（电路与系统专业论文）基于无线传感器网络的粮仓监控系统研究.pdf

原创性声明 煳嘲 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作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。 学位论文作者狮 日期矗叫口年岁月昌日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文储张币 啉叫p 年墨聃日 摘要 摘要 我国的粮食储藏对国家的民生、国防军事等方面具有重要的意义。然而我国 在粮食储藏的技术手段方面存在着严重的不足，导致粮食的大量变质、腐烂。 为了提高我国的储量水平，减少粮食在储藏过程中的巨额损失，本文结合先进 的嵌入式技术、w e b 技术、以及传感器技术，研究设计了一种新型的基于无线 传感器网络的温湿度粮仓监控系统。 首先从我国的粮仓监控系统的发展概况分析入手，设计了粮仓监控系统整体 结构图、提出了树状网络拓扑结构、简单设计了路由算法以及介绍了系统工作 原理，全面具体地阐述了温湿度粮仓监控系统的设计方案。接着，对系统主控 控制器节点核心模块的开发环境进行配置。完成了开发系统的安装，编译环境 的创建以及各种调试工具的设置等内容。至此，已经为下一步的开发设计做好 了充分准备。 系统从网络组成上划分为三个层次，分别是用户操作管理层、主控制器节点 层和底层采集控制网络层。在硬件设计上，该系统的用户操作管理层硬件设备 主要是一些可以接入互联网的p c 机，主控制器节点板使用高性能3 2 位a r m 微处 理器$ 3 c 2 4 4 0 a ，以及一些附加设备，实现系统高速、高效运行。采集控制节点 采用m s p 4 3 0 系列单片机作为控制器，使用传感器模块s h t l1 实现温度、湿度测 量，利用无线射频模块c c l1 0 0 进行节点之间的相互通信，同时还利用f l a s h 存 储芯片a t 2 4 c 5 1 2 存储采集器节点数据。另外，在主控制器节点的硬件组成中， 它还使用了采集控制终端设备的硬件电路，但具体设计时仅仅使用了采集控制 终端的无线传输部分。所有节点根据安装位置、r s s i 和l q i 通信质量参数组网， 选取通信路径。系统操作管理界面使用w e b 网页的形式，管理员通过网站登录 到管理系统，实现对粮仓内具体监测点温度、湿度的测量，控制通风设备是否 工作。另外，还实现了监测点历史数据的查询、更新、删除操作。 本文完成了整个系统的软硬件设计，实现了可以远程监控、用于粮仓等环境 的无线监控网络系统。本系统操作使用方便、可靠性高，减少了粮食储藏损失， 具有很大的推广应用价值。 关键字：监控系统； 无线传感器网络；嵌入式；移植；服务器；数据库； a b s t r a c t a b s t r a c t o u rc o u n t r y s 掣a i l ls t o r a g eh a sa l li m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a lw e l f a r ea n dt h e p e o p l e sl i v e l i h o o d ，n a t i o n a ld e f e n s e ，m i l i t a r ye t c h o w e v e r ，o u rc o u n t r y s t e c h n o l o g i e si ng r a i ns t o r a g ee x i s tal o to fs e r i o u sp r o b l e m ，s u c ha sm e t a m o r p h i s m a n dd e c a y i no r d e rt oi m p r o v et h el e v e lo fc h i n a sg r a i ns t o r a g ea n dr e d u c eg r a i n l o s s e si n t h ep r o c e s so fs t o r a g e ，t h ep a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n so n en e wt y p eo fg r a n a r y m o n i t o r i n gs y s t e m 谢t ht h ep u r p o s eo fm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ， b a l a n c i n gw a r e h o u s ee n v i r o n m e n t t h es y s t e mi sb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， e