无线传感器的论文.doc

无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术正日趋成熟 随 着硬件成本的进一步降低 其巨大的应用前景正逐渐体现 介绍了 现场总线湿度测量系统 数字式湿度测量系统和短距离无线多点湿 度测量系统三种系统 并对比系统之间的优缺点 本文采用低电压 低功耗的湿度传感器设计一种湿度信息采集的无线传感器网络节点 将湿度传感模块和数据发送模块都放在一个单片机上 这样可以节 省系统开发维护成本 设计节点和组网的时候 节点只负责短距离 传输数据 通过多跳的方式 将数据发送到基站上 这样设计可以 节省节点能源消耗 增加大规模数据传输距离 提升系统的应用范 围 基于 WSN 湿度采集节点 采集完数据后 传输到基站上 保 证数据的可靠性和实时性 再由节点以多跳的方式把数据传输到基 站上 由基站统一传送 大大提高了数据的传输距离 其可支持节 点数 大大超越了现有系统所支持的节点数 支持节点的增加和删 除 并且自动形成网络拓扑结构 不需要人为的干预 虽然或多或 少的会受环境所影响 但是通过实时监控节点状态和 WSN 所特有 的可扩展性 可以第一时间检测出无效节点 可以减少损失 对远程数据采集和传感器网络组网方案进行了研究和选择 并 根据系统应用的要求 提出了层次型的体系结构 无线湿度测量系 统的三种层次结构为 PC 机及监控软件构成的监控中心 由中心控 制节点构成的传感器主网和由传感器节点 中继节点 路由节点构 成的传感器子网 关键词 无线传感器网络 湿度采集 路由协议 监控系统 A STUDY AND DESIGN OF HUMIDITY MEASURING SYSTEM BASEDBASED ONON WSNWSN ABSTRACTABSTRACT Wireless sensor networks as a new information collection technology is becoming more mature with a further reduction of hardware cost and its great prospect is gradually reflected Describes the field bus and humidity measurement system digital humidity measurement system and the short range wireless multi point humidity measurement system of three systems and compare the advantages and disadvantages between the systems This low voltage low power humidity sensor and humidity information to design a wireless sensor network node collection The humidity sensor module and data transmission modules are on a single chip so that saves system development and maintenance costs When the nodes and network design node is only responsible for short distance transmission of data through multi hop manner to send data to the base station This design can save node energy consumption increased large scale data transmission distance and enhance system applications Moisture collecting on WSN nodes collecting complete data transmitted to the base station to ensure data reliability and real time Then the node multi hop way to the data to the base station by base station to send a unified greatly improving the data transmission distance The number of nodes can support well beyond the existing number of nodes supported by the system to support