（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络温度采集系统的设计与实现.pdf

t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e m at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y p e n gz h o u ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg u o k u t e n g j u n e2 0 1 1 叫766 698m川-_ y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博顾 士学位论文：玉缉佳蹙墨匦终星廑丞塞丕统的逡盐皇塞理：。除论文中已经注明引用的内 容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律 责任由本人承担。 学位论文作者签名：旺 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志 社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物 形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密西( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：l导师签名： 砌日阻 日期d 。f 降 月日 中文 摘 摘要 西 文 传感器技术和通信技术不断发展，赋予了无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k , 简称w s n ) 广阔的应用空间。w s n 在军事监控，地震气候预测、深水 及外层空间探索等许多方面有着广泛的应用。本论文研究的课题是基于无线传感 器网络的温度采集系统，该系统可以用于小区室内供暖状况的远程监控，为供暖 管理部门和供暖单位提供用户供暖信息，从而可以及时做出相应调整，达到节省 人力和能源的目的，具有非常广阔的应用前景和研究价值。 本文通过分析温度信息采集系统工作的网络环境，设计了一种典型的多层次 无线传感器网络温度采集系统。该系统主要分为三个层次：中心计算机和监控软 件构成的温度采集监控中心；主数据采集器构成的主网；路由节点、数据采集节 点构成的子网。各层次之间协同工作完成温度数据采集和监控的任务。 温度信息采集系统在总体设计方案上划分为三个部分，分别为：无线传感器 网络节点、无线传感器网络通信协议、温度数据监控软件。其中硬件电路设计包 括基于c c l l 0 1 的无线通信模块设计、d s l 8 2 0 数字温度传感器模块设计、串口通 信模块设计、供电模块设计和硬件地址分配模块设计。软件设计包括：路由协议 的设计、网络通信数据帧格式设计、以太网通讯协议设计、传感器节点的低功耗 设计、串口通信数据帧格式设计、主要功能模块软件设计、网络中各节点软件设 计和系统的监控软件设计。 通过对传感器模块硬件电路、无线收发模块硬件电路以及整个系统的测试， 验证了本文设计的温度信息采集系统能够实现对温度信息的采集管理，证明了路 由协议设计的合理性，到达了预期的设计目标，为无线传感器网络技术在温度采 集领域的进一步应用提供了参考。 关键字：无线传感器网络；温度采集；传感器节点；路由策略；监控 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g ya n dt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a saw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nm a n ya s p e c t s w s nw o r k si n m i l i t a r ym o n i t o r i n g ，t h ee a r t h q u a k ea n dc l i m a t i cp r e d i c t i o n , d e e pw a t e ra n dt h eo u t e r s p a c ee x p l o r a t i o n b a s e do naw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e m p e r a t u r eg a t h e r i n gs y s t e m ，i t i su s e dt om o n i t o rr e s i d e n t s i n