无线传感器网络是随着传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的发展 而兴起的一门新技术。无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，网络中 的节点能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内各种监测对象的信息， 并对其进行处理，获得详尽而准确的信息传送给相关用户。随着越来越多的传 感器网络应用系统的出现，物理世界与数字世界的连接会越来越紧密。无线传 感器网络被认为是2 l 世纪最重要的技术之一，美国商业周刊和m i t 技术评论在 预测未来技术发展的报告中，分别将其列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改 变世界的1 0 大新技术之一n 一。 与传统的t c p i p 网络或者无线网络相比，无线传感器网络有其自身的优点 和特点，如它的元件体积小、成本低；网络规模超大；无中心和自组织性；节 点易于布置、隐藏；无人值守等。 与此同时各种抄表方式虽然有各自的优点，但也存在一定的局限性。 手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关 营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据。i c 卡预付费煤气 表虽然实现了预付功能，但是其不能监管用户的实际的使用情况；有线抄表虽 然解决了入户难、效率低与不能监管用户的实际的使用情况等问题，但其难于 施工、成本高与维护难问题使得市场推广难。基于蓝牙技术的无线抄表在一定 程度上解决了有线抄表的问题，其依然没有解决功耗高与成本高等问题。 基于以上这种情况，利用无线传感器网络技术开发一套计量准确、通信可 靠的远程抄表系统非常必要。这个系统集采集、存储、传输、处理、计算、显 示、查询、打印等一系列功能于一身，同时能够具有远程监控、远程维护的功 能。从而解决了现有有线抄表系统布线困难，维护成本高，无线抄表系统功耗 高成本高等问题。 东北电力大学硕十学位论文 1 2 研究现状 由于无线传感器网络的巨大应用价值，很多研究机构、大学和公司都投入了 大量的人力、财力进行了这方面的研究，并取得了一定的进展，尤其是针对无 线传感器网络节点的设计与研究。目前国内外已经出现了多种网络节点的设计， 它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或不同的通信协 议，如8 0 2 1 1 协议，z i g b e e 协议，蓝牙协议等。典型的节点包括加州大学伯克 利分校( u cb e r k e l e y ) 的m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2d o t 系列，m i ti - t a m p s ，i n t e li m o t e 及i c t c a s h k u s t 的b u d s 等。我国中科院沈阳自动化研究所也开发了一种通 用的、低成本的传感器节点s 认一m s 一1 0 ，中科院上海微系统与信息技术研究 所通过系统集成的方式已完成了一些终端节点和基站节点的研发口1 。 相对于迅速发展的无线传感器网络来说，无线自动远传抄表系统的发展经 历了以下几个发展过程：手工抄表、i c 卡预付费表、有线抄表以及基于蓝牙的 无线抄表，这些抄表方式虽然具有各自的优点，但也存在一定的局限性。手工 抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企 业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据。i c 卡预付费表虽然实现了 预付功能，但是其不能监管用户的实际使用情况；有线抄表虽然解决了入户难、 效率低与不能监管用户的实际的使用情况等问题，但其难于施工、成本高与维 护难问题使得市场推广难。基于蓝牙技术的无线抄表在一定程度上解决了有线 抄表的问题，其依然没有解决功耗高与成本高等问题。 8 0 年代中期以来，美国在a m r ( a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n g ) 技术的开发和应 用上就己取得了长足的进步，9 0 年代中期自动抄表技术应用己成规模：美国匹兹 堡市的d u q u e s n e 电灯公司于1 9 9 8 年己实现在其供电的8 0 0 k m z 区域内5 6 60 0 0 个电能表上安装自动抄表系统；对西雅图和奥林匹亚供电的p s e 公司约有1 5 0 万 个电能表，1 9 9 9 年已完成8 3 00 0 0 单元自动抄表装置的安装。根据a m r a1 9 9 9 年的s c o t t 报告，美国己安装和投用抄过1 0 0 万单元自动抄表系统的电力公司有 a m e r el i e 公司、p r e p a 公司、n s p 和p e c o 公司。问卷调查还表明自动抄表系 统在北美电力公司中4 5 己安装，1 6 在试点，2 3 己列入计划。欧盟各国都有 自动抄表实施的报告。例如，英国1 9 9 8 年就己经实现对大约9 万用户的电量进 第1 章绪论 ! | 1 , i i 曼曼曼曼鼍鼍量曼曼舅舅 行数据采集。