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海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 摘要 随着信息技术的进步，当今世界的现代海洋环境监测技术逐步向着高集成 度、高时效、多平台、智能化和网络化方向发展，实时监测系统也应运而生。地 球海洋学实时观测阵a r g o s 是目前已有的海洋环境实时监测系统，但由于造价 高、投放困难等条件的限制，难以满足海洋科研的数量要求。而集成了传感器、 嵌入式计算、现代网络、无线通信、分布式信息处理等技术的无线传感器网络由 于其价格低廉、部署方便以及在实时监测领域展现出的广阔应用前景，为解决这 一难题带来了契机。 无线传感器网络技术对于海洋监测有其特有的优势。集成有传感器、计算单 元和通信模块的节点能够通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的多种 传感器测量所在周边环境中的热、红外、光等信号，部署方便，无需电缆等基础 设施支持；传感器节点价格低廉，能密集部署于大范围水域中，便于利用节点的 采集信息空间相关性获取更加精确的环境信息。 我们在近海部署了海面无线传感器网络实时监测系统，成功的将无线传感器 网络技术应用于海洋环境实时监测领域。该系统是一个无需人工参与、自动实现 海面环境信息采集、数据库的信息导入、实时数据信息展示的信息监测系统，是 世界上第一个近海长期部署的无线传感器网络实验场，可以实时监测节点所在位 置的温度、光照和节点间的信号强度情况。获取的观测数据均实时传输到课题组 的数据服务器，并通过课题组门户网站向全世界的研究者开放。 本系统主要由3 大子系统构成：数据采集子系统、数据传输子系统与实时信 息发布子系统，各个子系统分别负责监测数据的采集、信息的传输处理、数据资 源共享与信息服务功能。 本文首先给出了系统的概要设计，然后描述了各个子模块的详细设计与实 现，重点介绍了数据采集子系统的设计实现，包括海面无线传感器网络的硬件制 作与封装、软件环境安装与配置、n e s c 程序设计与实现以及g p s 部署定位等。 最后，本文分析了系统在实地部署过程中所遇到的关键问题即节点的节能问题， 通过分析t e l o s b 节点硬件及其路由协议的耗能状况，提出了基于路由节能和无 线电休眠策略的节能解决方案，并验证了其在实际应用环境中的可行性。 海面无线传感器网络实时监测系统在一年的长期运行过程中，积累很多实地 部署的经验，如节点的封装、节能以及定位问题等等。取得了重要的国际学术影 响，为海洋科研提供了大量的宝贵数据。 关键词：海洋环境实时监测，无线传感器网络，t e l o s b 节点 i i d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f r e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do no f f s h o r ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o d e mo c e a ne n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e si nt o d a y sw o r l dd e v e l o pt o w a r d st h ed i r e c t i o no fh i g hl e v e l i n t e g r a t i o n ，h i g ht i m ee f f f i c i e n c y , m u l t i p l a t f o r m ，i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r k i n g ，w h i c h l e dt ot h ee m e r g e n c eo fr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m h o w e v e r , e v e nt o d a yt h e r ei sn o s u c hr e a l t i m ee n v i r o n m e n t a ld a t ao b s e r v a t i o nm e t h o de x c e p ta r g o ，w h i c hi so fl e s s q u a n t i t yt h a nt h er e q u i r e m e n t so fo c e a n o g r a p h yr e s e a r c hb e c a u s eo fi t sh i g hp r i c ea n d d i f f i c u l t i e si nd e p l o y m e n t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w h i c hi st h ec o n v e r g e n c eo f s e n s o r s ，n e s t e dc o m p u t a t i o n ，n e t w o r k sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， b r i n g so p p o r t u n i t yt os o l v et h ep r o b l e mb e c a u s eo fi t sl o wp r i c e ，e a s y t o - d e p l o ya n d t 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 ef i e l do fr e a l t i m eo c e a ne n v i r o n m e n t a l m 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 kt e c h n o l o g yh a si t s u n i q u ea d v a n t a g e s i no c e a n e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g t h en o d e si n t e g r a t e ds e n s o r s ，d a t a p r o c e s s i n gu n i ta n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l ec a nc o n s t i t u t ean e t w o r kt h r o u g hs e l f - o r g a n i z a t i o n ，u s e dt o m e a s u r et h eh e a t ，i n f r a r e d ，o p t i c a li n f o r m a t i o na n do t h e rs i g n a l s t h i sk i no fn e t w o r k d e p l o y s c o n v e n i e n tw i t h o u tt h e s u p p o r to f c a b l e sa n do t h e ri n f r a s t r u c t u r e s i n e x p e n s i v es e n s o rn o d e sc a nb ed e p l o y e di n t e n s i v e l yi nl a r g e - s c a l ew a t e r s a sa r e s u l t ，i t sf a c i l et oo b t a i nm o r ea c c u r a t ee n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nt h r o u g ht h eu s eo f s p a t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nn o d e s t h er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do no f f s h o r ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a s b e e nd e p l o y e do f ft h es e a s h o r e i ts u c c e s s f u l l ya p p l i e sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g yt ot h ef i e l do fo c e a ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mi sa n a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mw i t h o u tm a n u a li n v o l v e m e n t ，w h i c hr u n sa u t o m a t i c a l l y b yt h ep r o g r a mf r o md a t ac o l l e c t i o nt ot h ed a t ai m p o r tt ot h ed a t a b a s e i ti st h ef i r s t o f f s h o r el o n g - t e r md e p l o y e dt e s tb e do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si nt h ew o r l d ，w h i c h c a nm o n i t o rt h ec h a n g e so ft e m p e r a t u r e ，l i g h ti n t e n s i t ya n dr s s ib e t w e e nn o d e s a l l t h ed a t ar e c e i v e da r et r a n s m i t t e dt oo u rd a t a