d o o rh e a t i n gc o n d i t i o nf o ral o n g - d i s t a n c e ，p r o v i d e h e a t i n gi n f o r m a t i o nf o rb o t hh e a t i n gs u p p l yd e p a r t m e n ta n dm a n a g e m e n td e p a r t m e n t ，i n o r d e rt om a k ep r o p e ra d j u s t m e n ta n da i mt os a v em a n p o w e ra n de n e r g y b ya n a l y z i n gt h en e t w o r ke n v i r o n m e n to ft e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o na e q u i s i t i o n s y s t e m ，id e s i g n e dat y p i c a lm u l t i l e v e ln e t w o r km o d e l t h i ss y s t e mi sm a i n l yd i v i d e d i n t ot h r e el e v e l s ：t e m p e r a t u r eg a t h e r i n gm o n i t o r i n gc e n t e rw h i c hi sc o n s t i t u t e db ya c e n t r a lc o m p u t e ra n ds o m em o n i t o r i n gs o f t w a r e ；m a i nn e t w o r kc o n s t r u c t e db yp r i m e d a t aa e q u i s i t i o na n ds u b n e t w o r kc o n s t i t u t e db yr o u t en o d ea n dd a t aa c q u i s i t i o nn o d e ； c o o p e r a t i o nt oa c c o m p l i s ht e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n g t h et e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m so v e r a l ld e s i g nc a l lb ed i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s ，i n c l u d i n g ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，t e m p e r a t u r ed a t am o n i t o r i n gs o f t w a r e h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g ni n c l u d e st h em o d u l eb a s e do nc c 1101w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d s18 2 0d i g i t t e m p e r a t u r es e n s o rm o d u l e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l ea n d h a r d w a r ea d d r e s sa l l o c a t i o nm o d u l e t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sr o u t ep r o t o c o ld e s i g n ， n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nd a t af l a m e sf o r md e s i g n ，e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l d e s i g n ，s e n s o rn o d el o wp o w e rl o s sd e s i g n ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nd a t af r a m e sf o r m d e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g no fm a j o rf u n c t i o nm o d u l e ，s o f t w a r ed e s i g no fv a r i o u sn o d e si n t h en e t w o r ka n ds o f t w a r ed e s i g nf o rm o n i t o r i n g t h r o u g ht e x t i n ga n dc o n f i r m i n gt h ew h o l es y s t e m ，e s p e c i a l l yt h eh a r d w a r ec i r c u i t o ft h es e n s o rm o d u l ea n dt h ew i r e l e s st r a n s m i ta n dr e c e i v em o d u l e ，t h et e m p e r a t u r e i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n e di nt h i sa r t i c l e a c c o m p l i s h e sg a t h e r i n g t e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o no ft h es e n s o rn o d e , p r o v e st h er e a s o n a b i l i t yo ft h er o u t e p r o t o c o l s ，a r r i v e sa tt h ea n t i c i p a t e do b j e c t i v e ，a n dp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rt h ef u r t h e r a p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt e m p e r a t u r eg a t h e r i n g 英文摘要 k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；t e m p e r a t u r eg a t h e r i n g ；s e n s o rn o d e ； r o u t es t r a t e g y ；m o n i t o r i n g 目录 目录 第1 章绪论：1 1 1 课题研究背景：1 1 1 1 无线供暖温度采集系统背景l 1 1 2 无线传感器网络背景1 1 2 无线传感器网络研究状况2 1 3 课题研究意义4 1 4 论文的结构4 第2 章无线传感器网络概述及几种短距离通信技术的特性分析7 2 1 无线传感器网络概述7 2 1 1 无线传感器网络结构7 2 1 2 无线传感器网络技术的特点8 2 1 3 无线传感器网络技术的应用9 2 1 4 无线传感器网络的几种关键技术1 0 2 2 几种短距离通信技术特性分析1 0 第3 章无线传感器网温度采集系统需求分析与总体设计1 3 3 1 系统需求分析1 3 3 2 系统的功能模块1 3 3 3 总体方案1 4 3 3 1 系统总体框架1 4 3 3 2 方案实现技术分析1 5 第4 章无线传感器网温度采集系统硬件设计1 7 4 1 系统硬件模块的总体框架1 7 4 2 模块的组成和功能1 7 4 3 硬件电路的设计原则1 8 4 4 系统硬件结构及外围电路设计18 4 4 1 微处理器的选型1 8 4 4 2 温度采集模块选择与电路连接1 9 4 4 3 无线收发模块的选择与电路连接2 1 4 4 4 供电模块电路2 4 4 4 5 主数据采集器的串口电路2 5 4 4 6 地址设置模块设计一2 5 4 5 系统硬件设计的问题分析2 5 第5 章无线传感器网温度采集系统软件设计与测试2 7 5 1 系统总体软件设计2 7 5 1 1 开发工具与环境一2 7 5 1 2 系统的总体设计方案2 8 5 2 无线传感器网络通信协议的设计与实现2 9 5 2 1 路由协议设计与实现2 9 5 2 2 网络节点通信数据帧格式设计3 4 5 2 3 串口通信协议设计3 6 5 2 4 以太网通信协议设计3 8 5 3 传感器节点软件设计与实现3 9 5 3 1 传感器节点软件整体设计3 9 5 3 2 温度采集模块软件实现4 