m b e d d e d t e c h n o l o g y ，s e n s o rt e c h n o l o g y ，a n dw e bd e s i g nt e c h n o l o g ye t e i nt h ef n s tp l a c e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ed e v e l o p m e n to fg r a n a r ym o n i t o r i n g s y s t e m , t h e nd e s i g n sa n da n a l y s e st h ew h o l es t r u c t t t r eo ft h en e wm o n i t o r i n gs y s t e m , p u t sf o r w a r dt r e en e t w o r kt o p o l o g y ，d e s i g n so n es i m p l er o u t i n ga l g o r i t h m , i n t r o d u c e s t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，c o m p r e h e n s i v e l ye x p o u n d st h es y s t e md e s i g ns c h e m eo ft h e g r a n a r y a f t e rt h a t , c o n f i g u r e st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o rt h es y s t e mm a s t e r c o n t r o l l e r n o d e ，f o ri n s t a n c e ，i n s t a l l a t i o n f o rf e d o r a , c r e a t i o nf o r c o m p i l i n g e n v i r o n m e n t ，d e b u gt o o ls e te t c t h u s ，t h en e x td e s i g nw i l lb er e a d y t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e el e v e l s ：t h eu s e ro p e r a t i o nm a n a g e m e n tl a y e r ，t h e m a i nn o d el a y e ra n dc o l l e c t i o nc o n t r o ln e t w o r kl a y e r i nt h ea s p e c to fh a r d w a r e d e s i g n , t h eh a r d w a r ed e v i c e sf o rt h es y s t e mu s e ro p e r a t i o nm a n a g e m e n t 锄呤m a i n l y s o m ep c sw h i c hc a na c c e s st h ei n t e r n e tf r e e l y t h em a i nc o n t r o l l e rn o d ec o n s i s t so f h i g h - p e r f o r m a n c e3 2 - b i ta r mm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 aa n ds o m ea d d i t i o n a l e q u i p m e n t a c q u i s i t i o nc o n t r o ln o d eu s e sm s p 4 3 0a sc o n t r o l l e r ，u s e ss e n s o rm o d u l e s h t iif o rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r e m e n t , u s e sw i r e l e s sr a d i om o d u l e c c110 0f o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e s ，u s e sf l a s hm e m o r ya t 2 4 c 512f o r s t o r i n gc o l l e c t o rn o d ed a t a i na d d i