adding and removing nodes and automatically form a network topology without human intervention Although more or less be influenced by the environment but through real time monitoring WSN node status and unique scalability can be the first time to detect invalid nodes can reduce the losses Remote data acquisition and sensor network research and networking program choices and requirements of the application of the system proposed hierarchical architecture wireless humidity measurement system the hierarchy of the three monitoring software for the PC and composition of the monitoring center by the central control node and the main network of sensors constituted by the sensor nodes relay nodes the routing nodes of the sensor subnets KEY WORDS WSN humidity acquisition route protocol monitoring system 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 课题的提出及研究意义 1 1 3 湿度测量系统的研究现状 3 1 3 1 现场总线湿度采集系统 3 1 3 2 数字式湿度采集系统 3 1 3 3 现有无线网络湿度测量系统 4 1 4 论文各部分的主要内容 4 第 2 章 无线传感器网络体系结构及其研究热点 5 2 1 无线传感器网络的体系结构 5 2 1 1 无线传感器网络的特点 5 2 1 2 无线传感器网络节点体系结构 6 2 1 3 无线传感器网络拓扑结构 8 2 2 无线传感器网络的研究热点 9 2 2 1 网络层 9 2 2 2 跨层设计 10 2 2 3 数据管理 11 2 3 无线传感器网络协议 11 2 4 无线传感器网络的应用领域 12 2 4 1 传感器采集模式 12 2 4 2 无线传感器网络的应用领域 13 2 5 本章小结 15 第 3 章 基于无线传感器网络的湿度测量系统原理 16 3 1 现场总线湿度测量系统 16 3 1 1 系统原理 16 3 1 2 系统组成 16 3 2 数字式湿度测量系统 17 3 3 短距离无线多点湿度测量系统的研究设计 18 3 3 1 系统硬件电路的设计 19 3 3 2 系统的软件设计 19 3 4 基于无线传感器网络的湿度测量系统原理 21 3 4 1 系统方案设计原则 21 3 4 2 系统总体结构设计 22 3 5 本章小结 23 第 4 章 湿度测量系统的硬件设计 24 4 1 系统节点硬件的模块化设计 24 4 1 1 无线传感器网络节点硬件设计原则 24 4 1 2 无线传感器网络节点结构 24 4 2 无线通信模块设计 25 4 2 1 无线通信模块的组成与工作原理 25 4 2 2 无线通信模块的硬件电路设计 26 4 3 数据采集模块设计 28 4 4 通信模块设计 29 4 5 本章小结 30 第 5 章 湿度测量系统的软件设计 31 5 1 湿度测量系统可行性分析 31 5 1 1 可行性分析 31 5 1 2 系统工作流程 31 5 2 无线湿度传感器网络路由协议 32 5 2 1 网络拓扑结构 33 5 2 2 路由协议的路径选择 34 5 2 3 主网节点路由协议的软件实现 34 5 2 4 子网节点路由协议的软件实现 35 5 3 无线湿度传感器网络数据通信协议 37 5 4 基于 PC 的监控程序软件设计 38 5 5 本章小结 40 第 6 章 总结与展望 41 6 1 总结 41 6 2 展望 42 参考文献 43 致 谢 46 第第 1 章章 绪绪论论 1 1 课课题题研研究究背背景景 与传统数据采集相比 无线传感器网络具有灵活性高 智能化强 设置简 单 准确性高等优点 将被广泛地应用在国防军事 环境监测 森林防火 医 疗监护 工业控制 抗灾抢险等领域 1 9 通过直接感知客观世界的信息 无 线传感器网络极大地扩展了现有网络的功能和人们认识世界的能力 使人们在 任何时间 地点和任何环境条件下都能够获取监测区域内大量可靠的信息 