（检测技术与自动化装置专业论文）wsn技术在多agent系统中的应用.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 智能建筑是现代建筑技术、通信技术、计算机技术、控制技术等相互结合、相互渗 透的产物。智能建筑技术经过了2 0 年的发展，目前已经进入了第三代智能建筑技术的研 究阶段，在新一代智能建筑技术的研究中，通过实现对建筑的智能化和人性化的控制， 提高整个建筑的智能化水平，为在其中工作的人员提供各种优质的服务。a g e n t 技术作为 人工智能领域的热点，将a g e n t 理论应用于智能建筑系统中，为该领域的发展开辟了一条 新的道路。 本文将w s n 技术引入多a g e n t 系统，用来为整个楼宇i 大j a g e n t 相互间提供通讯服务。 文章中我们针对多a g e n t 系统设计的一套w s n 系统。专门设计的w s n 系统和我们之前提 出多a g e n t 结构可以完美地结合，实现a g e m 之间的数据交换以及确定人员在建筑物内的 位置。利用人员的定位可以实现对照明系统的节能控制，我们以后的工作将逐渐扩大到 整个建筑物内所有的系统。 文章中详细介绍了无线网络及a g e n t 系统的硬件平台设计，并针对硬件系统中所采 用的芯片的特点及设计方式进行介绍。由于系统涉及射频方面的一些内容，所以也对射 频方面p c b 的布线进行基本的介绍。根据目前智能建筑系统中网络技术的发展现状，提 出了以以太网与现场总线结合的网络通信方式。使用f r e e s c a l e l 6 位处理器为核心制作 了网关板。 最后，我们主要介绍了无线网络协议的一些具体实施细节。分别针对网络协议的物 理层，m a c 层，网络层进行了详细的介绍。包括其采用的帧格式，一些关键函数的介绍。 另外，针对网关部分介绍了下采用的u d p 协议已经通讯采用的数据格式，在此基础上进 行了网络数据传输实验，获得了成功。 关键词：多a g e n t 通讯，w s n ，地址分配， 网络组建 山东建筑大学硕士学位论文 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd e s i g nf o rm u l t i a g e n ts y s t e m s l i u h a i l o n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yz h a n gg u i q i n g a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa r eap r o d u c tm u t u a l l yc o m b i n e dw i t hm o d e r nb u i l d i n gt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t e c h n o l o g y i n t e l l i g e n t b u i l d i n g st e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e df o rt w od e c a d e s ，a n dn o we n t e r e dt h e t l l i r dg e n e r a t i o no f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g st e c h n o l o g yr e s e a r c h i nt h er e s e a r c ho f t h en e w g e n e r a t i o n ，t h ei n t e l l i g e n t l e v e lo ft h ee n t i r e b u i l d i n g sh a sb e e ni m p r o v e db yc o n t r o l l i n g i n t e l l e c t u a l i z e da n d p e r s o n a l i z i n g , p r o v i d i n gt h ev a r i o u sl l i g hg r a d es e r v i c e sf o rt h ep e o p l ew h ow o r ki nt h e b u i l d i n g s t l l i sp a p e rd e s i g n saw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n da p p l i e si ti n t om u l t i a g e n ts y s t e m s i n t h e m u l t i a g e n ts y s t e m , t h ew s nd e s i g n e d i nt h i s p a p e rs u p p l y s e r v i c ef o rt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na g e n t s t l l i sp a p e ra l s og i v e st h ep r o c e s sh o wt or e a l i z en e t w o r k c o