t i o n ，i nt h em a i nc o n t r o l l e rh a r d w a r ec o m p o s i t i o n o ft h en o d e ，i ta l s ou s e st h ea c q u i s i t i o nt e r m i n a lh a r d w a r ec i r c u i t , b u to n l yu s e st h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o np a r t so ft h ea c q u i s i t i o nc o n t r o lt e r m i n a l a c c o r d i n gt ot h e n o d e s i n s t a l l a t i o np o s i t i o n , r s s ia n dl q i ，s e l e c t sc o m m u n i c a t i o np a t h t h es y s t e m o p e r a t i o nm a n a g e m e n ti n t e r f a c e su s e sw e bp a g e s t h ea d m i n i s t r a t o rc a nl o g i nt h e t i a b s t r a c t m a n a g e m e n ts y s t e mt h r o u g ht h ew e bs e r v i c e s ，a c h i e v et h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lv e n t i l a t i o ne q u i p m e n tf o rs p e c i f i cs p o t i na d d i t i o n ，t h es p o t h i s t o r i c a ld a t aa r eq u e r i e d ，u p d a t e d ，a n dd e l e t e de x p e d i e n t l y t h ep a p e rh a sc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m ， r e a l i z e dr e m o t em o n i t o r i n gw i r e l e s sn e t w o r ks y s t e mf o rg r a n a r ye n v i r o n m e n t s t h e s y s t e mi sc o n v e n i e n ti no p e r a t i o n , a n di th a sh i g hr e l i a b i l i t y ，c a nr e d u c et h el o s so f g r a i ns t o r a g e s ot h es y s t e mh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；e m b e d d e d ；t r a n s p l a n t ； s e l w e r ：d a t a b a s e ： i i i 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 工v 第一章绪论1 1 1 本课题研究的背景和意义：l 1 2 本课题的来源，1 1 3 粮仓监控系统发展状况1 1 4 本课题主要研究内容2 1 5 本论文的章节划分3 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建5 2 1 粮仓监控系统方案设计5 2 1 1 系统总体结构分析j 5 2 1 2 系统软件结构模式选择6 2 1 3 网络拓扑结构选择7 2 1 4 路由算法设计8 2 1 5 系统串口及无线通信协议设计1 0 2 1 6 系统工作原理1 1 2 1 7 系统主要技术参数1 2 2 2 监控系统节点开发环境搭建1 2 2 2 1f e d o r a 操作系统安装1 2 2 2 2 交叉编译工具安装与配置1 5 2 2 3 串口终端软件m i n i c o m 1 5 2 2 4 远程开发环境的搭建1 6 2 2 5n f s 配置1 7 2 2 6 嵌入l i n u x 内核定制1 8 2 2 7 嵌入式l i n u x 根文件系统1 8 2 3 本章小结1 9 i v 目录 第三章粮仓监控系统节点硬件设计2 0 3 1 系统主控节点核心板硬件设计2 0 3 1 1 主控节点核心板选型2 0 3 1 2 主控节点核心板电路改进2 1 3 2 系统温湿度采集控制节点硬件设计2 2 3 2 1 采集控制节点控制器设计2 2 3 2 2 温湿度传感器设计2 4 3 2 3 无线模块设计2 7 3 2 4 电机驱动电路设计2 9 3 2 5 电源电路设计：，：3 0 3 2 6 时钟电路设计3 0 3 2 7 复位电路3 1 3 3 节点硬件整体设计及可靠性分析3 1 3 3 1 采集控制节点整体设计3 2 3 3 2 采集控制节点电路可靠性3 2 3 4 本章小结3 3 第四章粮仓监控系统软件设计与实现3 4 4 1 动态i p 地址获取3 4 4 2s o l i t e 3 数据库设计一3 5 4 。