从 而通过对所获取的数据信息进行分析处理并做出相应的处理措施 美国商业周 刊和 MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中 分别将无线传感器网络列为 21 世纪最有影响的 21 项技术和改变世界的十大技术之一 无线传感器网络技术的迅速发展引起了全世界范围的广泛关注 最早开始 无线传感器网络技术研究的是美国军方 此后美国国家自然基金委员会设立了 大量与其相关的项目 国外著名公司如英特尔等在内的许多公司也都较早的加 入了无线传感器网络的研究 随着无线传感器网络理论和技术的不断成熟 其 应用已经由军事国防领域扩展到环境监测 森林防火 医疗监护 工业控制和 抗灾抢险等诸多领域 由于具有巨大的科研价值和应用价值 许多国家对无线传感器网络表现出 极大的兴趣 纷纷开展了此领域的研究工作 所以无线传感器网络的研究及应 用 特别是面向国防的应用研究 以提高国防军事信息化的水平及争取未来信 息战中的主动权 不仅具有重要社会与经济意义 也具有十分长远的战略意义 目前 无线传感器网络应用系统的各项技术研究都具有极大的应用相关性 构建适用于不同环境的特定应用系统是无线传感器网络的研究目的 同时 由 于无线传感器网络路由协议的性能是否优越 关系到整个无线传感器网络的性 能 所以对无线传感器网络路由协议的研究是其具体应用研究的一个重要方面 10 15 1 1 2 2 课课题题的的提提出出及及研研究究意意义义 在工业现场数据采集和无线湿度采集系统中 要使用大量的基于不同物理 机制的传感器 且监控和采集的对象多而分散 传统的使用线缆直接连接实现 信号传输的方式 将严重限制数据采集点的安放灵活性 设备布线困难 为达 到实时 无人值守 不需重新布线的目的 所选用的传感器应该是有源的 准 实时 低功耗和便于安装的 因此 通过无线通信的方式传递数据是一种较为 理想的选择 它与有线方式相比主要有成本低 携带方便 布线安装简便等特 点 特别适用于远程多点无线数据传输系统的实现 本文拟研究一种基于无线 传感器网络技术的湿度测量系统 该系统通过制定多条路由的通讯协议实现传 感器的组网 采用低电压 低功耗的湿度传感器设计一种湿度信息采集的无线 传感器网络节点 整个监测系统从结构上分为三层 第一层是由计算机和无线湿度采集监控 软件所组成的用户监测层作为监控中心 第二层是负责收发指令和数据 并进 行路由选择的中心控制节点 该节点安放在 PC 机附近 通过 RS232 与 PC 机 相连 接受 PC 机的查询指令并以无线的方式发送给传感器网络 最底层是由 l 个路由节点 1 个中继节点和若干个个无线传感器节点组成的传感器网络 路由 节点和中继节点可根据需要设置为多个 这些节点由处理器模块 湿度传感器 模块 无线通信模块等功能模块构成 底层的各个节点负责采集湿度数据 采 集到的湿度数据按照中心控制节点发出的路由路径指令完成远距离传输 最终 传送到 PC 机进行数据处理 系统的总体结果图如图 1 1 所示 图 1 1 系统结构图 将湿度传感模块和数据发送模块都放在一个单片机上 这样可以节省系统 开发维护成本 设计节点和组网的时候 节点只负责短距离传输数据 通过多 跳的方式 将数据发送到基站上 这样设计可以节省节点能源消耗 增加大规 模数据传输距离 提升系统的应用范围 基于 WSN 湿度采集节点 采集完数据后 传输到基站上 保证数据的可 靠性和实时性 基于 WSN 湿度采集节点 再由节点以多跳的方式把数据传输 到基站上 由基站统一传送 大大提高了数据的传输距离 基于 WSN 组网 其可支持节点数 大大超越了现有系统所支持的节点数 基于 WSN 组网 支 持节点的增加和删除 并且自动形成网络拓扑结构 不需要人为的干预 基于 WSN 湿度采集节点 虽然或多或少的会受环境所影响 但是通过实时监控节点 状态和 WSN 所特有的可扩展性 可以第一时间检测出无效节点 可以减少损 失 本文明确系统的设计目标 对远程数据采集和传感器网络组网方案进行了 研究和选择 并根据系统应用的要求 提出了层次型的体系结构 无线湿度测 量系统的三种层次结构为 PC 机及监控软件构成的监控中心 由中心控制节点 构成的传感器主网和由传感器节点 中继节点 路由节点构成的传感器子网 整个设计方案切实可行 关于经费和落实情况 由于该项目属于企业公司产品改善和扩展内容 可 以充分利用公司现有资源 配合产品销售演示和产品测试进行实验 改善并加 以落实 相关费用可以摊到部门和产品项目中 1 3 3 湿湿度度测测量量系系统统的的研研究究现现状状 1 3 1 现场总线湿度采集系统 随着计算机网络技术的飞速发展 现场总线技术在测控领域得到广泛应用 二十世纪 90 年代以后 现场总线 Field bus 技术成为测控领域中的主导技术 而 CAN 是各种现场总线中非常有代表性的一种 CAN Controller Area Network 控制器局域网 是用于各种设备检测及控制的一种现场总线 