比利时i n t e r t e c t r a 公司在1 9 9 7 年就已用s i e m e n s 的s e m m s 系统 对30 0 0 用户自动抄表。此外，拉美和日本也有自动抄表应用的报导【4 。】。如今， 在美国、加拿大、日本和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用自动抄表系统 代替传统的人工抄表，尤其是煤气表的自动抄表，己经相当普及。在国内，虽 然我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。进入9 0 年代以后， 国内许多研究机构和企业纷纷投入对自动抄表技术的研究，并有多种自动抄表 系统陆续问世，这标志着我国自动抄表技术应用的起步。经过十几年的发展， a m r 技术已经在我国得到了广泛的应用，对a m r 技术和a m r 系统的研究， 已成为各a m r 系统生产企业和科研机构竞相追逐的热点。到今天，自动抄表系 统己经由当初的研究转到商业用途，己经有不少的厂家提供这方面的产品，华 力集团、万胜电力仪表公司、杭州奥特电力电子有限公司、华电总公司特瑞电 力设备公司等均对自动抄表系统的开发大量投入。中建部己经正式推出了三表 远传标准，这标志着国内抄表行业正走向规范。但是目前自动抄表系统还不是 很成熟，不是很完善，因此，参照国内外的发展状况，结合客户和环境的要求， 因地制宜地设计并实现自动抄表系统具有很大的社会价值和经济价值。 1 3 本文工作 本文针对目前远程抄表系统发展的现状和存在的问题，设计了一个基于无 线传感器网络的远程抄表系统。本文主要包括两个组成部分，即远程抄表系统 底层软件设计及服务器监控系统的设计。 本文中的底层软件用c 语言设计，上层监控平台采用c # 语言完成。本系统在 节点的通讯过程中实现了无线传感器网络的动态拓扑及路由，从而能够灵活的 传输现场采集到的数据，为上层监控平台提供统一的数据输入，并确保监控平 台对关键数据进行及时地处理。上层监控平台可以对用户的表节点进行实时监 控，并通过对节点数据的分析、管理为用户提供事故预警服务。 本文的组织结构安排如下： 第1 章：绪论。介绍了本文的研究背景及意义，目前国内外的研究现状以及 本文的主要工作。 东北电力大学硕士学位论文 第2 章：无线传感器网络简介。主要介绍无线传感器网络的概念、体系结构、 特点、应用前景。 第3 章：远程抄表系统的总体设计。介绍了系统的设计目标和原则、系统架 构、开发及运行环境。 第4 章：无线传感器网络的设计与实现。介绍了无线传感器网络的组网方法 及拓扑结构，详细介绍了无线传感器网络中节点间的通信。 第5 章：服务器管理中心软件的设计与实现。介绍了服务器管理中心软件的 主要功能及实现方法。并详细介绍了串口的主要通讯方式。 第2 章无线传感器网络简介 第2 章无线传感器网络简介 2 1 无线传感器网络的起源 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造 技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通讯功能的微型传感器开始出现在军 事、宇航、工业和农业等各个领域。无线传感器网络是集传感器、执行器、控 制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身 的资源受限的嵌入设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监 测、感知和采集网络分布区域的各种检测对象信息，并对这些信息进行处理， 传送给需要这些信息的用户。 2 2 1 传感器网络结构 图2 1 是一个典型的无线传感器网络的体系结构图。无线传感器网络由传感 器节点、基站节点( s i i l k 节点) 、i n t e m e t 或通信卫星、监控中心等部分构成。大 量的传感器节点被任意散布在指定的感知区域内或附近，每个节点都可以收集 数据，通过自组织的方式构成网络。传感器节点通过a d h o e 路由方式把数据传 送到s i n k 节点。s i n k 节点通过i n t e m e t 或通信卫星把数据传送到监控中心。s i n k 节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络和i n t e m e t 等外部网络，实现协议栈之间的协议转换，同时发布监控中心下发的监测任务。 用户可以通过监控中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集 监测数据嘲。 东北电力大学硕十学位论文 i 图2 i 无线传感器网络体系结构 2 2 2 传感器节点结构 在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、 数据处理、数据传输和能量供应四部分组成口1 ，如图2 2 所示。 传感器模块用于感知、获取外界的信息。在不同的应用中，传感器可以采集 不同类型的信号，包括振动信号、声音信号、电磁信号等。采集的信号一般都 是模拟信号，通过模数转换部件将模拟信号转化为数字信号，然后输入到数据 处理单元。数据采集是实时的。 