b a s es e r v e rb yr e a l t i m ea n d o p e nt ot h e r e s e a r c h e r sa r o u n dt h ew o r l d t h r o u g ht h ew e bp o r t a lo fo u rg r o u p t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ft h r e em a i nc o m p o n e n t si n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n s u b s y s t e m ，d a t at r a n s m i s s i o nc o n t r o ls u b s y s t e ma n dd a t as h a r i n gs u b s y s t e m v a r i o u s s u b s y s t e m sa r er e s p o n s i b l ef o rm o n i t o r i n gd a t ac o l l e c t i o n ，i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n p r o c e s s i n g ，d a t as h a r i n ga n di n f o r m a t i o ns e r v i c e t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r eo ft h ee n t i r es y s t e ma n d t h e i m p l e m e n t a t i o no f e a c hm o d u l ei nd e t a i l s ，e s p e c i a l l yt h ei m p l e m e n t a t i o no fd a t a a c q u i s i t i o ns u b s y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ep a c k a g i n g ，s o f t w a r ei n s t a l l a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lc o n f i g u r a t i o n ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fn e s cp r o g r a m ，g p s p o s i t i o n i n gf o rd e p l o y m e n t ，e t c i ta n a l y z e st h ee n c o u n t e r e dp r o b l e m sd u r i n gt h e d e p l o y m e n to ft h ee x p e r i m e n t t h r o u g ha n a l y z i n go ft e l o s bn o d eh a r d w a r ea n dt h e e n e r g ys t a t u so fr o u t i n gp r o t o c o l s ，i tp r o p o s e se n e r g y s a v i n gs o l u t i o n sb a s e do n e n e r g y e f f i c i e n tr o u t i n ga n dr a d i od o r m a n c ys t r a t e g y o u rs y s t e mh a sb e e nr u n n i n gi no u rt e s tb e df o rm o r et h a no n ey e a r 。m u c h e x p e r i e n c ed u r i n gt h ed e p l o y m e n th a sb e e na c c u m u l a t e d ，s u c ha st h en o d e p a c k a g i n g ， e n e r g y s a v i n ga n dn o d el o c a t i o n i th a sm a d ea ni m p o r t a n ti m p a c to ni n t e m a t i o n a l a c a d e m i cc i r c l e s ，a n dp r o v i d e sa l a r g ea m o u n to fv a l u a b l ed a t af o ro c e a n o g r a p h y k e yw o r d s ：o c e a ne n v i r o n m e n tr e a l - t i m em o n i t o r , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， t e l o s bn o d e