CAN 总 线是 20 世纪 80 年代德国 Bosch 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器 之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议 它是一种多主总线 通信介 质可以是双绞线 同轴电缆或光导纤维 它的应用范围遍及从高速网到低成本 的多线路网络 在自动化电子领域的汽车发动机控制部件 传感器 抗滑系统 等应用中 CAN 总线的通信速率可达 1Mbps 同时 它也可以廉价地应用到交 通运输工具的电气系统中 例如灯光聚束 电气窗口等 以替代所需要的硬件 连接 由于计算机没有专用的 CAN 总线接口 所以需要设计一个模块单元将 CAN 总线上的数据转换成 USB 接口数据 模块的一端接监控计算机的 USB 接口 另一端接 CAN 总线网络接口 基于 CAN 总线的智能型传感器实现了对工业过 程中湿度的自动测量 为实现自动化远程湿控 保持环境湿度符合工艺要求提 供了高效的测控手段 1 3 2 数字式湿度采集系统 随着频率输出的数字传感器的出现 其显露出许多优点 输出的数据都是 数字量 可减小外界对采集信号的干扰 可直接送单片机处理 不需要 A D 转 换 电路简单 数据处理方便单总线方式可以一条总线上带 10 个传感器 非常 适合温室内湿度的测量 北京化工大学卫华传感工程开发部许多年以前就开发 出 WH 系列脉冲数字湿度传感器 它通过直接校准法 把被测湿度这些物 理量直接转换成相对应的数字值 这种湿度节点不需外加任何器件能与计算机 直接接口和配合工作 1 3 3 现有无线网络湿度测量系统 现有的无线湿度采集系统 通过网络中的各个节点采集相关数据 各个节 点间采用多跳的形式 将数据传给父节点 由父节点把数据统一传输网关 传 感器网络节点一般由 WSP430 单片机 SHT11 湿度传感器 nRF401 无线收发 芯片等等组成 利用无线收发元件构成的无线湿度测量系统的设计方法 采用 这种测量方案 不必敷设电缆 节省了费用和时间 而且 改变测量点位置和 增 减测量点的数目都非常简单 由于采用 CMOS 材料的低功耗集成电路 测 量可以使用电池供电 便于使用和维修 1 4 4 论论文文各各部部分分的的主主要要内内容容 第一章 绪论 介绍本文的研究背景和目的 综述温度测量系统的研究现 状 介绍了现场总线湿度采集系统 数字式湿度采集系统和现有无线网络湿度 测量系统三种系统 第二章 介绍无线传感器网络的特点 节点体系结构和应用领域 接着阐 述了无线传感器网络跨层设计 数据管理和网络层等方面的研究热点 进而介 绍无线传感器网络的通信协议栈 引出了周期性采样 事件驱动与存储和转发 三种传感器采集数据模式 第三章 本章介绍了现场总线湿度测量系统 数字式湿度测量系统和短 距离无线多点湿度测量系统三种系统 并对比系统之间的优缺点 最后阐述 基于无线传感器网络的湿度测量系统的原理 第四章 本章首先介绍了系统节点硬件的模块化设计 体积小 功耗低和 稳定性高三个原则 接着介绍无线通信模块的组成和工作原理 数据采集模块 的原理 串口通信实现在 PC 机和单片机之间的通信 系统测量得到的湿度数 据传输给 PC 机监控系统 并进行数据处理和存储 第五章 本章进行湿度测量系统可行性分析 介绍系统的工作流程 阐述 了无线湿度传感器网络路由协议包括网络图片结构和路由协议的路径选择 无 线湿度传感器网络数据通信协议 最后介绍了基于 PC 的监控程序软件设计 第六章 总结与展望 总结三坐标雕刻机控制系统的设计研究工作 并对 其控制系统的下一步发展和不足之处进行阐述 第第 2 2 章章 无无线线传传感感器器网网络络体体系系结结构构及及其其研研究究热热点点 2 2 1 1 无无线线传传感感器器网网络络的的体体系系结结构构 2 1 1 无线传感器网络的特点 无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处 但也存在很大的差别 无 线传感器网络是集成了监测 控制以及无线通信的网络系统 节点数目更为庞 大 上千甚至上万 节点分布更为密集 由于环境影响和能量耗尽 节点更 容易出现故障 环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化 通常情况下 大多数传感器节点是固定不动的 另外 无线传感器节点具有的能量 处理能 力 存储能力和通信能力等都十分有限 因此 以能量的高效利用为首要任务 的无线传感器网络具有如下特点 1 资源受限 无线传感器网络中 由于节点成本和体积的限制 节点只具有有限的硬件 资源 其计算能力 存储空间和数据处理能力等十分受限 此外 节点携带能 量有限 且因物理限制难以给节点补充能量 2 大规模网络 为了获得精确的信息 在监测区域内 通常要布置大量无线传感器节点 节点的数量可能成千上万 甚至更多 再者由于无线传感器网络节点的通信能 