n s t r u c t i o n ，a d d r e s sa l l o c a t i o n , d e v i c er e g i s t r a t i o na n dr o u t i n g t h ew s nh a n g i n gt o g e t h e r w i t hm u l t i a g e n ts y s t e mc a ni d e n t i f yt h ep e r s o n a ll o c a t i o ni nt h eb u i l d i n g t h ef u t u r ew o r k w i l lg r a d u a l l ye x t e n dt oe n e r g ys a v i n gf o ra l ls y s t e m si nt h ew h o l eb u i l d i n g a r t i c l ed e s c r i b e si nd e t a i lt h ew i r e l e s sn e t w o r ka n da g e n ts y s t e m ，h a r d w a r ep l a t f o r m ，a n d h a r d w a r es y s t e m sf o rc h i p su s e di nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d a s t h es y s t e mi n v o l v e ss o m ee l e m e n t so ft h er fa r e a , s oa l s oo nt h er fa s p e c t so fp c b w i r i n ga b a s i ci n t r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn e t w o r ko fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e mt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ts t a t u s ，p u t f o r w a r dac o m b i n a t i o no f e t h e m e ta n df i e l d b u sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n u s ef f e e s c a l e l6 0 b i tp m c 蚴rc o r ep r o d u c e da g a t e w a yb o a r d f i n a l l y , w ei n t r o d u c eaw i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c o lo fs p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o nd e t a i l s w e r ea i m e da tt h ep h y s i c a ll a y e rn e t w o r kp r o t o c o l ，m a cl a y e r , n e t w o r kl a y e ri n t r o d u c e di n d e t a i l i n c l u d i n gt h eu s eo ff r a m ef o r m a t ，t h ei n t r o d u c t i o no fs o m ek e yf u n c t i o n s i na d d i t i o n ， f o rt h en e x ts e c t i o nd e s c r i b e st h eg a t e w a yu s i n gt h eu d p p r o t o c o lh a sad a t af o r m a tu s e df o r c o m m u n i c a t i o n ，i nt h i sb a s e do nt h en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e n i l 山东建筑大学硕士学位论文 s u c c e s s f u l k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na g e n t s ，w i r e l e s sn e t w o r k , a d d r e s sa l l o c a t i o n ，n e t w o r k c o n s t r u c t i o n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名：霹么啦日期上2 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学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、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 1 1 1 智能建筑概述 第1 章绪论 随着现代建筑的大型化、高层化、多功能化和服务项目的增加，建筑物内所采用的 各种设备，包括机电设备、通信设备以及办公自动化设备等等，其种类不断增多，使得 管理工作已非人工所能应付，因此，智能建筑应运而生。 