处理器模块主要由c p u 、内存等硬件组成，负责协调节点各部分的工作， 如对传感单元获取的信息进行必要的处理、保存，控制传感单元和电源的工作 模式等。 无线通信模块主要负责与其它传感器节点或观察者通信。 能量供应模块为传感器提供正常工作所必需的能源。 第2 章无线传感器网络简介 图2 - 2 传感器节点的结构 传感器节点需要一个嵌入式操作系统来管理各种资源和支持各种应用。操作 系统可以选择现有的各种商用嵌入式操作系统，如m i c r o s o r 的w i n d o w sc e 操作 系统，也可以开发特定的操作系统，如u cb e r k e l e y 为此专门开发t t i n yo s 。 传感器节点中的软件必须支持远程重新配置和重新编程，以便支持多种网络功 能并具有较好的可扩展性。 随着微电子技术、微机械加工技术、高能电池技术的发展，传感器节点的体 积将越来越小，功耗也会越来越低，而计算能力将越来越强，最终达到所谓“智 能尘埃( s m a r td u s t ) 的水平。这些廉价的微小节点可以大规模地部署到各类 特殊环境中，对目标形成全方位的连续监测，并将采集到的数据通过网络传输 给监控中心或相应的用户。因此，无线传感器网络在诸多领域都具有广阔的应 用前景龋1 。 2 2 无线传感器网络的特点 传统的无线网络包括移动通信网、无线局域网、无线个人网、蓝牙网络等， 它们的设计基本上都是为了同时满足人们各种各样的需要，如语音、视频、图 像等。然而，无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的，它是一种 基于应用的无线网络。从上面关于无线传感器网络的定义还可以看到，无线传 感器网络是一种特殊的a dh o e 网络晦川。因此它除了具有a dh o e 网络的一般特 性，如动态拓扑，无中心自组织，多跳路由，能量和带宽受限等，相对a dh o e 东北电力大学硕士学位论文 网络而言，无线传感器网络还有自己本身的一些特点。 1 通信能力有限 无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几 百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于无线传感器 网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的 影响，传感器节点可能会长时间脱离网络、离线工作，所以我们应该在有限通 信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输。 2 传感器数量大、分布范围广 由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限， 一般为十几米范围之内。所以为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传 感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。此外，无线传感器 网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器数量大、分布广的特点使得网络的 维护十分困难甚至不可维护，人们希望无线传感器网络的软、硬件必须具有高 强壮和容错性。 3 电源能量有限 传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失 效或废弃，电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。商品化的无 线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络的需要，传感器传输信息要比 执行计算更消耗能量，传感器传输l 位信息所需要的能量足以执行3 ，0 0 0 条 计算指令n 。 4 计算能力有限 无线传感器网络中的传感器都带有嵌入式处理器和存储器，并且都具有计 算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能 力和容量有限，传感器网络中节点的计算能力十分有限。 5 网络动态性 无线传感器网络具有一定的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者 这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此， 网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察这三者之间的路径 也随之变化，无线传感器网络必须具有可重构和自调整性n 钉。 第2 章无线传感器网络简介 6 以数据为中心的网络 在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去 关心具体某个节点的观测数据，这就是无线传感器网络的以数据为中心的特点。 而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的。以数据为中心的特点 要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节 点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户 1 3 o 7 传感器节点不一定具有全球唯一的标识 由于无线传感器网络中的节点数目极大，而且在某些环境下，有些传感器 节点不能被回收，所以我们不可能为每个节点分配一个像i p 地址那样的全球唯 一的标识。 