力有限 在范围很大的地理区域内 需要布置很多的节点才能覆盖整个监测区 域 因而网络规模很大 3 自组织网络 在无线传感器网络应用中 通常情况下无线传感器节点放置的位置不能预 先精确设定 节点之间的相互邻居关系预先也不知道 如通过飞机播撒大量无 线传感器网络节点于面积广阔的原始森林中 或随意放置到人无法到达或危险 的区域 这样就要求无线传感器节点具有自组织的能力 4 可靠的网络 由于节点布置在恶劣环境或人类不宜到达的区域 无线传感器节点可能工 作在露天环境中 遭受风吹雨打等恶劣的环境影响 或者节点电池耗尽而失效 这些都要求无线传感器节点的软硬件必须具有鲁棒性和容错性 5 应用相关的网络 对于不同的应用背景 不同的客观世界的物理量 无线传感器网络的要求 不同 其硬件平台 软件系统和网络协议必然会有很大的差别 这也是无线传 感器网络不同于传统网络的显著特征 6 以数据为中心 与传统无线网络的路由协议以地址作为节点标识和路由依据不同 无线传 感器网络通常只关心区域内某个观测指标的值 而不具体关心单个节点的观测 数据 它不依赖于全网唯一的标识 通常包含多个节点到少数汇聚节点的数据 流 按照对感知数据的需求 数据通信模式和流向 以数据为中心形成消息的 转发路径 以上特点决定了无线传感器网络与传统网络在网络协议和网络应用特点方 面有着较大的差别 需要建立适合自己的网络协议 2 1 2 无线传感器网络节点体系结构 网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合 是对网络及其部件 所应完成功能的定义和描述 无线传感器网络体系结构如图 2 1 所示 该结构 清晰地阐述了传感器网络研究的主要内容和组成的逻辑关系 下面就将简要介 绍该体系结构中各部分的功能 图 2 1 系统结构图 各网络节点与接受端的互连所用的协议栈包括两个平面 通信平面和管理 平面 通信平面由物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层构成 而管 理层由电源管理 移动管理和协同管理构成 16 22 通信平面实现网络节点之间 的信息传递 管理平面负责检测和控制节点 节点把接受到的数据传递给管理平 面 管理平面对节点进行检测和控制 使其能正常工作 此协议栈综合说明了 能源和路由意识 数据与路由协议相结合 通过无线媒介与能源有效通信互连 增强了传感器节点之间的协同能力 1 通信平面协议 物理层协议 网络层的主要功能包括建立 维护和释放物理连接 选择信 道 监测无线信号 调制 发送与接收数据等功能 其传输媒质主要有无线电 红外线 光波 物理层的设计目标是实现网络的自组织和节能 减少节点功耗 因为周围环境总是有噪声干扰 而且网络节点具有移动性 MAC 层协议必须使 节点公平 有效地共享无线信道 避免多个节点同时发送数据产生冲突 数据 链路层协议 数据链路层负责数据成帧 帧检测 差错控制以及无线信道的使用 控制 减少邻居节点广播引起的冲突 网络层协议 网络层的主要任务是分组路由 网络互联 拥塞控制等 完 成数据的路由转发 实现传感器与传感器 传感器与观察者之间的通信 支持 多传感器协作完成大型感知任务 传输层协议 负责按照传感器网络应用的要 求控制数据流 协作维护数据流 应用层协议 基于检测任务 可以针对不同的 传感器任务采用各种相应的软件来完成 2 管理平面协议 在传感器网络中 各个节点的能量是非常有限的 因此合理有效地利用资 源是延长传感器网络使用时间的关键问题 电源管理 移动管理和协同管理负 责协调各个节点之间的任务并且最大限度地降低整个网络的能源消耗 电源管理部分控制各个节点对能量的使用 例如通过使节点在不工作时处 于休眠状态来节省能源消耗 移动管理主要是对网络上的节点移动进行监测和控 制 维护到汇聚点的路由 使传感器跟踪它的邻居 以平衡节点之间任务及能 量的使用 协同管理模块协调并将各个传感器的任务分配细化到某个特定区域 在这个区域里的所有节点没有必要同时执行任务 能量多的节点承担相对多一 些的任务 协同管理确保了各个传感器节点可以联合起来以有效的方式运作 在移动的传感器网络中传递数据并实现资源共享 3 无线传感器的网络管理技术和应用支撑技术 无线传感器的网络管理部分也不是独立的模块 它们的功能渗透到各层中 能量管理控制节点对能量的使用 实现能量合理有效的利用 网络管理主要是实 现在传感器环境下对各种资源的管理 为上层应用服务的执行提供一个集成的 网络环境 拓扑管理主要是为了节约能量 控制节点休眠状态转换 保持网络 畅通和数据的有效传输 Qos 支持是指为用户提供高质量的服务 是网络与用 户之间及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定 网络 安全提供了新型的安全机制 解决了由于传感器网络中节点随机部署 网络拓 扑的动态性以及信道的不稳定性 使传统的安全机制无法使用的问题 移动控 制负责监测和控制节点的移动 