i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含未获得或其他教育机构的学 位或证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：祭为赵墨签字日期：山岬年占月譬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名：矗碱琶 签字目期：沙呷年b 月3 日 支 耵 志 “ 辛叩 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 1 绪论 1 1 选题背景 在陆上资源日趋紧张、生态环境不断恶化和人口膨胀问题的挑战下，当今世 界各国纷纷将发展的目光投向海洋，发展海洋经济成为可持续发展战略的重要基 础。我国的海疆幅员辽阔，有着1 8 ，0 0 0 多公里的大陆岸线和1 4 ，0 0 0 多公里的 岛屿岸线，管辖的海域近3 0 0 万l 2 ，全国7 0 以上的大城市、5 5 的国民经 济产值分布在东部和南部沿海地带【l 】，海洋在我国国民经济和社会发展中占有重 要的战略地位。开发和利用海洋，对于我国的长远发展将具有越来越重要的意义。 海洋的合理开发利用必须建立在丰富的海洋信息基础之上。有效开发海洋资 源、发展海洋经济和保护海洋环境，必须认识并掌握海洋环境的特点和变化规律， 而海洋环境监测是人类认识海洋、掌握海洋环境条件及其变化规律的基本手段。 从某种意义上讲，海洋环境监测的能力，直接影响着海洋资源开发和海洋环境保 护的程度和效果1 2 3 4 j 。 1 2 海洋环境监测系统发展现状 早在两个世纪以前，人们便开始通过远洋科学考察来获取海洋环境信息，但 受当时科技条件的限制，此类观测持续时间短，难以观察海洋变化。近年来，随 着传感技术、网络科技、海洋遥感等技术的发展，国际环境监测技术向着高集成 度、高时效、多平台、智能化和网络化方向发展。如美国h a b s o s ( h a r m f u la l g a l b l o o m so b s e r v i n gs y s t e m ) 系统是一个由卫星、海岸自动观测站、浮标等现场监测 系统组成的立体监测网络【5 l ，为预测、预报服务提供支持。欧洲的r o s e s ( r e a l t i m eo c e a ns e r v i c e sf o re n v i r o n m e n ta n ds e c u r i t y ) 是一个综合的海洋环境资 源信息平台，通过现场监测系统获取实时的海洋监测数据。美法联合研制的 a r g o s 系统能够准确传输、接收、处理遥远、资料稀少的远海信息，形成了卫 星遥感、海洋浮标相结合的个现代化立体海洋监测系统 6 9 1 ，并在t o g a 计划 等大型国际海洋调查合作项目中广泛应用。全球海洋观测系统g o o s ( g l o b a l 海面无线传感器网络实时：逝测系统设计j 实现 o c e a no b s e r v i n gs y s t e m ) 是联合国教科文组织政府间海洋学委员会迄今发起的全 球性最大、综合性最强的海洋观测系统i l 训。 我国的海洋监测技术相比于国际先进水平仍有较大差距，海洋监测技术水平 落后于先进海洋国家1 0 1 5 年。近年来依托8 6 3 计划、9 0 8 海洋类科技攻关项目 的带动，我国海洋监测技术的研究与应用已取得了巨大的进步，涌现了大批的成 果与海洋科技产品，在此基础上，我国逐步建立起海洋监测台站、浮标、调查船、 卫星遥感及航空遥感等组成的海洋环境立体监测网络【l l 】。我国于2 0 0 1 年加入了 a r g o 计划，全球海洋观测网，正式成为国际a r g o 计划的成员国，然而，由 于受到浮标造价高、投放困难等条件的限制进展缓慢，难以满足海洋科研的数量 要求，目前中国近海仅投放了4 6 个，正常运行个数仅1 0 余个，对于需要密集部 署的近海海洋环境监测此系统显然难以满足应用需求。 1 3 无线传感器网络技术简介 在海面无线传感器网络实时监测系统的设计实现过程中，我们应用到的新技 术主要集中于数据采集子系统，即无线传感器网络的相关技术，包括无线传感器 网络、t e l o s b 节点、t i n y o s 操作系统与n e s c 语言。 1 3 1 无线传感器网络概述 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 ) 是集成了微机电系统、计算 机、通信、自动控制等多学科的综合性技术。它由随机分布的集成有传感器、数 据处理单元和通信模块的微小节点自组织构成网络，借助于节点中的多种内置传 感器，协作地实时感知和采集周边环境中的多种信号，从而探测包括温度、湿度、 噪音、光强度、速度和方向、压力等众多人们感兴趣的物理信息，并能通过无线 网络传输坨。6 1 。它无需固定网络支持，展开快速，抗毁性强，可应用于军事、 工业、交通、环保等领域，具有广泛的应用前景 1 6 , 1 7 】。 目前，国内外的科研院所均开展了对无线传感器网络理论和应用的研究。美 国军方开展了c 4 k i s r 计划、s m a r ts e n s o rw e b 、灵巧传感器网络通信、无人值 守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统c e c 等。