2 1s q l i t e 3 在主控节点设备上运行，3 5 4 2 2 数据库方案设计3 6 。 4 3 嵌入式w e b 服务器软件移植3 7 4 3 1 嵌入式w e b 服务器简介及选型3 7 4 3 2b o a 服务器软件移植3 8 4 4 监控系统界面程序设计4 0 重4 1 用户登陆界面设计4 0 4 4 2 现场检测界面4 l 4 4 3 历史数据查询4 1 4 5 系统硬件控制程序设计4 2 4 5 1 主控制器节点程序设计4 2 v 目录 4 5 2 采集控制节点程序设计4 4 4 6 本章小结4 6 第五章总结与展望4 7 5 i 全文工作总结4 7 5 2 下一步工作展望4 8 参考文献4 9 致谢5 2 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 粮食是人类赖于生存的不可或缺的物质基础，是人类从事各种活动的前提。 其次，粮食储藏也是国家为防备战争、饥荒、以及其它一些突发性事件而采取 的有效防范措施。我国作为一个农业大国，粮食的生产量是屈指可数的，同时 我国也是粮食消费大国，做好粮食储藏意义重大，关系军需民食，社会稳定和 领土安全。因此，粮食的安全储藏具有极其重要的意义u 1 。 然而，我们国家的储粮国情是各种大型仓库都存在着不同程度的储存问题， 潮湿发热、发霉变质、滋生害虫等，每年因此而造成的损失高达上亿斤。使用 新技术、新方法，不断升级和完善传统监控系统，研究更智能、可靠、高效的 新型监测系统可以从某种程度上解决我国粮食储藏问题、提高储粮质量。确保 入库存放的粮食长期存放也不会发生霉变、病虫，大幅度减少储粮过程中造成 的巨额损失。因此，研究设计新型的粮仓监控系统意义深远。本课题就是针对 储粮方面存在的问题和不足，研究设计一款高可靠性、方便现场和远端数据信 息查询与控制、基于无线传感器网络的粮仓温湿度监控系统。 1 2 本课题的来源 本课题来源于国家十一五科技攻关项目安全绿色储粮关键技术研究开发 与示范。 1 3 粮仓监控系统发展状况 在粮仓管理方面，最原始的粮仓检测方法是采用人工方法对粮仓分区抽样， 效率很低且检测结果可靠性差。而且在人工检测过程中不但造成粮食的大量损 失，而且在检测中所产生的费用也是惊人的。因此，传统的粮食检测方法已经 无法满足最大减少粮食损失的需求。 近年来，伴随着计算机技术、半导体芯片、传感器技术以及测量技术的不 断发展，传统的使用人力检测粮仓的方法开始逐渐被电子自动化检测系统所替 1 第一章绪论 代。采用电子设备检测技术可以降低粮仓管理成本、提高粮仓温湿度检测的精 度，增加采集的数据的可靠性。然而，这一时期的粮仓监测系统都是使用计算 机通过r s 4 8 5 或者r s 4 2 2 总线与检测点设备进行通信 2 1 。虽然这种方法可以实 现系统的集散控制，但随着粮仓检测系统规模的增加，其性能再也无法满足要 求，如数据传输速率慢，长距离的r s 4 8 5 布线造成数据传输可靠性降低，r s 4 8 5 或者r s 4 2 2 总线通信容易受到雷电干扰，损坏粮仓检测设备。另外，使用r s 4 8 5 总线组网，粮仓内走线较多。虽然后来的基于现场总线方式的粮仓检测系统减 少了布线工作，但毕竟是有线通信，还是存在一定的布线、改线的工作量。 目前，随着嵌入式技术、短距离无线射频通信技术、互联网w e b 技术、传 感器网络技术等的不断发展，逐渐形成了一种基于嵌入式w e b 服务器的、无线 粮仓温湿度监控系统，根据不同的需求可以扩展其它物理量检测功能。嵌入式 系统的w e b 技术应用使用户可以从任何具有互联网接入的地方都能控制查看粮 仓系统，极大方面粮仓管理人员工作也方便领导对粮仓进行抽查【3 】。用无线射频 通信进行组网免除了粮仓内布线的工作，添加监测点也无需重新布线。 在实现粮食预警、检测、动态信息管理的背景下粮仓监控系统得到广泛发 展和应用。本课题针对以往粮仓监控系统的缺点，着重研究设计高性能、高智 能、高可靠性的无线传感器粮仓监控网络，实现储粮管理效率、粮食储藏损失 降低的伟大目标。 1 4 本课题主要研究内容 本课题在分析传统粮仓监控系统基础上，结合新型的应用技术，主要研究基 于无线传感器网络的粮仓监控系统。采用树状拓扑和网状拓扑结构组网，增强 网络的连通性。