远程管理可以有效地管理某些应用环境中的传 感器网络 使其正常工作 无线传感器网络的应用支撑服务包括 时间同步 节点定位 以及协同应 用服务接口 时间同步为协同工作的节点同步本地时钟 节点定位依靠有限的 位置 确定传感器中每个节点的相对位置和绝对位置 分布式协同应用接口是 为各种应用层协议服务 分布式网络管理接口主要是传感器管理协议 SMP 把数据传输到应用层 2 1 3 无线传感器网络拓扑结构 1 平面网络结构 如图 2 2 所示 平面网络结构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构 所有节点为对等结构 具有完全一致的功能特性 也就是说每个节点均包含相 同的 MAC 路由 管理和安全等协议 这种网络拓扑结构简单 易维护 具有 较好的健壮性 事实上就是一种 Ad hoc 网络结构形式 由于没有中心管理节 点 故采用自组织协同算法形成网络 其组网算法比较复杂 图 2 2 系统结构图 2 分级网络结构 如图 2 3 所示 分级网络结构 也叫层次网络结构 是无线传感器网络中平面 网络结构的一种扩展拓扑结构 网络分为上层和下层两个部分 上层为中心骨 干节点 下层为一般传感器节点 通常网络可能存在一个或多个骨干节点 骨 干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构 具有汇聚功能的骨 干节点和一般传感器节点之间采用的是分级网络结构 所有骨干节点为对等结 构 骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性 也就是说每个骨干节点均 包含相同的 MAC 路由 管理和安全等功能协议 而一般传感器节点可能没有 路由 管理及汇聚处理等功能 这种分级网络通常以簇的形式存在 按功能分 为簇首 具有汇聚功能的骨干节点 Cluster head 和成员节点 一般传感器节点 Members 这种网络拓扑结构扩展性好 便于集中管理 可以降低系统建设成 本 提高网络覆盖率和可靠性 但是集中管理开销大 硬件成本高 一般传感 器节点之间可能不能够直接通信 图 2 3 系统结构图 3 混合网络结构 如图 2 4 所示 混合网络结构是无线传感器网络中平面网络结构和分级网 络结构的一种混合拓扑结构 网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用 平面网络结构 而网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构 这 种网络拓扑结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信 可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据 这种结构同分级网络结构相比较 支 持的功能更加强大 但所需硬件成本更高 图 2 4 系统结构图 2 2 2 2 无无线线传传感感器器网网络络的的研研究究热热点点 2 2 1 网络层 在 WSN 体系结构中资源严重受限 因此路由设计的首要原则是节省 能量延长网络系统的生存期限 并且协议不能太复杂 节点保存信息不能太 多 尽量避免发送冗余信息 从网络拓扑结构的角度来看 网络层协议大体 分为两类 平面路由协议和分簇路由协议 它们大多都采用多跳的形式在节 点和易移动的 Sink 节点之间建立路由 可靠地传递数据 除了这两类协议 还有基于其它分类方式的路由协议 在平面路由协议中 所有网络节点地位平等 不存在等级和层次差异 它们通过相互之间的局部操作和信息反馈来生成路由 在这类协议中 目的 节点 sink 向监测区域的节点 source 发出查询命令 监测区域内的节点收到 查询命令后 向目的节点发送监测数据 典型的平面路由算法有 Flooding DD directed diffusion SAR sequential assignment routing SPIN sensor protocols for information via negotiation Romor Routing 等 平面路由的优点是简单 易扩展 无须进行任何结构维护工作 所有网络节 点的地位平等 不易产生瓶颈效应 因此具有较好的健壮性 其缺点是 扩 充性差 网络中无管理节点 缺乏对通信资源的优化管理 自组织协同工作 算法复杂 对网络动态变化的反应速度较慢 动态变化的路由需要大量的控 制信息等 在分簇拓扑管理机制下 网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点 两类 在每个簇内 根据一定的机制算法选取一个簇头 用于管理或控制整 个簇内成员节点 协调成员节点之间的工作 并负责簇内信息的收集和数据 的融合处理以及簇间转发 2 2 2 跨层设计 由于无线传感器网络的资源十分有限 而且采用分层的体系结构 各层 