1 9 8 4 年，美国建成第一座智能建筑，自此，世界各国纷纷效仿，智能建筑在世界各 地迅速兴起。智能建筑是信息时代的产物，是“国际信息高速公路”和智能化城市的网 络节点，它将以计算机和网络为核心的信息技术应用于建筑行业，是计算机技术、通信 技术、控制技术和建筑艺术完美结合和相互渗透的产物，是信息产业特别是微电子超大 规模集成电路及网络技术迅速发展推动的结果。它给在建筑内工作或生活的人们提供了 一个安全、舒适、快速、便捷、节能等极具增值服务的空间，具有传统建筑所无法比拟 的优越功能、重大作用和优良效益，在现代信息社会中占有极其重要地位【l , 2 , 3 1 。 智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 的兴起，主要是适应社会信息化与经济国际化的需 要。而智能化综合性办公大厦( i n t e l l i g e n to f f i c eb u i l d i n g ) 的出现，是办公自动化( o f f i c e a u t o m a t i o n ) 进一步发展的结果，是现代高技术的结晶。其有别于传统建筑的最主要特 征就在于“智能化 ，即这种智能化大厦除了具有一般常规的办公大厦的功能外，还增添 了多元信息的传输、控制、处理与应用等一系列高技术功能【4 】。 目前，全球社会信息化与经济国际化正不断地深入发展，智能建筑已成为各国综合 经济国力的具体表征，也是各大跨国企业集团国际竞争实力的形象标志。兴建和发展智 能建筑已成为当今世界跨世纪性的开发热点。 1 1 2 无线传感器网络 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 ) 就是由部署在监测区域内大量的 廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其 目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素【5 1 。 山东建筑大学硕士学位论文 无线传感器网络具有以下技术特点：t ，数据传输速率低。只有1 0 k b s 2 5 0 k b s ，专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据， 仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据所以w s n 对传输速率的需要不是那么 高。2 ，功耗低。在休眠状态下耗电量仅仅只有luw ，通信距离短的情况下工作状态的 耗电为3 0 m w ，在低耗电待机模式f ，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上。这也是 支持者所一直引以为豪的独特优势。3 ，有效范毋小。有效覆盖范围在1 0 7 5 m 之问， 但是可j 三i 扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，摹 本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。降低w s n 节点的能量消耗和平衡所有节点的 能量，有必要缩小节点r f 模块的覆盖范围。4 ，自动动态组网、自主路由。w s n 网络 是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络。 而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。这就希 望w s n 能具有动态组网、自主路由的功能 2 课题研究的构想与思路 图1 1 无线网络示意图 现阶段智能建筑处于探索阶段，寻找种有效的通讯手段会极大的推进a g e n t 系统在 智能建筑中的应用。现有的智能建筑的系统中所存在的通讯网络存在两大缺陷：第一， 山东建筑大学硕士学位论文 现有的通讯系统，包括l o n w o r k s 和互联网技术由于采用有线技术，扩展性低，不方便 施工，用户的数量受到限制。；第二，通讯系统由于通讯协议的关系对硬件的要求比较高， 而且也不方便对现有的没有通讯接口的设备进行升级改造。在设备数量比较大的情况下， 整个系统的工程造价会比较高。不利于推广使用。 将人工智能的相关理论和技术有效的融合到智能建筑系统中去，使集成后的系统具 有更高的智能，是智能建筑节能的发展趋势【6 ，7 ，8 1 。人工智能领域中的a g e n t 及多a g e n t 系统理论和技术的产生和发展为解决当前智能建筑所面临的问题提供了新的途径。同时， 与d c s 相比，m a s 在智能建筑中的应用更具优势。d c s 在智能建筑中的应用仅局限于 独立的子系统，如空调、供水等系统。系统中引入的p i d 、模糊控制等智能控制方法也 都是针对某个控制对象的，并没有做到全局优化，各控制对象之间没有实现协商工作， 智能程度不高，很难满足智能建筑的需要。而m a s 是一组a g e n t 的松散组合，各a g e n t 之间相互协同与服务，通过竞争或磋商等手段协调解决彼此之间的目标与行为矛盾和冲 突，能够将分散的各个系统联系起来共同解决问题 1 0 , 1 1 。 