系统从功能上划分成两个层次结构，采用嵌入式系统、小型w e b 服务器软件与嵌入式数据库系统s q l i t e 3 、无线射频通信技术构成顶层主控节点， 提供远端、现场访问，数据库管理等功能。在硬件设计方面，主控节点采用目 前最为流行的嵌入式处理器芯片s 3 c 2 4 1 0 a 、系统处理速度快。受控节点位于整 个无线传感器网络最底层，采集粮仓内温湿度信息，硬件组成采用1 1 公司的 m s p 4 3 0 系列控制器和无线射频模块以及一些高性能传感器构成。项层节点和底 层节点相互配合实现粮仓温湿度信息采集。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 2 第一章绪论 结合课题来源，提出粮仓监控系统总体方案。 针对本粮仓监控系统，提出简单的无线传感器网络路由协议。 搭建嵌入式系统开发环境。 无线传感器网络中主控节点原理图设计，包括无线射频传输部分和核 心控制电路。 无线传感器网络中受控节点原理图设计。 动态d h c p 软件的移植。 嵌入式w e b 服务器软件的移植和w e b 页面设计。 s q l i t e 3 软件的移植与方案设计。 主控节点、受控节点控制软件设计。 1 5 本论文的章节划分 本论文主要介绍主控节点数据传送部分硬件电路设计及软件实现，嵌入式 l i n u x 操作系统移植，动态口地址获取，s q l i t e 3 移植与应用，w e b 服务的移植 和应用，无线传感器网络受控节点硬件设计以及路由协议设计等，在本文所有 的研究设计中时时刻刻都分析考虑到整系统的可靠性设计。本论文共分为六章： 第一章介绍了粮情监控系统研究的背景和意义，课题来源，主要研究内容 以及论文的章节划分。 第二章讲解粮情监控系统总体设计方案，给出了系统整体结构框图，提出 了针对本系统的路由协议，详细描述了系统的工作原理。并且实现了系统开发 环境的搭建工作。 第三章主要内容是粮情监控系统中主控节点硬件选型、器件功能介绍和各 个功能模块的原理图设计。受控节点中控制器、传感器、无线射频模块选型， 供电电路、传感器检测电路、无线传输电路原理图设计，并结合具体的硬件设 计分析了电路可靠性等内容。 第四章主要内容为粮仓监控系统软件设计。主要涉及到粮仓监控系统网络 中主控节点、受控节点的控制软件的设计并绘制了程序执行流程框图，d h c p 服务器软件的移植，嵌入式s q l i t e 3 数据库的移植，嵌入式w e b 服务器软件的 移植，w e b 操作页面的设计与控制。 第六章为结论与展望。主要对本论文所作的主要成果进行了总结，同时对 3 )、，、)、，、 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( ( ( ( ( 第一章绪论 下一步所要完成的工作做了预期。 4 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 2 1 粮仓监控系统方案设计 本文针对传统粮仓检测系统中存在的不足，同时也结合当前一些新兴的技 术手段，如互联网、嵌入式系统与传感器技术领域的飞速发展，利用无线传感 器网络【4 】、嵌入式w e b 技术等研究设计粮仓温湿度监控系统【5 】。本节首先规划 出系统的整体方案，包括粮仓监控系统结构图设计分析、系统软件结构模式选 择、网络拓扑结构选择、路由算法设计、系统串口及无线通信协议设计、系统 工作原理和系统主要技术参数等内容。 2 1 1 系统总体结构分析 本课题所研究的粮仓监控系统从硬件构成上分为两部分：一部分是传感器 网络主控节点，该节点是所有受控节点信息的最终去向，负责无线传感器网络 的路径选择，为w e b 服务器的运行和粮库操作界面的实现提供平台；另一部分 为无线传感器网络受控节点，负责粮仓内温度、湿度信息的采集和通风设备的 开启、关闭。受控节点在网络中还具有路由功能，能扩大网络通信覆盖范围州。 该粮仓监控系统从网络层次上分为三层：第一层为用户p c 机，用户能够使 用p c 机上的浏览器登录到粮仓监控界面，实现对粮仓监控系统的操作r 7 】；处于 中间层的是主控节点；处于网络最低层的是受控节点，该节点是粮仓温度、湿 度信息的来源。 系统整体结构如图2 1 所示。此结构图清晰地描述了该粮仓监控系统的系 统构成，主要包括粮仓管理中心、粮仓管理系统主控制器、温湿度采集控制终 端三大部分。粮仓管理系统主控制器通过互联网接入到粮仓管理中心电脑，粮 仓管理人员通过p c 机浏览器软件访问主控制器w e b 服务器，打开粮仓页面系 统管理软件，点击具体页面中的相应功能按钮，w e b 页面会调用相应c g i 脚本 程序，通过串行接口把操作指令发送给主控制器( 简称为无线传感器网络主控 节点) 的无线数据发送模块，通过该无线模块把命令发送出去。