0 5 3 3 无线收发模块软件实现4 2 5 3 4 无线传感器节点的低功耗设计4 3 5 4 主数据采集器软件设计与实现4 4 5 5 无线传感器网温度采集系统管理平台设计与实现4 6 5 5 1 管理平台方案设计4 6 5 5 2 管理平台流程设计4 6 5 5 3 管理平台部分实现4 7 5 5 4 管理平台界面4 8 5 6 系统测试与应用程序调试4 9 5 6 1 传感器模块和无线收发模块硬件测试4 9 5 6 2 串口通信测试5 0 5 6 3 系统整体测试51 第6 章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 5 读学位期间公开发表论文5 7 致谢5 9 研究生履历6 1 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 无线供暖温度采集系统背景 长期以来，大部分供暖单位对用户供暖信息采集都采用人工作业，即当住户反映问 题后，派人到各住户家中人工采集温度信息，这种人工采集方式主要有以下缺陷： ( 1 ) 难入户，大多数住户供暖出现问题，供暖单位采集供暖信息只能在早、晚住户 休息时间进行，采集成功率很低。 ( 2 ) 工作强度大，因为多数用户住在较高楼层，因此人工温度采集变成了劳动强度 很大的工作。 ( 3 ) 对住户供暖信息掌握不清，大多数供暖单位对所在区域内的供暖状况并不了解， 部分住户也无法上报给供暖单位准确的供暖信息。 ( 4 ) 供暖质量问题引发纠纷，当供电单位在供暖质量上无法达到用户的满意时，常 常会引起双方的供暖纠纷。 因此，无线供暖温度采集系统的研究和开发已经成为一种必然。供暖单位可以借助 这种系统对用户供暖信息进行实时采集，节省人力劳动强度和时间。 1 1 2 无线传感器网络背景 随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技 术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行 数据采集和通信。无线通信网络与传统的移动通信、无线局域网通信技术相比有着低成 本、低功耗、节能、安全、环保和适合任何场合等优势。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k w s n ) 【1 】随之被提出，这种网络是以无基础设施的移动网络( 移动a d h o c 网络) 【2 】的方式构成的。将分布各处的传感器加上了无线连接与传输能力，使传感器间能够彼 此协作，实现数据收集、处理和转发传输的一种技术。 无线传感器网络【3 】融合了传感器、嵌入式、网络与通信、分布式信息处理、无线传 输以及软件编程等多种技术。每个节点既是通信的发起者，同时也是路由器。而且都具 有动态搜索网络、发现和维护路由、定位和诊断、恢复链接的能力。用户可以通过终端 来观测和管理整个网络的运行状况，并对网络中的各个节点进行监控和管理。各个节点 第1 章绪论 通过各自独特的组织方式形成一个网络，进行分布式协调，其中各个节点的地位是平等 的，而且没有严格的控制中心。无线通信中传输数据所需要的能量消耗与有效传输半径 有关，大约是有效传输半径2 4 次方【4 】。为了减少节点的能量消耗，同时为了延长网络 使用寿命，可以减少有效传输的半径，降低单节点的覆盖面积。 无线传感器网络【5 】被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方 式产生深远影响。美国技术评论杂志( ( ( t e c h n o l o g yr e v i e w ) ) ) 评出对人类未来生活 产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。美国军方是最早开始运用无线 传感器网络技术的，当时采用在海洋中布置大量的传感器，来实时监测敌方潜艇行动。 当时由于技术条件有限，无线传感器网络只能在军方的一些重要项目中应用。随着近年 来微处理器、无线通信、m e m s 等技术逐步走向成熟，无线传感器网络的应用领域 6 ，7 】 也扩展了很多，主要包括：航天领域中飞船、飞机的飞行状态及飞行器各系统工作情况 的数据的监控、农业领域的土壤和家禽养殖环境的监控、建筑领域的楼宇温度采集、仓 储内的环境检测、医疗应用于对人体血压、脉搏、体温的检测、环保建筑和环境温湿度 的监测，以及工业领域的排放检测等等。可以预计，如果它们适应最新的互联网协议( i e ) 软件堆栈来实现超低功耗的要求，就有可能开创一个无处不在的计算时代。因此现在国 内外研究机构都对无线传感器网络的研究非常重视。 1 2 无线传感器网络研究状况 虽然美国在很早就开始了对无线传感器网络的研究，但在各大学和研究所开展这方 面的研究也就是近几年，美国政府动用了巨资，给予了这项研究巨大的支持。 