i n t e l 公司在2 0 0 2 年进行了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。n s f 于2 0 0 3 年制定了传感 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 器网络研究计划。美国d u s tn e t w o r k s 和c r o s s b o wt e c h n o l o g i e s 等公司研究的“智 能尘埃、m o t e ”已进入应用。国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络 理论和应用的研究，具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络 路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。从可以获得的文献资料来看，研究热点 主要集中在以下几个方面：应用支撑服务、能量管理、安全管理、数据查询管理、 研究时间同步、传感器网络中的通信协议和应用、节点定位等。 不同于常见的移动通信网、无线局域网络与蓝牙，无线传感器网络具有其自 身特点【1 8 】【1 9 】：如硬件资源有限，电源容量有限，自组织，动态拓扑，节点数量 众多，分布密集，采用多跳路由等。 无线传感器网络典型的体系结构如图1 1 所示，包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ，也称为网关) 和管理节点( 监控中心) 。大量传感 器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器 节点监测的数据沿着其他节点逐跳传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过 互联网或卫星到达监控中心【2 0 】【2 l 】。用户可以通过管理节点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。 赢二：j 二_ ，一、 f a = 炎j ：王i = 一_ 每y 。i 一互：显罢卫 l j r 1 r r 一二声+ 一。一一j j 一 。“二，j 幸 s e n s o rn o d e 。 一一。 i ， 图1 1 无线传感器网络体系结构图 1 3 2 传感器节点t e l o s b 传感器节点是无线传感器网络中部署到研究区域中用于收集和转发信息，协 作完成指定任务的对象。传感器网络是在特定应用背景下以一定的网络模型规划 的一组传感器节点的集合，而传感器节点则是特别为传感器网络设计的微型计算 机系统。 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 目前，使用的最广泛的传感器节点是s m a r td u s t 和m o t e 。智能灰尘s m a r td u s t 是美国国防部d a r p a 资助的传感器项目，m o t e 系列节点由美国军方出资、d n 7 h 大学伯克利分校主持开发的低功耗的、自组织的、可重构的无线传感器节点系列。 清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等国内科研机构也已开 始节点的研制【2 3 】【2 4 1 。生产节点的两个大公司为美国的c r o s s b o w 公司与m o t e i v 公 司，产品包括m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 、t e l o s b 、i r i s 等多个种类我们在本课题中 用的是m o t e l v 公司生产的t e l o s b 系列产品。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。如图1 2 ，无线传感器节点的体 系结构由传感器单元、处理器单元、无线收发单元和能量供应模块四部分组成 1 2 5 , 2 6 】。其中，传感器单元负责监测区域内信息的采集：处理器模块负责控制整个 传感器节点的操作，是传感器节点的计算核，i i , ；无线收发模块负责与周围的其他 传感器节点进行无线通信，包括控制信息的交换与数据信息的传输等；能量供应 模块为传感器节点运行供能，通常采用普通双a 电池。 图1 2 传感器节点体系结构图 本课题中所使用的t e l o s b 节点是i 由m o t e l v 公司生产的一种低功耗的无线传 感器网络节点。其通信模块采用的是c h i p c o n a s 公司推出的的首款符合i e e e 8 0 2 1 5 42 4 g h z 标准的射频收发釉c 2 4 2 0 ，该产品基于c h i p c o n 公司的 s m a r t r f 0 3 技术，以0 18 u mc m o s 工艺制成，性能稳定且功耗极低，其选择性和 敏感性指数超过了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠 性，利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达2 5 0 k b p s 可以实现多点 对多点的快速组网；t e l o s b 微处理器芯片为美国德州仪器出产的m s p 4 3 0 系列单 片机，此芯片为一种1 6 位超低功耗的混合信号处理器称之为混合信号处理器，主 4 面尤线* 感# 月镕实时驯系统设”o j 宴 要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在 个芯片上，以提供“单片”解决方案。 