处于系统整体 结构图下端的温湿度采集控制终端( 简称为无线传感器网络受控节点) ，平时全 部处于无线数据侦听状态，当有无线数据到来时，无线模块从侦听状态自动切 5 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 换到数据接收状态接收无线数据，同时无线模块c c l1 0 0 通过管脚g d 0 0 的下降 沿中断使m s p 4 3 0 单片机从睡眠中唤醒以读取无线数据。然后受控节点的 m s p 4 3 0 控制器对接收数据处理，根据是否是本受控节点数据决定是否接收此帧 无线数据。若不是要接收无线数据，则受控节点控制器进入低功耗模式、无线 模块转入到无线数据侦听状态等待下一次无线数据的到来。 电脑 电脑电脑 稷仓 管理 由1 、 一- - 一壬壬i - 一 即。 互联网 + - - - 。_ h-。_- 网卡1 网卡 粮 仓 剐雌制器a r m 控制器 监 ( $ 3 c 2 4 4 0 a ) ( s 3 c 2 4 4 0 , & ) 控 闹丽 系 统 1 itu a r t 1 l u a v t 主 m s p 4 3 0 i 。 控 m s p 4 3 0 l 制 器 i 无线筷块 i 无线模块r 4 3 3 m h z 无线传输信道 慝同 l 丰型脚 铲 温 湿 度 l驱动嚣 采 卤酉 菡南 集 控 制 剖圉u 型型 终 端 图2 1 系统整体结构图 2 1 2 系统软件结构模式选择 客户端服务器模式、浏览器服务器模式是目前使用的最多的两种结构，这 两种结构在性能方面各有所长。 客户机与服务器模式主要由客户应用程序、服务器管理程序和中间件三个 部件组成。客户应用程序是系统中用户与数据进行交互的部件。服务器程序负 责有效地管理系统资源，如管理个信息数据库，其主要工作是当多个客户并 发地请求服务器上的相同资源时，对这些资源进行最优化管理。中间件负责联 结客户应用程序与服务器管理程序，协同完成一个作业，以满足用户查询管理 6 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 数据的要求。 浏览器和服务器结构是随着i n t e r n e t 技术的兴起，对c s 结构的一种改进的 结构。在这种结构下，用户工作界面由w e b 网页设计实现，通过w w w 浏览器 来实现，极少部分事务逻辑在前端浏览器实现，主要事务逻辑在服务器端实现。 采用b s 结构模型可以随时随地查询、浏览等业务处理，开发维护简单方便，共 享性强。 综合以上两种模型特征和监控系统的性能要求，本粮仓控制系统采用浏览 器服务器模式进行设计。 2 1 3 网络拓扑结构选择 无线传感器网络是通过许许多多的无线传感器节点通过某种路由方式组合 在一起，作为一种分散式网络具有数据采集、处理和通信传输的功能1 8 j 。无线传 感器网络自古就有，如当时的用于传递战事信息用的烽火，只不过它不是通过 电子设备实现的，同样具有现在无线传感器网络的多跳传输的特点。随着电子 技术、传感器技术、嵌入式技术的发展，具有现代意义的传感器网络逐渐发展 成熟起来。传感器种类多、用途广也决定了无线传感器网络具有广泛的应用领 域。具体应用领域有环境检测与保护、医疗护理、军事领域以及其他一些用途 熊【9 1 可。 无线传感器网络不同于一般的无线网络，它是对环境信息进行检测的专用 网络，网络的重点在环境信息的数据获取。因此，无线传感器网络具有其自身 的特点【1 0 1 。 首先，其对功耗要求比较严格，在传感器节点的设计中，大部分都是用锂 电池供电，一旦能量耗尽，节点就会从此网络中移除从而影响原来的传感器网 络，为了延长网路使用寿命必须要降低节点功耗、延长电池使用寿命。 其次是网络规模大，在确定的环境中散布大量的传感器节点可以保障获取 精确的信息，网络中的大量的冗余节点极大地提高了网络的健壮性、减少盲区 的存在、提高系统的容错能力。 再则是无线传感器网络具有自组网的功能，他在具体的使用过程中某些传 感器节点或许由于能量耗尽、电路损坏等等不确定性原因而退出网络，也有可 能在某种特殊的情境下需要额外的增加传感器节点，从而改变原来的路由，所 以传感器节点需要能够自动配置，按照我们的路由协议重新组织网络。 7 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 还有就是无线传感器网络能够实现中继传输，无线传感器网络可能是在某 种条件恶劣的环境下工作，传感器节点的无线能量在传输过程中会大幅衰减， 或者受到障碍物的阻挡传输距离大大缩短，此时要实现网络内节点信息都能被 获取就需要中继传输。普通传感器节点具有路由特点，称为信息的源头同时又 是信息的搬运工。最后传感器网络是以数据为中心的网络系统。 结合无线传感器网络的概念和特征，粮仓监控系统的无线温湿度传感器网 络在设计中注意实现普通无线传感器网络的特点。同时，要结合具体的应用适 当设置粮仓网络的物理布局方式【1 1 】。也即是网络拓扑结构，它是各种设备的物 理布局方式，他的结构主要有总线型结构、星形结构、环型结构、分布式结构、 网状结构、树型结构、蜂窝状结构等拓扑类型i l 2 。 