本课题主要是在讨论多a g e n t 在智能建筑中应用得的基础上，将w s n 技术引入并 有效应用到智能建筑中去，将分散在智能建筑中的空调、照明等子系统有机地集成在一 起构成完整的系统，在通讯上实现子系统之间的协调、交互，从另一个角度实现智能建 筑中各子系统的集成和优化管理，并通过w s n 的定位能力对楼宇中的人员进行跟踪定 位，使智能建筑系统在现有产品的基础上具有人性化的功能，进一步提高智能化水平， 实现真正意义上的智能建筑。具体研究内容包括： ( 1 ) 熟悉基于多a g e n t 的智能建筑系统集成模型的体系结构，了解系统中各子系统 a g e n t 和各功能a g e n t 的内核模型，研究在相应子系统中a g e n t 之间如何进行通讯。 ( 2 ) 研究w s n 技术中的自组网，路由等协议及通讯模块的能源管理。研究如何将 w s n 技术与建筑物中多a g e n t 完美的结合。 ( 3 ) 研究建筑物内人员轨迹跟踪定位技术，了解目前跟踪定位技术所采用的各种方法 ( r s s ，t o a ，a o a ) 和算法( 最小二乘法) 。最终提出一种适合建筑物内使用的人员跟踪定 位技术。 1 3 课题的主要研究内容 本课题以解决分布式复杂系统问题的多a g e n t 系统理论和技术为指导思想，以现代 山东建筑大学硕士学位论文 通讯的w s n 技术为基础，以智能建筑中人员管理、空调、照明等子系统的集成和管理 为背景，探讨w s n 技术在多a g e n t 系统中人员定位及a g e n t 之间通讯的一系列关键技 术问题。需要解决的关键技术问题包括t ( 1 ) 各功能a g e n t 之间的通信与交互技术 协调与协作、通信与交互是多a g e n t 系统的基本特征，其团队效应必须通过它们来 实现。有效的通信是m a s 协调的基础，合适的协调是系统整体性能的技术手段。而a g e n t 间的交互与协作是m a s 的研究重点。通过协作，不仅可提高单个a g e n t 及m a s 的整体 性能，还可增强a g e n t 与m a s 解决问题的能力，拓宽其应用。完善的交互机制为m a s 中a g e n t 间协作的实现提供了基础。通过研究，解决不同a g e n t 之间通讯的标准化问题， 使得可以通过注册和注销来对系统增加和删除智能a g e n t 单元，包括a g e n t 到传感器和 a g e n t 到a g e n t 连接等，保证系统实现有效的信息交互和协作【1 3 】。 ( 2 ) w s n 技术的m a c 层协议以及网络层协议设计 m a c 层协议基于时分复用的原理，节点通过给邻居发送预约信息来控制信道判 断下一时隙处于接收、发送或睡眠状态，减少空闲侦听，从而节省能量。网络中的节点 建立三跳邻居列表，避免了潜在的冲突。同时设计了一种基于能量均衡数据汇聚路由机 制，在实现基于动态树拓扑模型的数据收集的同时，平衡了能量消耗和时延。该机制能 够以很低的开销简捷快速地组织网络中所有的节点，而且对网络拓扑变化有很好的健壮 性，实现降低能耗，均衡所有节点能量，减小数据汇聚时延，同时达到很好地延长网络 生命期的目标。 ( 3 ) r s s 定位技术的实际问题 场强定位方法算法虽然比较简单，但由于在实际中该算法应用的环境并非自由空间， 接收场强受多径效应的影响，很难得到一个准确反映信道特性的衰落模型。对于实际的 应用环境来说，建筑物内无线传输受工作频率、导体、墙壁反射、走廊截面( 包括形状尺 寸) 、拐弯、分支、等影响。 4 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章基于m a s 的智能建筑系统的模型及w s n 的技术特点 2 1 传统智能建筑系统的组成 传统的智能建筑系统由一系列具有不同控制功能的子系统构成，每个子系统都独立 的完成一定的任务，通过它们可以动态掌握各种设备的运转状态、事故状态、能耗、负 荷的变动等情况，从而适时采取相应处理措施，以达到正常工作和节能的目的。这些子 系统主要包括【4 】： ( 1 ) 楼宇自动化系统( b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t 伽卜- b a s ) ，该系统的功能是调节、 控制建筑内的各种设旌，包括变配电、照明、通风、空调、电梯、给排水、消防、安保、 能源管理等，检测显示其运行参数，监视、控制其运行状态，根据外界条件、环境因素、 负载变化情况自动调节各种设备，使其始终运行于最佳状态；自动监测并处理诸如停电、 火灾、地震等意外事件；自动实现对电力、供热、供水等能源的使用、调节与管理，从 而保障工作或居住环境既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人【1 4 1 。 楼宇自动化系统按建筑设备和设施的功能又可分为十个子系统【1 5 】，即：变配电系统 ( 包括高压配电、变电、低压配电、应急发电等) 、照明系统( 包括工作照明、事故照明、 特殊照明等) 、通风空调系统( 包括空调及冷热源、通风环境监测与控制等) 、电梯控制 系统( 包括客用电梯、货用电梯、电动扶梯等) 、安保系统( 包括门禁系统、闭路电视监 控系统、防盗报警系统和防火报警系统) 、消防系统、给排水系统、停车库自动化系统、 公共广播系统和多媒体音像系统。 ( 2 ) 办公自动化系统( o 伍c ea u t o m a t i o ns y s t e m o a s ) ，该系统由高性能的传真 机、各种终端、微机、文字处理机、主计算机、声像设备等现代化办公设备与相应的软 件组成，主要用于文字处理、办公服务、公文文档等综合管理，以及电子票务、电子邮 件、电视会议及电子数据交换等。 ( 3 ) 通信自动化系统( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t 踟卜_ c a s ) ，该系统是保证 建筑物内语音、数据、图像传输的基础上，同时与外部通信网( 如电话网、数据网、计 算机网、卫星以及广电网) 相连，与世界各地互通信息的系统。c a s 按功能又可分为八 个子系统，即：固定电话通信系统、声讯服务通信系统、无线通信系统、卫星通信系统、 多媒体通信系统、视讯服务系统、有线电视系统和计算机通信网络系纠1 6 】。 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 无线传感器网络技术 2 2 1w s n 技术特点 1 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，数量巨大，可能达到几百、 几千，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器的数量与用 户数量比通常也非常大。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。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更 大的信噪比：通过分布式处理大量的采集信息能够提高检测的精确度，降低对单个节点 传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能 增大覆盖的监测区域，减少洞穴和盲区。 2 自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器 节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传 感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议 自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 3 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为以下因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器 节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时继； 传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有一定的移动性；新节点的 加入。因此，这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化具有动态的系统可重构性。 4 节点能源有限 一般传感器节点体积微小，通常采用电池供电，电源能量极其有限，电源能量约束是 阻碍传感器网络应用的严重问题，网络中的传感器节点由于电源能量的原因而容易失效。 传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上，而且无线通信模块在空闲状态和接 收状态的能量消耗接近。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的 首要挑战。 5 节点通信和计算能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带 6 山东建筑大学硕士学位论文 的处理器能力比较弱，存储器容量小。另外，传感器网络的通信带宽比较窄，通信覆盖 范围只有几米一几百米，且更多地受到高山、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，通信中断频繁，容易导致通信失败。因此要求无线传感器网络的通 信协议简单高效，健壮可靠。 2 2 2w s n 协议栈 应用层 网络层 链路控制层 物理层 图2 - 1 协议栈结构图 图2 1 为一个基本的协议栈模型。这个协议栈包括物理层、网络层、传输层和应用层， 与互联网协议框架相对应。另外协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理 平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的 传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。网络协议各层功能如下： 1 物理层 物理层协议是无线传感器网络协议栈中的最底层，提供简单但健壮的信号调制和无 线收发技术，负责频率选择、生成载波、信号探测、对数据加密和调制解调等问题。 物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的底层协议，对数据链路层屏蔽了物理 传输介质，为两个网络物理设备之间提供透明的比特流传输。可以说物理层协议软件就 是通信硬件的驱动程序。 2 数据链路层 在物理层参数确定后，介质访问控制方法( m a c ) 是数据链路层需要重点考虑的问题。 7 山东建筑大学硕士学位论文 传统网络的m a c 协议的主要目标是在用户公平使用信道资源的前提下，提高吞吐量和 带宽利用率。而无线传感器网络系统的特点给m a c 协议提出了一些新要求，包括低能 耗、低通信延迟和动态可扩展性等。 