一一r - = = ，。 二“= j j r ：嚣譬 。， yd 。 图i 3m o t e i v 的t e l o s 系列r e v i s i o nb 节点正面 t e l o s 系列节点研究是美国国防部d a r p a 支持n e s t 项目的一部分，它在设计 结构上有以下特点 2 。i ： ( 1 ) 2 5 0 k b p s 的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠， 节省系统能量。 ( 2 ) 采用标准化的通信协议i e e e8 0 21 54 ，能够实现与符合该标准的其他设备 户互通信。 ( 3 ) 采用德州仪器的超低功耗微处理器芯片m s p 4 3 0 ，包括1 0 k 的随即存储器 与4 8 k 的闪存。 ( 4 ) 集成模数擞模转换器，电源电压监，和d m a 控制器 ( 5 ) 自带的集成天线能够提供室内5 0 米、室外1 2 5 米的通信范围。 ( 6 ) 集成了能够独立作为传感器节点使用无需要外接传感器板的s i - i t l l 温湿度 传感器与s 1 0 8 7 光传感器。 ( 7 ) 低功耗运行，仅有极低的电流消耗，能够快速从睡眠中恢复。 ( 8 ) 使用硬件链路层加密和认证，并通过标准u s b 接口编程与数据采集。 ( 9 ) 具有1 6 引脚扩展支持，并可选择添加sm a 天线连接器，连接外部天线。 ( 1 0 ) 支持t i n y o s 操作系统，并且符合f c c1 5 和加拿大工业部规章。 海面无线传感器网络实时般测系统设计与实现 1 3 3t i n y o s 操作系统 由于传感器网络的独特特点，需要与之匹配的操作系统能够高效的利用传感 器节点有限的内存、低速低功耗的处理器、低速通信设备、有限电源，且能够对 所针对的各种应用提供最大限度的支持。首先，传感器节点采用电池供电，能量 有限，而且其r a m 空间一般小于1 0 k ，这就要求操作系统不仅要占的内存小，能 运行在有效的资源下，还要求操作系统在节能的前提下对数据进行处理；无线传 感器网络节点数目众多，不可避免常有新节点加入或节点死亡，因此要求操作系 统在网络拓扑发生变化时必需能做出反应，自主更新；不同的无线传感器网络对 系统的要求也不尽相同，这就要求操作系统具有良好的可移植性，能满足各种各 样的硬件平台；传感器节点并发性操作密集，即可能存在多个需要同时执行的逻 辑控制，这就需要操作系统能够有效调度，解决冲突；节点的高度模块化则要求 操作系统能够让应用程序方面的对硬件进行控制，易于各个模块的重组。 上述特点对面向传感器网络的操作系统设计提出了挑战，加州大学伯克利分 校针对以上特点成功开发了基于“n u x 的t i n y o s 【z 8 j 操作系统，目前t i n y o s 已经可 以运行在很多硬件平台上，在t i n y o s 犀j 站上公开原理图的硬件平台有t e l o s ( r e v a ) ，t e l o s ( r e vb ) ，m i c a 2 d o t ，m i c a 2 ，m i c a 。此外，还有一些商业和非商业组织也 有一些硬件平台可运, 行t i n y o s ，主要有欧洲的e y e s 【2 9 ，3 0 1 ，m o t ei v 提供的t m o t e s k y 3 1 1 c r o s s b o w 公司【3 21 的m i c a z 以及i n t e l 公司的i m o t e t 3 3 1 。 t i n y o s 中引入了轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程技术【3 4 】。轻线 程主要是针对节点并发操作比较频繁，且线程比较短，传统的进程线程调度无 法满足的问题提出的。主动消息是并行计算机中的概念，在发送消息的同时传送 处理这个消息的相应处理函数i d 和处理数据，接收方得到消息后可立即进行处 理，从而减少通信量。整个系统的运行是因为事件驱动而运行的，没有事件发生 时，微处理器进入睡眠状态，从而可以达到节能的目的。组件就是对软硬件进行 功能抽象，整个系统是由组件构成的，通过组件提高软件重用度和兼容性，程序 员只关心组件的功能和自己的业务逻辑，而不必关心组件的具体实现，从而提高 编程效率。t i n y o s 的程序采用的是模块化设计，所以程序核心往往都很小，能 够突破传感器存储资源少的限制，让t i n y o s 有效的运行在无线传感器网络上并 去执行相应的管理工作等。 6 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 1 3 4n e s c 语言 上文中，我们详细介绍了本课题中用到的t i n y o s 操作系统，丽它最初是用 汇编和c 语言编写的。