的设计相互独立且具有一定局限性 因而各层的优化设计并不能保证整个网 络的设计最优 例如无线传感器网络中 能量管理机制 低功耗设计等在各 层设计中都有所体现 但整个网络的节能效果未达到最优化 跨层设计的目 标就是实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡 支持网络 能量管理的优化 提高网络的实用性和可行性 在传感器网络中 采用自适 应的跨层优化协议 可以在能量受限的情况下 有效节省能量 延长网络的 生存期 满足应用的高吞吐量 低延迟等要求 此外 无线传感器网络应用在不同的领域 各领域应用对无线传感器网 络的要求也各不相同 针对不同的应用 可以将无线传感器网络按动态性 数据传输模式 实时性 节点散布方式等进行分类 对于每一类网络采用不 同的设计方法 2 2 3 数据管理 传感器网络中的各个传感器节点的数据具有不完整 不精确 模糊甚至 报告相互冲突等特征 基于传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的 管理和处理技术 它是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术 感知数 据管理与处理技术包括感知网络数据的存储 查询 分析 挖掘 理解以及 基于感知数据决策和行为的理论和技术 传感器网络的各种实现技术必须与 这些技术密切结合 融为一体 而不是像目前其他网络设计那样分而治之 只有这样 我们才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统 无线传感器网络的研究热点除本文前述之外 还包括节点定位 网络安 全 系统节能策略 共性技术等 关键技术进步和突破将对无线传感器网络 的发展和应用起到决定性的促进作用 比如 各层协议设计技术的进步直接 影响到无线传感器网络的网络特性 优化的跨层设计方案将会极大的提高无 线传感器网络的实用性和可行性 节点成本的下降和寿命的延长能大幅降低 无线传感器网络的应用成本 安全性能高的网络路由协议可以增强网络层的 抗攻击性 增加网络获取信息的可靠性 延长网络的生存期限等 2 2 3 3 无无线线传传感感器器网网络络协协议议 无线传感器网络的通信协议栈包括物理层 数据链路层 网络层 传输 层和应用层 与互联网协议栈的五层协议相对应 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 23 29 下面对各层协议和平台分别作介绍 l 物理层 它着眼于信号的调制 发送与接收 物理层的主要工作是负责频段的选 择 信号的调制以及数据的加密等等 对于距离较远的无线通信来说 从实 现的复杂性和能量的消耗来考虑 代价都是很高的 2 数据链路层 它用于解决信道的多路传输问题 数据链路层的工作集中在数据流的多 路技术 数据帧的监测 介质的访问和错误控制 它保证了无线传感器网络 中点到点或一点到多点的可靠连接 3 网络层 它关心的是对传输层提供的数据进行路由 大量的传感器节点散布在监 测区域中 需要设计一套路由协议来供采集数据的传感器节点和基站节点之 间的通信使用 4 传输层 它用于维护传感器网络中的数据流 是保证通信服务质量的重要部分 结合无线传感器网络协议栈图 当传感器网络需要与其他类型的网络连接时 例如基站节点与任务管理节点之间的连接就可以采用传统的TCP 或者 UDP 协议 但是在传感器网络的内部是不能采用这些传统协议的 这是因为 传感器节点的能源和内存资源都非常有限 它需要一套代价较小的协议 5 应用层 根据应用的具体要求的不同 不同的应用程序可以添加到应用层中 它 包括一系列基于监测任务的应用软件 管理平台包括能量管理平台 移动管理平台和任务管理平台 这些管理 平台用来监控传感器网络中能量的利用 节点的移动和任务的管理 它们可 以帮助传感器节点在较低的能耗的前提下协作完成某些监测的任务 管理平 台可以管理一个节点怎样使用它的能量 例如 一个节点接收到它的一个邻 近节点发送过来的消息之后 它就把它的接收器关闭 避免收到重复的数据 同样 一个节点的能量太低时 它会向周围节点发送一条广播消息 以表示 自己已经没有足够的能量来帮它们转发数据 这样它就可以不再接收邻居发 送过来的需要转发的消息 进而把剩余能量留给自身消息的发送 移动管理 平台能够记录节点的移动 任务管理平台用来平衡和规划某个监测区域的感 知任务 因为并不是所有节点都要参与到监测活动中 在有些情况下 剩余 能量较高的节点要承担多一点的感知任务 这时需要任务管理平台负责分配 与协调各个节点的任务量的大小 有了这些管理平台的帮助 节点可以以较 低的能耗进行工作 可以利用移动的节点来转发数据 可以在节点之间共享 资源 2 2 4 4 无无线线传传感感器器网网络络的的应应用用领领域域 2 4 1 传感器采集模式 传感器数据采集及传播十分常用的模式有以下几种 1 周期性采样 对于某个需要经常监控的条件或过程 