2 3 无线传感器网络的应用 微型机电系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 支持下的微型传 感器技术和无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现 在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。当然，在空间探索和灾难拯救等 特殊的领域，无线传感器网络也有其得天独厚的技术优势。 1 军事应用 象其它好多技术一样，最早的传感器网络是从国防的角度来进行开发的， 比如将无线传感器网络应用到c 4 1 s r t 系统。c 4 1 s r t 系统的目标是利用先进的 高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、 监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。 因为无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性 和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩 溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使无线传感器 网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我方兵力、装备和物资，监 视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、 生物和化学攻击。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和 军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数 据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的 东北电力大学硕士学位论文 战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺 设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接 将传感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信 息。无线传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在生 物和化学战中，利用无线传感器网络及时、准确地探测爆炸中心，将会为军方 提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。无线传感器网络也可避免核 反应部队直接暴露在核辐射的环境中。在军事应用中n 毛1 5 1 ，与独立的卫星和地面 雷达系统相比，无线传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面： ( 1 ) 卫星和雷达这类独立系统难以克服信噪比问题，但在无线传感器网络中，分 布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比； ( 2 ) 无线传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能 力； ( 3 ) 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影 响； ( 4 ) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标； ( 5 ) 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探侧区域； ( 6 ) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消 除探测区域内的阴影和盲点。 2 环境科学 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过 传统方式采集原始数据是一件困难的工作，无线传感器网络为野外随机性研究 数据的获取提供了方便。a l e r t 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水 位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络对森 林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外，无线传感器网络也可以应 用在林业农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 3 医疗健康 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备， 利用无线传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理， 还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药 第2 章无线传感器网络简介 品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人 的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独 特的应用。