但研究发现，c 语言不能有效地支持面向传感器网络的应 用和操作系统的开发，且产生的目标代码太大，因此对c 语言进行一定的扩展， 提出了支持组件化编程的n e s c 语言，其产生的目标代码相对较小，可用来开发 t i n y o s 操作系统和其上运行的应用程序。t i n y o s 和基于t i n y o s 的应用基本上 用n e s c 编写。一个典型的n e s c 应用程序结构如下图示： 图1 - 4n e s c 应用程序结构 我们可以把t i n y o s 和其上运行的应用程序看成是一个大的“执行程序”，它 是由许多功能独立且相互有联系的组件( c o m p o n e n t ) 构成的。在n e s c 语言的定 义中，存在两种不同功能的组件：配件( c o n f i g u r a t i o n ) 和模块( m o d u l e ) 。配件 具体描述不同组件接口之间的连接关系的组件，主要是将各个组件和模块连接起 来成为一个整体；而组件提供的接口中的函数功能专门在称为模块( m o d u l e ) l 均组 件文件中描述其实现过程。接口可以看作是这个软件组件实现的一组函数的声 明，既可以是命令和事件，其他组件通过引用相同接口声明，就可以使用这个组 件的函数，从而实现组件间的功能相互调用。 1 4 本文的主要研究内容 作为9 7 3 项目“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”的子课题，本系统 一方面实现了无线传感器网络技术在海洋环境实时监测系统中的应用，实现了无 海面无线传感器网络实时舱测系统设计与实现 线传感器网络数据采集、g p r s 数据传输以及w e b 数据共享的流程化，为科学 研究积累了大量的宝贵数据；同时，该海面无线传感器网络作为理论研究的海上 应用平台，为无线传感器网络的理论验证提供了实验场所，将无线传感器网络的 最新理论成果在海上环境中付诸于实践，验证了多个无线传感器定位算法【3 9 】、 系统故障诊断算法【4 0 1 的正确性，为论文研究提供了宝贵的实验数据。 该系统由数据采集子系统、数据传输子系统与实时信息发布子系统三大模块 组成。本文详细描述了海面传感器网络实时监测系统的架构设计与实现，着重介 绍了基于无线传感器网络的数据采集子系统的软硬件设计实现、网络部署，以及 在实地部署过程中遇到的关键问题与解决方案。全文共分为七章，各章的内容如 下： 第一章绪论介绍了选题的背景，给出了系统设计实现过程中所应用的无线传 感器网络技术，包括t e l o s b 节点、t i n y o s 操作系统与n e s c 编程语言，进而说 明了论文的研究内容和创新点，最后，给出了本文的章节组织结构。 第二章给出了系统的概要设计，给出了系统设计目标，总体架构设计以及各 个子系统的基本功能，本章是本文展开的基础。 第三章给出了系统的详细设计与实现。其中数据采集子系统的详细设计与实 现，是本文的重点所在，包括对无线传感器网络节点t e l o s b 进行的封装制作， 以使其适应海面环境，以及节点上的n e s c 程序设计实现过程。描述了数据传输 子系统的详细设计与实现，给出了由无线传感器网络到因特网再到校园网数据服 务器的数据传输过程。最后展示了实时信息发布子系统的访问界面。 第四章给出了无线传感器网络节点节能问题的解决，通过分析硬件与 t i n y o s 协议实现机制，分别引入了路由节能与同步休眠节能，大大减少了节点 能耗，延长了网络的生命周期。 第七章对全文进行总结，并阐述进一步要做的工作。 从以上论文组织结构上可以看出，本文主要介绍了海面无线传感器网络实时 监测系统的研究与实现，并给出了各个子系统特别是数据采集子系统的设计实现 及关键问题解决，这也是本文的创新之处。系统的观测数据实时传输到课题组的 数据服务器，并通过课题组网络门户向全世界的研究者开放。在一年的长期运行 过程中，积累了大量的可用数据和宝贵的实地部署经验。 8 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 2 系统的概要设计 本章主要介绍了集成了现代网络技术与传感器技术的海面无线传感器网络 实时监测系统的概要设计，给出了系统设计的目标、系统建设的任务、系统总体 设计以及各子系统的功能设计。 2 1 系统设计目标 海面无线传感器网络实时监测系统是9 7 3 项目“无线传感网络的基础理论及 关键技术研究”的一个子课题，重点实现了无线传感器网络的海洋实时监测应用。 该9 7 3 项目的总体目标是：面向煤矿监测、水环境检测、上海世博会安全监 控等重大应用需求，从发展新型无线传感网络产业的角度，以解决“低耗自组、 异构互联和泛在协同的复杂系统及资源优化的自组织网络”问题为核心，研究新 一代无线传感网络的基础理论与关键技术。在实现从传统网络到新一代网络的转 变，从系统实体单元的单一同构性到泛在异构性的转变，以能量、时间和空间复 杂性最小化为目标，提出一整套无线传感网络基础理论与关键技术的突破，使我 国在相关领域的研究成果进入国际领先行列，并在基础研究成果与无线传感网络 产业发展的结合方面形成研究特色，形成若干具有特色的技术标准和技术专利， 为我国在未来5 一1 0 年内建立新型无线传感网络产业打下坚实的基础，为我国无 线传感网络产业的发展提供核心技术的支持【3 5 l 。 