本文研究设计的无线传感器网络中节点分为主控和受控两部分，同时各受控 节点之间具有相互通信的能力，主控节点构成网络的最顶层，所有受控节点不 论是直接通信、还是间接通信最终都要汇聚到最顶层节点。这具有树形拓扑结 构的雏形，作为无线传感器网络中的第二层各个受控节点可以直接与主控节点 无线相连，某些由于距离远、无线传输能量低的节点无法直接与位于顶层的主 控节点相连接，只有通过路由功能、把普通的受控节点作为路由设备使用，通 过多跳传输相连。底层的受控节点使用树形拓扑结构与环形拓扑相结合的拓扑 结构。本系统网络拓扑结构如图2 2 所示。 主辉蒂点 一一l i 予同节点： i i 图2 2 系统网络拓扑结构图 2 1 4 路由算法设计 路由发生在o s i 参考协议模型的网络层，主要负责信息路径的选择与维护， 就是通过网络把源数据信息从一个节点、并按某种规则转发到另外的节点的行 为，此种行为所遵守的规则就是路由协议。 8 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 单一的路由协议无法适用于所有的无线传感器网络。每种无线网络的使用 场合不同其协议算法就必须根据网络所处环境做出相应调整。目前，无线传感 器网络所使用的路由协议多种多样，按路由协议特点可分为以下几种：以数据 为中心的平面路由、地理位置路由、用于查询的路由、网络分层路由、能量感 知路由和于q o s 的路由等【1 3 】【1 4 1 。本文在分析现存的路由协议的特点以及其对使 用场合的要求，根据每种路由协议的优缺点同时结合本文中所涉及的无线传感 器网络的应用领域，研究设计了一种新的具有自组网的路由协议。 本无线传感器网络路由协议主要根据路径最短、质量最优的原则。具体实现 原理如下： 本路由协议结合一般无线传感器网络具有的特点，首先在粮仓的主要位置放 置一些传感器节点，组成一个简单的网络，此时数据的读取有相对确定的路径， 然后在此基础之上再分散一些多余采集设备使系统更加可靠，并根据它的无线 通信指标参数值选取最优路径，把节点从网络中去除、或者添加到网络中，使 该网络实现动态组网机制。网络中的受控的传感器节点都具有相同的硬件组成， 其中用于存储信息的除了单片机内部的f a l s h 存储单元外，在单片机的外围也 扩展了6 4 k 的f l a s h 存储芯片2 4 c 6 4 ，在该网络系统中，扩展的存储芯片主要 是存放其周围能与该传感器节点通信良好的节点的识别d 以及通信指标参数 值。首次安装该系统网络时，按照受控节点的m 号码顺序布局，并把这些节点 信息存储在主控制器数据库表中，实现基本的无线传输网络。然后，通过受控 节点上的发送自身存在信息按钮，该受控节点会随机发出五帧包含自身d 和通 信质量参数的无线数据。受控节点以广播的形式发送，在其周围的受控传感器 节点，包括主控节点在内，如果能接收到该节点自身存在数据帧而且通信质量 指标值满足设定的指标值，就解析该数据帧提取发出该数据帧的节点d 地址和 通信指标参数值，并且存放该节点的自身存在信息值到外扩f a l s h 存储芯片 a t 2 4 c 6 4 中，作为路由选择的关键依据。粮仓监控系统网络中其它受控节点以 同样的方式报告自己的存在。这样整个网络中所有节点都存放有自己能够通信 联系到的节点了。此时可以由主控节点发出采集某一节点的数据的命令，若在 主控节点的数据库中存在有该受控节点的信息既可以实现直接的通信，若在数 据库中没有该节点直接的数据信息，可以通过查询数据库中的存放的信息，从 中挑选出一条最佳的路径u 引。 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 2 1 5 系统串口及无线通信协议设计 通信协议是设备之间相互通信的约定，只有双方都按照约定的规则进行数据 信息传输，才能实现正确的交流。通信协议也在一定程度上保证了数据传输的 安全性。该粮仓监控系统设计中涉及到多个通信协议。 首先是主控制器节点中核心控制板与无线传输单元之间的串口通信协议。 双方控制器串口设置必须保持一致，包括波特率、起止位、校验位等。波特率 统一设置为9 6 0 0 b p s 、无奇偶校验。核心控制板通过u a r t 发送操作指令到无线 传输模块，在规定的时间内约4 0 0 m s 内，无线数据传输单元没有接收到数据帧 认定数据传输超时，无线数据传输单元向核心控制板返回超时数据帧。若在超 时时间内无线数据传输单元接收到核心控制板数据帧并且数据校验正确，则把 该数据帧无线发射出去。 核心控制板与无线数据传输单元之间的串口通信协议帧格式如表2 1 所示。 表2 1 发送数据帧格式 数据域字节数( b y t e ) 备注 协议头 10 x 5 a 数据帧长度 1控制字到检验和得字节 控制字 1用于系统功能选择 无线数据包不定值无线数据包：低字节在前 已接收信号强度指示 l用于路由协议 连接质量指示 1 用于路由协议 校验和 1从控制字到连接质量指示和取反 协议尾 10 x 4 4 串口通信协议帧格式中数据域用法说明如下： 协议头、协议尾，分别取“郑大的拼音首字母z 和d 的a s c h 码 值，分别为0 x 5 a 、0 x 4 4 。