3 网络层 网络层路由协议的功能是在网络中任意需要通信的两点之间建立并维护数据传输路 径。传统无线网络的路由协议设计以避免网络阻塞、保持网络的连通性和提高高质量网 络服务为主要目标。而无线传感器网络由于各节点资源严格受限，则要求路由协议要尽 量简单并能够在网络整体上达到节能，延长网络的生存时间。同时频繁变化的网络拓扑 结构要求路由算法在建立路径时尽量使用本地信息。网络中存在的大量冗余信息要求中 间节点在转发信息时要剔除冗余，降低网络负载。 4 应用层协议 无线传感器网络都是和具体应用相关的，一种不同的应用，就有一种不同的应用层 算法，如时间同步、节点定位、数据查询、网络安全等。由于传感器节点的能力有限， 设计通用的应用层协议是不现实，因此这将和实际应用相关。 2 2 3w s n 应用 军事应用 w s n 的军事应用十分广泛，其中包含： 在友军的人员、装备及军火上加装传感器以供识别。监控战场上的状态。将传感器 投掷于敌军阵营中。在被敌军破坏前，希望能完成侦察任务。当智能型军火的导引器。 侦察及判定核武器、生物和化学攻击。 环境应用 w s n 也能在环境上大量应用，例如：将几百万个s e n s o r 布署于森林中，以对任何火 灾地点的判定提供最快的讯息。w s n 能提供遭受化学污染的位置及检定出何种化学污染， 不需要人亲自冒险进入受污染区。 水灾判定 监测空气污染、水污染及土壤污染。生态上的监控，例如生物栖息地与觅食习惯。 健康应用 山东建筑大学硕士学位论文 将w $ 1 1 布署于房子里及人的身上，而达到远距监测人体各项健康数据及人的各项行 为的目的。传感器可放在病人或药师身上，如此错误的药物处方或是病人拿错药的机会 可以降低。 家庭应用 将含有执行器的w s n 布署于家中，可以让人们在远方或在家里经由因特网作许多家 事。 其它商业应用 无线传感器网络也有许多商业上的应用，例如：工厂自动化的生产在线的品管控制， 利用传感器去侦测不合格产品。传统办公室的空调系统是中央控制，因此有些地方可能 很冷，有些地方却很热。使用传感器网络，各个角落的传感器可以知道当时的环境状况， 进而要求控制当时的气温或空气流动。监控车辆或商品的失窃。车辆的追踪和交通流量 的控制。 2 3 采用w s n 技术的m a s 智能建筑系统的结构及功能 2 3 1 系统的组织结构 i 【以二 x 之土， 1 书 图2 - 2 多a g e n t 的系统结构图 图2 2 ，表明了在建筑物内多a g e n t 系统的结构。在这个系统中，环境a g e n t ( 队， e n v i r o n m e n ta g e n t ) ，房间a g e n t ( r a ，r o o ma g e n t ) ，个人a g e n t ( p a ，p e r s o n a la g e n t ) 之间通过无线传感器网络( w s n ) 进行通讯。 9 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 个人a g e n t ( p a ) 个人a g e n t 是一种由在建筑物内人员携带的一种有源r f i d 卡。每个p a 都有自己独 立的i d 号码。当携带该卡的人员在建筑物内走动时，有源卡( r f i d ) 不断向空间中发送 携带自己i d 号的无线电波。这些电波会被e a 收集，并报告给r a ，r a 依此知道建筑物内 人员的分布情况。 2 2 环境a g e n t ( 队) 环境a g e n t 通过自身的传感器来获得周围环境的信息，这些信息将会上报给r a 。这 些传感器涉及气体，温度，光照及一些开关量的输入和输出。另外，e a 也作为w s n 中的 一个无线节点，也担当搜集p a 信息和作为无线路由的任务。 2 3 房间a g e n t ( r a ) 房间a g e n t 在每一个确定的房间内的a g e n t 系统中处于控制的中心地位，同时在这 个房间内的无线网络中也处于主节点的位置。它通过收集其无线网络覆盖范围内的e a 的信息，来获得环境信息。并依据这些信息，通过一系列的控制策略调整房间的环境参 数( 照明，空调等等) 。 个人a g e n t 是一个射频卡，里面写有携带它的人员身份。个人a g e n t 同样采用2 4 5 5 芯片设计，但是它不作为这个无线网络中的一个节点。p a 仅仅发送一个有i d 广播帧， 这个广播帧，可以被无线网络中的任何节点收到( e a 或者r a ) ，最终r a 根据获得该广 播帧的节点的i d 号，来确定人员的位置。 环境a g e n t 集成了温度传感器、湿度传感器、热释电红外传感器、光照度传感器和 烟雾传感器，以上传感器将检测到的环境信息转化为电信号输入到微控制器中，其中温 度传感器用来检测房间的温度情况，湿度传感器用来检测房间的湿度，热释电红外传感 器用来检测人员进出房间的情况，光照度传感器用来检测室内和室外的光照强度，烟雾 传感器通过检测烟雾的浓度来实现火灾防范； 同时环境a g e n t 还有用于无线通信的收发设备即射频收发器和接收房间内电气设备 开关状态的输入调理电路。 2 3 2 采用w s n 技术的m a s 智能建筑系统的实现功能 房间r a 通过无线网络和房间内的环境a g e n t 、相邻房间的环境a g e n t 以及r a 之间 进行通信，来获取房间内以及周围的环境参数，如房间的温度和湿度，光照度以及房间 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 内是否有人等信息。