美国b a e 系统公司开发的“狼群 地面无线传感器网络系统【8 】，这种无线传感器电 磁信号监测网络可以实现多功能电子作战。可以用它来监听敌方的雷达和通信系统，同 时干扰敌方发射机或是用算法包来渗透敌方的计算机。这种技术为美国军方提供了军事 防御情况的信息，提高了美军的电子战能力。 美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，该计划把先进的信息技术、通 信技术、传感器技术、控制技术集成在一起，建立一个实时、高效、全方位的交通运输 管理系统，有效地进行地面交通管理【9 】。该系统通过无线传感器网络进行交通网络管理， 可以对车速、车距等进行自动监视与控制，同时实时地提供道路的拥堵信息和导航信息， 实现不停车收费，降低车辆的通行时间。该系统还可以与车上的传感器进行交互，用以 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 监视汽车的运行状况，对汽车潜在的威胁发出警告，在发生事故时自动与交通事故处理 中心联系。并可实时监视汽车所处位置，对汽车进行远程监控等。 传感器网计划是由来自n a s a ( 美国航空航天局) 喷气推进实验室的d e l i n 发起的， 主要是针对新一代无线传感器网络的开发【1 0 1 。典型的无线传感器网络是用传感器来检测 环境变化并将所得结果返回给外部控制系统，但这种传感器网技术不同，它可以通过网 络共享数据，并使用嵌入式智能芯片来直接对检测到的变化做出反应。目前为止传感器 网只是以监控角色进行部署，不过其技术的核心概念已被证明可靠。现在科研小组正在 进行实验，将传感器网络的功能从单纯监控扩展到对周围环境做出反应并进行控制。传 感器网的设计可以把对许多环境的监控监测和控制扩展到许多领域，包括农业和生态 学，安全和国土防御，也包括太空探索。 近几年，无线传感器网络项目方面的论文频繁出现于美国的一些知名大学( 的文献 中) 。如：伯克利大学研制的灵巧尘埃( t h e s m a r t d u s t ) ，它是将传感器的大小降低 到一个立方毫米，从而使传感器颗粒可以悬浮在空中。美国洛克维尔( w i r e l e s ss e n s i n g n e t w o r kr o c k w e l l ) 研究中心研制的w s n 无线传感器网络，加利福尼亚大学洛杉矶分 。： 校研制的w i n s 无线集成网络传感器( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 1 1 1 。 我国是一个研究传统信息技术领域较晚的国家，因此失去了左右国际标准的机会。 但是无线传感器网络技术是一门新兴技术，我国与国际水平的差距也并不大，因此，对 这项前沿技术的研发，将给我国的科学进步和社会经济发展带来巨大好处。i s o i e c j t c l 委员会在2 0 0 7 年成立了一个关于无线传感网标准化的工作组。其秘书处设在中科院上 海微系统所。该所的成员单位不仅共同参与了我国传感器网络标准的制定，同时还是国 际标准化组织i s o i e c 设立的传感网标准化工作组的一员。中科院嘉兴中心微系统所分 中心研制开发的双向t d d o f d m 多用户高速移动中程多媒体传感器网络技术目前已 在上海市得到了广泛的应用，从而改变了传统的基于c o f d m 的单向单用户移动视频 传输的局面。现在上海市共用1 8 个基站，用于图像、语音、传感器数据等的高分辨率 传输，很大程度上提高了上海市公安局应急指挥的能力。在“5 1 2 汶川地震灾害发生 后，当地通讯系统几乎完全瘫痪时，中科院微系统所就是运用了无线传感网技术，在没 有固定网和移动网的情况下实现独立工作，使指挥所能够及时了解灾情和救灾现场的状 况，极大地提高了一线救灾单位的统筹沟通效率、信息获取速度和对外联络宣传的效果。 随着国际形势的需要，国内的大学也展开了关于无线传感器网络技术的研究与开 气 第1 章绪论 发，像清华大学、北京邮电大学、国防科技大学，哈尔滨工业大学与西北工业大学等率 先开始了该技术的研发。现如今大多数的理工类院校开展了相关的研究工作。大连海事 大学和北方重工集团在2 0 0 9 年创建了交通与重大装备物联网工程技术研究中心，进行 有关物联网技术的研究。 目前，在国防军事、环境监测、交通运输管理、医疗、工商、抗灾抢险、反恐等领 域，这项技术的研究正在蓬勃发展。可以预见，在不远的将来无线传感器网络技术会成 为人们生活的一部分，无处不在发挥其作用。 1 3 课题研究意义 长期以来，大部分供暖单位对用户供暖信息采集都采用人工作业，即当住户反映问 题后，派人到各住户家中人工采集温度信息，这种人工采集方式存在着入户难、工作强 度大、对住户供暖信息掌握不清等缺陷。