协议头与协议尾用于判断通信数据是否正确，传输过 程中有无数据丢失，一定程度上保证了接收数据的可靠性。 数据帧长度在程序中用于判断数据帧接收是否完成、方便数据校验。 控制字为单个字节，用于实现不同的操作，完成不同的功能。在系统中，主 要的控制功能有读控制节点i d 、读温度值、湿度值、实现网络搜索等。 无线数据包是指要发送到系统网络最底层节点的无线数据。 已接收信号强度指示和连接质量指示为路径选择提供参考。 校验和为检测数据传输中有没有错误，校验方式为从长度字到连接质量指示 1 0 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 数据域进行和取反操作。 无线通信协议使用了和串口通信数据相似的帧格式，同样包含有长度字、控 制字、目的节点i d 、r s s i 、l q i 、校验和等数据域条目。另外，无线射频模块 在进行数据传输时会自动为数据帧加上前导字、同步字以及在数据帧尾加上 c r c 校验值。通过无线模块自身的特性实现数据帧的安全传输。 2 1 6 系统工作原理 本论文所讲述的基于无线传感器网络的粮仓监控系统主要是针对粮仓内部 的温湿度环境参数进行检测，并结合粮仓通风设备来平衡粮仓内温湿度参数值， 同时具备多跳、自组网等传感器网络所具有的功能。 该网络系统从硬件组成类型上可区分为两个模块电路，从具体的实现功能上 同样可分为两个层次结构，顶层是网络系统的核心控制单元( 无线传感器网络主 控节点) ，底层是由各个功能相同的感测单元( 无线传感器网络受控节点) 构成的 网络，不论是各个感测单元之间，还是感测单元与核心控制单元之间都是通过 无线射频进行数据通信，省去了网络布线的麻烦。 当系统上电时，主控节点核心控制板【1 6 】通过串口读取与它相连接的无线数据 传输模块的d 号码，读取成功后保存此d 号码，同时把此号码作为核心控制 板网卡m a c 地址的一部分以此唯一标识主控节点，主控节点在进行动态网络地 址分配时也确保了网络地址不会产生冲突，造成此系统从网络中断开的情况。 由于受控节点采用的是锂电池供电，在粮仓中安装这些节点设备时它们已经处 于工作状态，所以等到主控节点完全启动之后，粮仓管理人员就可以使用系统 分配给自己的用户名和密码登录到粮库管理页面管理粮仓。 粮仓监控网络中每一个受控节点都设置各自的d 号码。整个系统安装完成 之后，由于每一个节点不论是主控还是受控节点上电后就处于无线数据的侦听 状态，分别手动按下粮仓监控网络中每个受控节点的自身数据帧发送按钮，被 操作的受控节点会连续发送5 帧自身数据帧信息，主控节点和其他受控节点侦 听到无线数据后，接收这5 帧数据并存储接收到的数据帧中r s s i 值处于中间大 小的那帧数据。所有的受控节点都进行完发送自身数据帧操作之后，每个受控 节点都存储了能与他进行无线通信的其他节点，主控节点也存储了能与他直接 进行通信的受控节点的i d 号码。 通过粮仓管理系统主页面进入到现场监控界面，选择粮仓整体温湿度列表可 以查看 查询页 2 1 7 本 为两种 m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机组成的受控节点。受控节点的开发环境配置比较容易， 直接在w i n d o w s 操作系统平台安装用于开发m s p 4 3 0 系列单片机的集成开发 环境i a re m b e d d e dw o r k b e n c hf o rm s p 4 3 0 即可。本章节仅对主控节点的开发环 境搭建进行介绍。 2 2 1f e d o r a 操作系统安装 嵌入式系统开发的第一步就要建立起桌面p c 的l i n u x 开发环境【1 7 1 。本文开 发环境使用l i n u x 操作系统版本是f e d o r a 9 0 。f e d o r a 的安装可以真实的安装到 p c 机的硬盘上，另一种方式就是通过虚拟机软件v m 虚拟出一台p c 机，然后， 在这个虚拟出来的机器上面安装f e d o r a 。后一种安装方式f e d o r a 是虚拟出来的， 是以应用程序的方式运行，对其错误的操作不会损害真实的硬件。使用虚拟机 安装f e d o r a 系统还可以方便地在w m d o w sx p 和f e d o r a 系统之间实现不重启系 统切换。本文中使用虚拟机的方式安装。第一步安装好v m w a r ew o r k s t a t i o n 虚 拟机软件，安装完成后虚拟机运行界面如图2 3 所示。 】2 第二章粮仓监控系统设计方案和开发环境的搭建 图2 3v m w a r ew o r k s t a ti o n 运行界