房间r a 把从各个a g e n t 收集来的信息进行融合，产生a g e n t 内部能 接受和理解的表现形式；然后房间a g e n t 根据自己的意图，对信息进行相应的处理形成 具体的规划，并作用于执行器来控制房间内的用电设备。根据用电设备控制方式的不同， 我们把房间a g e n t 的输出电路分为模拟量输出、数字量输出和开关量输出。和环境a g e n t 一样，房间a g e n t 和周围的a g e n t 通信的时候也是通过无线网络来实现的；不同的是房 间a g e n t 除了有无线通信的方式外，它还可以通过以太网与管理a g e n t 之间进行通信。 房间a g e n t 把所在房间设备的控制策略与房间的环境参数等信息上传给管理a g e n t ，如 果房间a g e n t 需要其他房间的环境信息时，而通过无线网络又无法得到所需要的信息时， 这时房间a g e n t 就会通过以太网向管理a g e n t 询问所需要的信息。 管理a g e n t 实际上就是一个拥有专用能源管理软件电脑，它作为整个建筑的信息管 理中心，将每个房间的人员存在情况和设备的运行情况保存到实时数据库中，并可以根 据优化算法对建筑内的各个子系统如照明系统、空调系统等等进行节能优化以实现最大 的节约能源。 2 4 本章小结 本章首先阐述了无线传感器网络的网络结构及其特点并大该介绍了无线网络在多 a g e n t 系统中的结构与功能。由于本文主要讨论的是无线传感器网络协议栈，因此还简 单介绍了传感器网络协议栈结构，以及各协议层功能和相互关系。本章作为无线传感器 网络知识概述，是下面章节内容的铺垫。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章无线传感器网络平台的设计与实现 3 1 微控制的选型与整体模块设计 3 1 1 无线节点的c p o 选型及介绍 朋1 m a g a 系列单片机是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先 进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，据吞吐率高达1m i p s m h z ，从而可以缓减系 统在功耗和处理速度之间的矛盾。a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。 所有的寄存器都直接与算逻单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同 时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控 制器最高至1 0 倍的数据吞吐率。 a t m e g a 6 4 技术特点： 一工作于1 6m h z 时性能高达1 6m i p s 一只需两个时钟周期的硬件乘法器 一6 4 k 字节的系统内可编程f l a s h 一2 k 与三节的e e p r o m 一4 k 字节片内s r a m 外设特点 一两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器 一两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展1 6 位定时器计数器 一具有独立振荡器的实时计数器r t c 一面向字节的两线接口 一片内模拟比较器 一片内经过标定的r c 振荡器 一6 种睡眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、s t a n d b y 模式 a t m e g a 6 4 的整体结构如图3 1 所示，a t m e g a 6 4 通过s p i 接口与无线射频芯片进行通 讯，控制收发数据。除此之外，还将a v r 丰富的接口扩张出来，留有串口，i i c ，普通 i o 和a d ，d a 等端口，方便以后系统的扩展使用。 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 312 网关的c p i j 选型与介绍 圜3 一1 k t m e g a 6 4 结构框目 r a 作为整个平台中的主要力量，具有多种通信方式及丰富的i o 接口，因此r a 的 硬件设计采用了f r e e s c a l e 的1 6 位处理器9 s 1 2n e 6 4 。其中9 s 1 2n e 6 4 主要负责系统的 调度和| 三【太网等通信任务，由于r a 设计的资源比较丰富，因此在应用中也可以分担执行 a g e n t 的部分任务，比如由于9 s 1 2n e 6 4 内部有a d 转换器，因此可以接收现场的模拟 信号。 m c 9 s 1 2 n e 6 4 是f r e e s c a l e 公司生产的基于h c s l 2 c p u 内核的1 6 位单片机，内部集 成了以太网控制模块e m a c 和1 0 m 1 0 0 m 的以太网物理层驰动模块e p h y 。利用它可以 方便地实现单器件以太网连接，构成一个完整的终端节点。