本系统的设计目标为以当今先进的传感器技术、通信技术、嵌入式系统及自 动控制理论与应用等为背景，将最新的无线传感器网络技术应用到海洋环境监测 应用系统之中，实现海洋环境要素的定时采集、实时传输、历史数据的处理与分 析、数据资源共享与信息服务等功能。一方面，本系统能够长期实时完成近海海 区光、温度等要素的监测数据的采集、通讯、处理、存储及数据库管理，获取大 量的科研数据：另外，能够作为海上应用平台，为无线传感器网络的理论验证提 供了实验场所，将无线传感器网络的最新理论成果在海上环境中付诸于实践，以 判断其正确性与应用价值。 9 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 2 2 系统建设的任务 按照系统的设计目标，海面无线传感器网络实时监测系统建设的任务如下： 自动监测。海面无线传感器网络能够在部署后自动组成多跳网络，定期采集 环境信息，传回岸边基站，能够长期稳定运行，并具有差错自恢复的功能。 数据传输过程一体化。从基站数据收集到发送至因特网直至最终导入系统数 据库，全部由程序自动实现，能够顺畅来连续运行，无须人工参与，实现数 据传输过程一体化。 数据实时传输。利用g p r s 无线网卡经由中国移动网向课题组的数据服务器 定时发送实时数据。 模块化结构。各功能模块采用开放式、标准化和模块化设计，具有集成度高、 独立性强、配置灵活的特点，可以适应不同应用的需求。根据实际情况，可 以灵活地集成或拼装成不同用途的自动监测系统，无需重新开发软件。 远程访问与数据下载。系统的所有观测数据实时传输到课题组的数据服务器， 并通过课题组网络门户向全世界的研究者开放，以供远程访问与数据下载。 传感器节点能耗最小化。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电 池。由于传感器节点数目众多且海洋的恶劣工作环境，使得节点更换电池十 分困难，因而需采用适当的节能策略，延长网络的生命周期。这就要求对本课 题中所使用的t e l o s b 节点采用相应的节能策略，实现传感器节点能耗的最小 化，延长电池更换周期，减少人力消耗。 理论验证实验平台。能够作为海上应用平台，为无线传感器网络的理论验证 提供了实验场所，将无线传感器网络的最新理论成果在海上环境中付诸于实 践，以判断其正确性与应用价值。 2 3 系统总体设计 本系统主要由3 大子系统构成：数据采集子系统、数据传输子系统与实时信 息发布子系统。各个子系统分别执行对监测数据的采集、信息的传输处理、数据 资源共享与信息服务功能。其中，数据采集子系统为部署在浅海海面的一个无线 传感器网络，它位于系统的最底层，是本文设计研究的重点所在；数据传输子系 l o 海目光线* 感# 目镕宴时n 测系统设计5 实现 统负责将采集信息由无线传感器网络网关传输到课题组数据库服务器的整个过 程：实时信息发布子系统为课题组门户网站负责显示采集的实时数据信息及其 变化曲线，以供用户远程访问与数据下载。用以供用户远程访问与数据下载。 海面无线传感器网络实时监测系统空间结构设计如图2 1 所示： 图2 一l 空间结构设计图 从图中可以看到，借助于数据传输于系统的g p r s 上网方式，数掘采集于系 统采集的海洋环境信息由海面无线传感器网络传输到因特网，完成整个系统的信 息的采集、传输、播报的一体化。 2 4 各子系统功能设计 2 4l 数据采集子系统功能设计 数据采集子系统由一个无线传感器网络构成，是整个系统的基础构件，也是 本文研究的重点。它位于系统架构的最底层，是整个系统的基础，为数据传输子 系统与实时信息发布子系统提供实时监测数据。 它由1 8 个漂浮于海洋表面的节点、2 个岸边中继节点、基站节点及与基站 节点通过u s b 口相连的网关主机组成。所有节点自组织构成多跳网络，通过其 自带的传感器组件定时采集海面温度、光照强度以及节点间的r s s i 值传回基站， 基站将收集的数据通过u s b 口传送至网关主机上的数据接收模块，并由数据接 收程序按照系统定制的格式标准将采集的监测数据暂存。 数据采集子系统的按照各部分的任务不同，可以划分为采集节点的数据采集 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 模块、基站节点的数据收集模块、陆地网关的数据解析与保存三大功能模块，而 采集节点负责环境信息采集、r s s i 数据采集、数据报告功能；基站节点负责采 集的数据收集、路由建立发起功能；网关主机负责串口接收、解包、日志建立与 数据保存功能。系统功能图如下所示： 图2 2 数据采集子系统功能图 2 4 2 数据传输子系统功能设计 数据传输子系统负责数据信息由采集子系统导实时信息发布子系统的传输， 通过g p r s 上网方式，将无线传感器网络采集的信息经由因特网导入系统数据 库。整个传送过程所需要实现的功能包括网关主机上的定时上传模块、校园网主 机定时下载、自动倒库、定时开测新实验模块。系统功能图如下所示： 1 2 海面无线传感器网络实时监测系统设计与实现 图2 3 数据传输子系统功能图 2 4 3 实时信息发布子系统功能设计 实时信息发布子系统由获得山东省科技进步二等奖的我们实验室独立开发 的基于智能仪表的家电产品测试软件开发平台b s 部分改造而成，因而，本文 着重介绍了其数据展示界面。将经由数据传输子系统送达的数据，在课题组网站 以图形化的界面显示，并可以实现选择浏览、历史数据查询、变化曲线查询、数