总之，无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的 技术实现手段。 4 空间探索 借助于航天器撒布的无线传感器网络实现对星球表面长时间的监测，应该 是一种经济可行的方案，可以实现人类探索外部星球的梦想。国家航空和宇宙 航行局( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，n a s a ) 的喷气推进实验 室( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ，j p l ) 研制的s e n s o rw e b s n 帕就是为将来的火星探 测进行技术准备的，而且已经在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行 测试和完善。 5 其他商业应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的三大特点， 这些特点决定了无线传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。例如，嵌 入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e m e t 连接在一起将会 为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；德国某研究机构正 在利用无线传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中 越位和进球的误判率。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式 玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设 计和应用模式n 引。 东北电力大学硕上学位论文 第3 章远程无线抄表系统的总体设计 3 1 设计目标 3 1 1 总体目标 根据无线传感器网络的特点和无线抄表系统的要求，设计并实现基于无线传 感器网络的远程无线抄表系统的软件部分。该抄表系统能够满足以下要求： - 能够适应表节点添加、删除和丢失的需要。由于无线传感器网络内节点都在 实时地采集并上传数据，系统应该具有处理这种临时需求的能力。 _ 能够实现路由节点的更换，由于路由节点消耗的能量比普通节点多很多，如 果一直不更换路由节点，它的能量很快就会耗尽，因此本系统采用动态的更 换路由节点的方法，这样，节点能够均衡的消耗能量。 - 系统的监控平台能够实时的监控各节点的运行情况，控制各节点的工作状 态，并在需要时发出报警信息。 能够实现灵活的数据业务逻辑。平台能够根据采集数据的不同，动态地执行 不同的业务处理规则，产生不同的消息。 - 能够提供友好的用户界面。用户通过该界面可以清楚地掌握感知区域的数据 采集情况以及节点的工作状况等，也能通过该界面方便控制管理各采集点的 工作状态。 一 总之，该抄表系统集数据采集、传输、存储、处理等功能于一身，同时具有 远程监控、远程维护的功能。 3 1 2 设计原则 在设计上，保证本系统具备以下优势： 一 实时性：系统的监控平台能够实时监控无线传感器网络中各表节点运行情 况，可以控制各个表节点的运行状态( 开关报警等) 。 第3 章远程无线抄表系统的总体设计 - 灵活性：本系统的无线传感器网络应能够灵活的组网，即某个或几个节点失 效的情况下仍能自动重新组网n 8 婚3 。 - 智能化：监控系统能根据采集数据的不同对数据进行自动的分类，根据用户 预先设定的规则对数据进行逻辑处理，并自动向用户发送所产生的报警消 息。 3 2 开发及运行环境 3 2 1 操作系统 w i n d o w s 。w i n d o w s 操作系统拥有良好的用户界面，开发方便，w i n d o w s 平 台下的开发工具、支撑软件及应用程序非常丰富，这有助于充分利用有限的资 源实现相对复杂的功能，因此本抄表系统的上层监控平台采用w i n d o w s 系统嘲3 。 3 2 2 数据库 s q ls e r v e r2 0 0 0 。s q ls e r v e r2 0 0 0 能够适应大多数企业的应用需求，具有 操作方便、与w i n d o w s 操作系统结合紧密的特点，能够与w i n d o w s 下的开发工 具很好的配合。 3 2 3 开发工具 v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 n e t 是一种在w i n d o w s 平台上编程的新框架一一种新的 a p i 。