m c 9 s 1 2 n e 6 4 的内部功能模 块框图如图3 - 2 所示： 山末建筑大学硕士学位论文 圈3 - 2m c g s l 2 n e 6 4 内部功能模璁框蹈 圈3 3m c 9 s i2 n e 6 4 电路原理圈 m c 9 s 1 2 n e 6 4 采用m o t o r o l a 第三代f l a s h 容量为6 4 k b ，具有在线编程的能力和保密 山东建筑大学硕士学位论文 机制，无需外加编程电压，最短整体擦除时间仅为l o o m s ，5 1 2 字节擦除时间仅2 0 m s 。 内部总线速率最高可达2 5 m h z ，其串行接口丰富，时钟发生器模块内设p l l ，内部时钟 可软件调节。具体的特点如下：8 k b 的r a m ，1 个8 路1 0 位a i d ，1 个4 路1 6 位定时 器，2 个s c i ，1 个s p i ，1 个i i c 等。3 3 v 工作电压下工作频率可达2 5 m h z 或1 0 m i p s ， 具有优化的c 语言体系结构，可以生成十分简洁的代码。带有片上调试接口，可以进行 实时在线仿真和调试，而无需仿真器。图3 3 为9 s 1 2 电路图 3 2 无线传输模块的设计与实现 3 2 1 无线收发芯片的选择 无线射频收发芯片的种类和数量繁多，其工作的频段也有4 3 3 m t t z ，9 6 8 姗z 以及 2 4 g h z 等。选用理想的无线收发芯片可以减少开发难度，缩短开发周期，降低成本，更 快的将产品推向市场。选择2 4 g h z 的无线收发芯片时也应考虑以下几个因素： 收发芯片所需的外围元件数量。芯片外围元件数量直接决定产品成本，因此应该选 择外围元件少的收发芯片。有些芯片比较便宜，可是外围元件需使用很多昂贵的元件， 如声表滤波器等：还有的芯片对天线的要求高，也会增加成本。 发射功率。在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的 产品。 收发芯片的封装和管脚数。较少的管脚以及较小的封装，有利于减少印刷电路板( p c b ) 的面积，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产等。 综合考虑上述各个因素，决定使用盛达公司的无线收发芯片u m 2 4 5 5 。 3 2 2 无线芯片u m 2 4 5 5 3 2 2 1u m 2 4 5 5 的性能特点 u m 2 4 5 5 的主要特征 1 支持全频带的2 4 g h zi s m 频带操作 2 开阔地上可达10 0 m 的传输距离 3 休眠电流：3 u a 山东建筑大学硕士学位论文 4 发逍接收模式电流：3 6 3 0 m a 5 r f 发送电波功率：1 0 d b m 6 接收机灵敏度：1 0 1 d b m 7 采用直接序列展频技术( d s s s ) 8 采用o q p s k 数字调变方式 9 搭载两个超大数据收发缓存器。每个12 8 b y t e 1 0 板上自带c h i p 天线，不须另加天线 1 1 原厂提供免费的驱动程序 1 2 支持1 对8 的星状网络 3 2 2 2u m 2 4 5 5 芯片内部结构 图3 - 42 4 5 5 芯片内部框图 3 2 2 3u m 2 4 5 5 芯片典型应用 u m 2 4 5 5 只需要极少的外围元器件，其典型应用电路如图3 5 所示。它的外围电路包 括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。 芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需 外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例 如当采用品振时其电容值约为。射频输入输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻 抗，使其输入输出阻抗为。同时为芯片内部的及提供直流偏置。可以通过s p i 总线设置 芯片的工作模式并实现读写缓存数据读写状态寄存器等。通过控制s p i 管脚接口的状态 可设置发射接收缓存器。注意在总线接口上进行的地址和数据传输大多是优先的。片内 1 6 山东建筑大学硕士学位论文 有个比特状态设置寄存嚣，在每个寄存器的读写周期中，总线上共有比特数据，分别为 比特寄存嚣选择位寄存器，比特读写控制位写，读，比特地址选择位、比特数据位。在 数据传输过程中必须始终保持低电平。另外，通过管脚状态的设置可以控制清除通道估 计通过管脚状态的设置可以控制时钟定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应 管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理配置工作模式 3 224u m 2 4 5 5 芯片工作配置 囤3 _ 5 的一种典型应用 从u m 2 4 5 5 的资料中我们可以得知，u m 2 4 5 5 是一款很强大的芯片。数据的收发是由 2 4 5 5 内部的状态机自动完成的。而且具有c s 姒一c a 功能，可以有效解决发送数据包出现 的空中电波碰撞情况。具有自动a c k 功能和自动重发机制，保证数据的正确传输。通过 读取r s s i 寄存器，可以获得信号的质量信息。 山东建筑大学硕士学位论文 1 s 一州g ) f 1 r s t ，嘲，翻! s e r 内静处理曩和m a c 乞s p i 州b 8 r e 6 五呶8 e n e r g yd 嘲枷l 印 m o d e d e t e c t 抽- b m l d 毫蜒，谢 3 s p i 州r s 捌l h c c 0 x 6 0 ) ；e dt h r e s h ( d df