即使是现有的室内温度采集系统也同样存在着 很多问题，主要有：使用不同物理机制的传感器，容易造成监控和采集的对象多而分散 的问题；在布线方式上采用有线的布线方式，在严重限制节点灵活性的同时也增加了运 营成本和功耗；无法及时的为供暖单位提供供暖信息。因此当务之急便是推出一种无线 网络室内温度采集系统，对现有的室内温度采集系统进行改造，以便能够适应系统网络 化需求。 本文在分析无线传感器网络特点及室内温度采集需求的前提下，以低耗能节点、简 化路由、低成本、降低数据延迟为目的，提出了一种多层次网络模型的无线传感器网络 温度采集系统。这为无线传感器网络技术在环境监测领域发挥作用提供了参考方法，为 研究和开发这一技术提供了有价值的数据和信息。 1 4 论文的结构 本文主要论述了基于无线传感器网络的温度采集系统的硬件设计及软件设计，分以 下章节进行介绍： 第1 章绪论。介绍课题产生的背景、传感器网络的发展现状以及课题研究意义， 并给出本文的章节安排。 第2 章无线传感器网络概述和对于几种短距离通信技术的特性分析。主要对无线 传感器网络进行概述，对其网络结构、特点、应用，和无线传感器网络的一些关键技术 做具体研究，同时比较分析了几种短距离通信技术的特性。 _ “ 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 第3 章无线传感器网络温度采集系统的总体构架方案。对系统进行需求分析，从 系统总体框架结构和技术路线两方面阐述系统的总体设计方案。 第4 章无线传感器网络温度采集系统硬件设计。对硬件设备的选择及外围电路进 行设计说明。 第5 章无线传感器网络温度采集系统软件的设计与实现。首先提出了总体软件设 计方案，然后在需求分析中对系统软件进行模块划分和设计，并对各模块进行了详细解 释说明。最后对各个模块和整个系统进行测试。 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 第2 章无线传感器网络概述及几种短距离通信技术的特性分析 2 1 无线传感器网络概述 2 1 1 无线传感器网络结构 无线传感器网络系统是指将传感器节点部署在监测区域内再通过无线通信形成一 个多跳的自组织的网络系统【1 2 】。通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) ，汇聚节点( s i n k n o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) ，其网络结构如图2 1 所示。传感器检测节点用多跳 中继的方式将数据传送到汇聚节点，然后再经过各种通信网络途径传送到管理节点。通 过用户交互的管理节点对整个传感器网络进行配置和对管理项进行管理，及时地收集信 息数据并发布监测任务【1 3 】。 无线传感器节点虽然应用了嵌入式技术，但是本身受到体积小、电池能量限制等因 素的制约，使得其处理、存储和通信能力都十分有限。所以传感器节点通常只与自己通 信范围内相邻节点进行数据交换。信息采集和路由是每个传感器的节点的两大主要功 能，具体就是先对本地信息进行收集和处理，再处理别的节点传过来的数据，同时与其 它节点协作完成某些指定任务【1 4 1 。 汇聚节点是一个内存资源丰富、计算能力强、能量供给充足的传感器节点，同时还 是一种带有无线通信接口的特殊网关设备【1 5 】。它有很强的存储能力，同时可以进行通信 并对数据进行处理。汇聚节点连接传感器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点 与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点 提交的任务。 第2 章无线传感器网络概述及几种短距离通信技术的特性分析 传感器节点 图2 1 无线传感器网络结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 2 1 2 无线传感器网络技术的特点 ( 1 ) 基于应用的网络 无线传感器网络与互联网最大的不同在于互联网有统一的通信协议平台，无线传感 器网络是对每一个具体的应用进行相关的设计的，它是通过感知识别客观世界的物理量 来获取外部信息。 ( 2 ) 与物理世界交互 无线传感网络系统受外部环境变化的影响很大，这就使得传感器节点必须随着环境 的变化而变化，适时地调整自身的工作状态。 ( 3 ) 自组织网络 网络的外部环境是不稳定的，网络自身也有很多不可预测的地方，所以节点要有自 组织能力，可以快速自动对网络进行配置调节、监测与管理。 ( 4 ) 以数据为中心 无线传感器网络以数据为中心，快速、有效地融合各节点的信息，直接将其传送给 用户，它体现了自然语言交流的习惯。 ( 5 ) 网络的协作性 由于单个节点计算能力有限，网络正常运行需要大量的节点进行数据的处理，这就 - 8 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 要求用大量节点进行分布式协同的信号和信息处理。 ( 6 ) 节点能力有限 由于电池能量、计算能力、存储能力的有限，无线传感器网络设计时就面临了要用 有限资源完成诸多任务的情况。 2 1 3 无线传感器网络技术的应用 目前，无线传感器网络技术已广泛应用于各行各业的各个领域【1 6 1 ，例如在军事、环 境、医疗、家庭、航空航天、空间探索、反恐、救灾以及其他商业、工业领域，它的迅 速发展给这些领域带来了许多新的机会。 无线传感器网络技术现己深刻地影响了军事领域，因其部署快、自组织、隐蔽性强 和高容错性的特点实现了对敌军的侦查和监控，具体可以侦查敌军的地形和兵力布防、 定位要攻击的目标、进行战场评估、监测核攻击和生化攻击。 在医疗服务领域，可以用来检测人体生理各方面状况的数据、管理医院药品和库存 以及开展远程医疗服务等。 环境监测领域，该技术主要用来研究气象和地理形态，对自然灾害等进行监测，掌 握农作物的灌溉、家禽的喂养情况，以及对土壤、空气和其它地表大规模变化进行检测， 另外，还可以用来跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫，有利于研究那些濒危种群。 在生活中，可以远程监控家中电器，例如远程遥控家中的电饭锅、微波炉、洗衣机 等家电，在回家前下达煮饭、烧菜等命令，回家可以直接食用，省时方便。或是运用传 感器节点对家中不同房间的环境、温度进行分别控制，让家中每一个人都在自己最适宜 的环境中生活。 在太空探索领域，通过在星体表面上安放一些传感器节点，可以实现对外星体星球 表面长期的监测，从而分析得到一些宝贵数据。 在商务领域中，物流和供应链的管理也要用到传感器网络技术。例如可以在仓库的 货品中放置传感器节点，这样就可以很方便快捷地查找到存货的具体位置以及其剩余数 量。 事实证明，随着科学技术的不断进步以及经济的迅猛发展，无线传感器网络技术必 将在未来在人们生活的方方面面起到巨大的作用。 第2 章无线传感器网络概述及几种短距离通信技术的特性分析 2 1 4 无线传感器网络的几种关键技术 无线传感器网络技术的研发融合了很多的学科，同时也是现在信息领域一个炙手可 热的课题【1 7 1 。它主要包括了以下这些方面：网络拓扑、路由控制、能量问题、数据融合、 网络安全等。 ( 1 ) 网络拓扑：即通过调整节点的发射功率，均衡节点间直接邻居的数目，从而降 低节点之间的通信干扰。选择合适的节点来完成网络中数据的传输和分析处理，保证网 络的连通性以及覆盖程度，要尽量优化网络拓扑的结构。 ( 2 ) 路由控制：传统因特网是通过i p ( i n t e m e tp r o t o c o l s ) 协议 1 8 】，或移动d 实现 的。但无线传感器网络是一种不断变化地拓扑结构，相应的要求一套全新的路由协议。 要满足网络生存环境，意味着要提供足够多的路径和大量的传感器节点。如何设定网络 参数对于系统也是一个重要问题。一个优秀的理想的无线传感器网络协议要具备无环 路、支持单向链路、分布式按需运行、能量高效、安全性好、维护多跳路由这些性能。 ( 3 ) 能量问题：将无线传感器网络中的电池电量尽量节约下来是无线传感器网络软 硬件设计中的核心。为了实现这一要求，一种方式是延长网络的工作时间、减少一些不 必要的功能，而重视突出专门的目的。第二种是要采用专门的技术，制定出能提高传感 器网络中各个层次的能量效率的协议，以能量为路由度量来提高网络的能量效率。 ( 4 ) 资料融合：为了提高信息的可靠性和准确度，达到节约能量的要求，传感器网 络采用了数据融合技术来综合处理多份数据。对应用层进行设计时采用分布式数据库技 术，逐步筛选采集到的资料，从而达到融合的效果。很多路由协议都采用了数据融合机 制，以尽可能的减少数据的传输量。 ( 5 ) 网络安全：对于无线传感器网络安全，需要确保无线传感器网络的机密性、可 靠性、高效性。可以从这些方面着手，一方面从安全的角度出发来维护路由，保证网络 安全。另一方面是安全协议，主要采用了安全组播和密匙这两种管理方式。采用多路径 路由、链路层加密、对身份进行认证、认证或双向连接认证和认证广告广播等安全路由 协议，可以提高网络抵御外部侵略的能力，有效地增强了路由的安全性和可靠性。 2 2 几种短距离通信技术特性分析 短距离通信技术对无线传感网络技术起了很重要的作用，这里给出了现在比较成熟 的几种短距离通信技术：蓝牙技术【1 9 1 、w i f i 技术2 0 1 、i r d a 技术和z i g b e e 技术【2 。表 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 2 1 分别从工作频段、传输速率、传输距离、网络节点、电池寿命等几方面对这几种短 距离通信技术的特性进行了对比。