n e tf r a m e w o r k 包括了两大部分：c l r ( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ) 和框 架类库n 们。 c l r 是n e t 框架的基础，它管理应用的整个生命期：查找代码、编译、加 载相关的类、管理其执行，并确保自动内存管理等。它支持跨语言继承，允许 不同语言生成的代码能够无缝的交互。 框架类库：n e t 框架类库是一个与公共语言运行库紧密集成的可重用的类型 集合，是建立n e t 框架应用程序、组件和控件的基础。n e t 框架类库提供了与 传统类库对应的所有功能晗。 东北电力大学硕士学位论文 3 2 4 开发语言 c 样。c 撑是专门为与n e t 框架一起使用而设计的标准的面向对象的程序设计 语言n 。它具有与n e t 框架相结合的特性，例如直接使用n e t 框架所提供的类库 等。c 群在n e t 框架提供的受控环境下工作，不允许直接操作内存，具有面向对 象编程语言所应具有的一切特性，如封装、继承和多态。另外，类型检查安全， 自动垃圾回收、结构化异常处理等也都是交由c l r 处理的，大大降低了开发的 工作量，是最适合开发n e t 应用程序的编程语言嘲。 c 。不同于一般形式的软件编程，嵌入式系统编程建立在特定的硬件平台上， 势必要求其编程语言具备较强的硬件直接操作能力。无疑，汇编语言具备这样 的特质。但是，归因于汇编语言开发过程的复杂性，它并不是嵌入式系统开发 的一般选择。而与之相比，c 语言一种“高级的低级”语言，则成为嵌入式系 统开发的最佳选择。 3 2 5 节点的开发环境介绍 系统使用的软件开发片平台是i a r 公司的集成开发环境e m b e d d e d w o r k b e n c h ( 简称e w ) 。e w 包括嵌入式c c + + 优化编译器、汇编器、连接定位器、 库管理员、编辑器、项目管理器和c s p y 调试器。使用i a r 的编译器能生成最 优化、最紧凑的代码，从而节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产 品的竞争力。 软件开发流程图如下图嘲。 第3 章远程无线抄表系统的总体设计 曼寡量量曼曼i 一一一 一i 甍喜葛曼曼舅舅 图3 - 1 软件开发流程 有 镬 谟 3 2 6 节点软件的下载 本系统节点软件的开发方式是，在p c 机上建立开发环境，进行应用程序编 码和交叉编译，然后p c 机同表节点建立连接，将应用程序下载到表节点进行交 叉调试，经过调试和优化，最后将应用程序固化到表节点中实际运行嘲1 。 3 3 系统架构 3 3 1 系统的组成及功能 本抄表系统主要由三部分组成，即由节点、基站和服务器组成。 东北电力大学硕士学位论文 1 节点 指安装在用户家中具有无线检测、无线控制功能的智能表( 水表、电表、 燃气表等) 。节点具有以下功能：一是当收到服务器发来的抄表指令后，将自 身的电压、读数等息发送给路由表中下一节点或基站；二是完成服务器或手持 终端发送的控制操作：如开关阀门，对时钟进行当前时刻设置，初始化等操作； 三是完成中间数据转发，当楼层顶端的数据在发向基站的过程中，有可能需要 中间路由。 2 基站 一般安装在楼层底部或中部，是有电源的。具有以下功能：一是要求所有 节点上传电压、读数等信息；二是当节点出错时，上传出错信息，不出错每隔 一定时间上传节点的目录信息；三是能够分析基站上传数据的准确性，并做出 相应的处理( 如发现某个基站上传的数据有问题，要求基站重新发送等) ；四是 当新增节点时，为新增的节点分配组内i d ，并将节点信息上传服务器；五是转 发服务器下达的命令信息5 1 。 3 服务器管理系统 一般安装于表网管理公司。本系统中的服务器是无线传感器网络的管理平 台，具有数据采集、监控、组态设置等功能。即可以接收基站通过短信平台传 入的数据，同时也可以通过短信平台向w s n 基站或节点下传命令。服务器负责 管理节点的监控、分析、汇总、报警等业务。服务器接收和处理后的数据存入 信息资源库啪3 。 图3 - 2 系统框架结构图 曼 第3 章远程无线抄表系统的总体设计 3 3 2 抄表系统中的无线传感器网络的拓扑结构 本抄表系统中，无线传感器网络由节点和基站共同组成。无线传感器网络 的拓扑结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。通过对现有网络 拓扑结构和抄表系统自身特点的分析，本抄表系统采用树形网络硷们，如图3 3 所示。 树形拓扑是多个星形拓扑( 数据和网络命令都通过中心节点传输) 的集合。 若干个星形拓扑连接到一起，扩展到更广阔的区域，就像植物学的分支一样。 树形拓扑是实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构。树形拓扑 最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较 低的存储器需求，这样成本也较低。树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射 频环境中，而抄表系统的网络有一定的稳定性和扩展性，所以树形拓扑很适合 本抄表系统脚1 。 图3 - 3 树形拓扑 普通节点 路由节点 基站节点 o o o 东北电力大学硕士学位论文 3 。