短距离通信技术特性分析如表2 1 所示。 表2 1 短距离通信技术特性分析 t a b 2 1s h o r td i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s 通过表格所述，我们已经对现今流行的无线网络通信技术有了一定的基本了解。这 些无线网络通讯技术所具有的共同特点都提供相对可靠的无线通信服务质量，但是同时 这些无线网络通信技术也存在着各自的局限性及不足。 以用户温度信息采集的需求为出发点，来指出上述的这些无线网络通讯技术存在的 一些问题：首先蓝牙技术、i r d a 技术、w i f i 技术对于本系统来说网络节点数量有限， 无法满足系统需要；对于z i g b e e 技术而言，它作为当今一种新兴的、十分热门的短距离 无线网络技术，其本身的低功耗特点已在传感网络中得到了广泛应用。但是对于住户住 宅室内温度采集，它的应用范围通常仅是一个小区范围的局域网，不需要很大的网络容 量，所以它的协议栈相对于这种温度采集系统的网络协议需求来说过于复杂，而且 z i g b e e 模块和正常的通信模块相比其成本要高出很多。使得z i g b e e 技术提供的功能就 显得大材小用了。 这样看来上述的这些无线通讯技术都不适合应用于针对于小区用户的温度采集系 统，系统需求一种相对简单、经济、实用的近距离无线通信技术，需要在简单的嵌入式 环境下，根据系统的需求分析设计出一种相对简单、经济、实用的通信协议。从硬件上， 这种通信技术的实现只需要外加一些少量的辅助外围电路，就能够实现其无线通信的功 能；同时它还满足需要m c u 作为中央控制器的应用系统，并还具有低功耗的特性。在 协议上，同国际标准协议相比，结构简单不会需要大量的数据包开销，在需要传输同样 数据量的情况下，能节省更多的数据传输时间，从而导致功耗的降低。 f、 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 第3 章无线传感器网温度采集系统需求分析与总体设计 3 1 系统需求分析 温度采集系统应具有采集温度数据信息和传输温度数据信息到控制中心两大功能。 温度采集系统意在采集与监视，因此系统分别从温度数据采集与温度信息管理两方面对 整个系统进行需求分析： 系统的主要任务是对小区住户室内温度信息进行采集和监控，系统应具有以下功 能： ( 1 ) 住户温度信息的数据采集。用传感器采集用户的温度信息，精度和准确度高， 稳定性好，从而节省了人力资源成本。 ( 2 ) 用户温度信息的上传。将节点接收和采集到的温度信息根据路由路径上传到后 台服务系统，以供控制与处理。 ( 3 ) 用户温度信息的数据处理。将采集到用户温度信息进行分析与处理，提取系统 所关注的信息。 ( 4 ) 具有查询功能。周期性查询各温度采集节点，并在屏幕上显示。 ( 5 ) 用户温度信息保存功能。保存历史记录信息，以供后期查询。 ( 6 ) 显示报警。住户温度信息低于规定值后，在温度采集界面上显示报警信息。 3 2 系统的功能模块 根据对温度数据采集系统的需求分析，设计系统功能模块如图3 1 所示。 第3 章无线传感器网温度采集系统需求分析与总体设计 基于无线传感器网络的温度采集系统 住户 温度 信息 的数 据采 集 住户温度 信息、控 制信息的 传输 住户 温度 信息 的数 据管 理 查询 各用 户温 度信 息 住户 温度 信息 的显 示报 警 温度管理数据库 图3 1 系统功能框架图 f i g 3 1s y s t e mf u n c t i o nf r a i i l ed l a r t 无线传感器网温度采集系统的主要功能模块： ( 1 ) 住户温度信息的数据采集。对从小区用户家中的温度数据采集节点接收的数据 进行分析处理，过滤掉不需要的信息，通过无线模块传输给中心计算机处理。 ( 2 ) 住户温度信息、控制信息的传输。利用无线通信模块进行无线传感网络中数据 的接收，通过串口通信进行与p c 机间的通信，制定相应的传输协议。 ( 3 ) 住户温度信息的数据管理。建立温度采集数据库，存储用户信息。 ( 4 ) 查询各用户温度信息。中心计算机会周期性地向数据采集节点发出查询指令， 用以时刻检查采集节点是否工作正常。 ( 5 ) 用户温度信息的显示报警。提供了友好的人机交互界面，实时地显示用户的室 温。当室温低于规定值，报警信息直观的显示。 3 3 总体方案 3 3 1 系统总体框架 经过系统功能需求分析和功能模块介绍，系统总体框架如图3 2 所示。系统由中心 计算机、主数据采集节点、数据采集节点组成。主数据采集器主要负责对数据采集节点 1 4 _ 无线传感器网络温度采集系统的设计与实现 的资料进行实时数据处理、发布控制命