3 3 抄表系统中的无线传感器网络的通信框架 根据本系统自身功能的需要，对无线传感器网络的通讯部分设计了四个模 块，分别是硬件抽象模块、数据链路模块、网络模块和应用模块，下层模块为 上层模块提供接口。 1 硬件抽象模块 硬件抽象模块处于最下层，它屏蔽了底层硬件实现，将硬件功能抽象出来， 并向上层模块提供接口。同时它封装了外围设备的功能，定义了一些基本的接 口函数，供上层使用，并定义了处理器的寄存器和存储器啪1 。 2 数据链路模块 该模块主要负责数据成帧、帧检测、差错控制。此模块完成了r f 模块的收 发功能，保证在节点之间数据传输的可靠性、完整性，完成数据的点到点传输 及对共享媒体的竞争访问啪1 。 3 网络模块 该模块主要负责网络的形成、存储邻居节点信息、路由的生成和路由的选 择及维护。 4 应用模块 。 该模块主要负责抄表系统的各种应用( 数据采集、命令的响应等) 。 3 3 4 抄表系统中的服务器总体功能 1 数据采集和监控功能 服务器能够接收、存储基站上传的现场数据信息并将其存储到数据库中。 并能够及时处理关键数据，完成对表节点的监控、管理等，并产生报警消息， 为用户提供预警服务等。另外，服务器还负责向基站发送控制节点的各种命令。 2 网络管理功能 服务器要对无线传感器网络节点进行配置和管理，能够增加、删除节点， 并能够配置表节点的各种参数信息。 第4 章无线传感器网络的设计与实现 第4 章无线传感器网络的设计与实现 4 1 无线传感器网络的通信框架设计 在第三章已经介绍过本抄表系统的无线传感器网路的通讯框架有四个模块 组成：硬件抽象模块、数据链路模块、网络模块和应用模块，本节将详细介绍 这些模块的设计与实现。 4 1 1 硬件抽象模块的设计与实现 硬件抽象模块提供了数据链路模块与无线物理通道之间的接口，它的主要功 能有： 图4 - 1 硬件抽象层功能图 1 定义并实现一些基本的接e l 函数，从而使数据链路模块能够利用这些接 口函数访问硬件。这些接口函数主要有从串口读数据的函数h a l g e t c h ( ) ，往串口 写数据的函数h a l p u t c h ( ) ，设置无线频率的函数h a l s e t r a d i o l e e e f r e q u e n c y 0 ，初 始化无线的函数h a l l n i t r a d i 0 0 等等。 2 定义了处理器的寄存器和存储器，可以方便的对应各寄存器和要实现的 功能。主要定义了串口寄存器、a d c 寄存器、时钟寄存器等。 3 封装了外围设备的功能。主要是将u a r t 、t i m e r 、a d c 、r f 收发等的功 能封装起来。将u a r t 的读写功能封装在g e t u a r t 0 和p u t u a r t 0 中，用s e t t t m e r ( ) 函数使定时器能够定时，用h a l g e t a d c v a l u e 0 读取a d c 的值等。 下面以r f 函数为例说明其抽象过程。 东北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) r fs e n d 函数 对于发送单个字节操作简单，只需将发送数据写入发送缓冲区，然后启动 r f 模块，即可发送完毕。定义过程如下： 群d e f m er f s e n d b y t e ( x ) ( r f b u f2 ( 对) 撑d e f i n er f _ s t a r tt x o ( e x i f & = o x l 0 ，r f m a i n & = - - o x l 0 ) 样d e f i n er f r e a d y - t o ls e n d ( ) ( ! ! ( e x i f & o x l 0 ) ) 撑d e f i n er f _ w a i t _ a n d _ s e n db y t e ( x )、 d 0 w h i l e ( ! r f _ r e a d 礁s e n d ( 力，| r f b u f = ( x ) ； e x i f & = , - - o x l 0 ； ) w h i l e ( o ) r fs e n db y t e ( x ) 用来将要发送的数据x 放入r f b u f 缓冲区。 r fs t a r tt x 0 用来激活功率放大器( p a ) ，开始调制发送数据。 r fr e a d yt os e n d o 用来监测发送中断标志，看当前是否可以发送。 r fw a i ta n ds e n db y t e ( x ) 当发送装置空闲时发送，如果发送装置忙时， 则等待，直到发送装置空闲。 对于单字节接收过程，只需将接收缓冲区数据读出。同理定义如下接收宏。 # d e f i n er f _ r e c e i v e _ b y t e or f b u f # d e f i n er f _ w a i t _ a n d _ r e c e i v e _ b y t e ( x ) d o w h i l e ( ! r f b y t e r e c e i v e d 0 ) ； e x i f & = 4 ) x 1 0 ： ( x ) = r f b u f ； w h i l e ( 0 ) 对于以上宏，只进行单个字节的发送接收，屏蔽了硬件实现，提供了形象 易读性强的接口，我们可以用这