例如空调环境中的湿度或处理管 道中的压力 每隔一定周期便进行大量的远程传感器采样 并周期地将采样 数据传输到数据收集中心 采样周期主要根据条件或过程的变化速度以及采 集对象的自身特点来决定 由于远程节点的占空比变化与采样速率成正比 协议堆栈的应用层应该在满足监测条件的情况下尽量采用最小采样率 很多 情况下被监测的条件或过程会不时地减慢或加快 因此 如果应用层可根据 条件或过程的变化自动调节采样率 则可尽量减少过采样 从而极大地提高 网络系统的整体效率 与周期性采样有关的另一个重要设计要点是多个节点 间的相位关系 如果两个节点的采样率相近或相同 这两个节点的数据包传 输便有可能不断碰撞 应用层必须检测这种反复碰撞 并在两个传输时序中 加入相移 以避免再次碰撞 2 事件驱动 许多情况下要求监测一个或多个关键变量 同时只有在接近阀值时才进 行传输 常见的例子包括火险报警 门窗传感器及间隙使用的仪器等 为了 使事件驱动达到一定的功效和响应速度 必须将没有触发事件时的传感器节 点功耗设计为最小 并且在快达到阀值时快速恢复工作 在设计协议堆栈中 的所有层时都必须考虑这些要求 3 存储和转发 在很多应用中 传感器数据可在传输到基站前由远程节点采集 存储甚 至处理 远程节点对传感器采样进行汇集和处理 而不是在每次采集完便立 刻传输 这样有助于提高整个网络的性能 功耗和带宽效率 应用层协议应 提供恰当的应用编程接口 以便有效地集成数据汇集和处理算法 2 4 2 无线传感器网络的应用领域 微型传感器技术和无线通信技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前 景 作为一种无处不在的感知技术 无线传感器网络广泛应用于军事 环保 医疗 家庭和其他领域 在空间探索和反恐 救灾等特殊的领域 它也有着 独特的技术优势 1 军事应用 无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域 由于其具有可快速布 置 自组织 隐蔽性强和容错性高的特点 因此能够实现对敌军地形和兵力 布防及装备的侦察 战场的实时监视 定位攻击目标 战场评估 核攻击和 生物化学攻击的监测和搜索等功能 2 环境应用 无线传感器网络因其布置简单 密集 低成本和无需现场维护等优点为 环境科学研究的数据获取提供了解决方案 因而可广泛应用于气象和地理研 究 自然和人为灾害 如洪水和火灾 监测 监视农作物灌溉情况 土壤空 气变更 牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测 还可以通过跟踪珍 稀鸟类 动物和昆虫进行研究等 3 医疗应用 无线传感器网络所具有的自组织 微型化和对周围区域的感知能力等特 点 决定了它在检测人休生理数据 健康状况 医院药品管理以及远程医疗 等方面可以发挥出色的作用 因而在医疗领域有着广阔的应用前景 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 远端的医生就可以随时了解被监护病人的病情 进行及时处 理 4 家庭应用 嵌入家具和家电中的传感器与执行单元组成的无线网络与互联网连接 能够为人们提供更加舒适 方便和具有人性化的智能家居环境 用户可以方 便地对家电进行远程监控 如在下班前遥控家里的电饭锅 微波炉 电话机 录像机 电脑等家电 按照自己的意愿完成相应的煮饭 烧菜 查收电话留 言 选择电视节目以及下载网络资料等工作 5 工业应用 自组织 微型化和对外部世界的感知能力 决定了无线传感器网络在工 业领域有着极大的应用潜力 它包括车辆的跟踪 机械的故障诊断 建筑物 的状态监测等 而将无线传感器网络和RFID 无线射频识别标签 简称 电子标签 技术融合是实现智能交通系统的良好途径 通过传感器节点 的探测可以得到实时的交通信息 如车辆的数量 长度 道路拥塞程度等 通过车载主动式的 RFID 可以得到每辆车的精确信息 如车辆的编号 证号 车型 以及车主的相关信息等 将这两个信息融合 就可以全面掌握交通信 息 并根据需要查询 追踪某车辆 6 其他应用 在商务方面 传感器网络可用于物流和供应链的管理 在仓库的每项存 货中安置传感器节点 管理员可以方便地查询到存货的位置和数量 在太空 探索方面 借助于航天器在外星体上撒播一些传感器节点可以实现对星球表 面长期的监测 这是目前最为经济可行的探测方案 2 2 5 5 本本章章小小结结 本章首先介绍无线传感器网络的特点 节点体系结构 分析了平面网络 结构 分级网络结构和混合网络结构共三种拓扑结构 接着阐述了无线传感 器网络跨层设计 数据管理和网络层等方面的研究热点 进而介绍无线传感 器网络的通信协议栈 引出了周期性采样 事件驱动与存储和转发三种传感 器采集数据模式 最后介绍了无线传感器网络的应用领域 第第 3 3 章章 基基于于无无线线传传感感器器网网络络的的湿湿度度测测量量系系统统原原理理 3 3 1 现现场场总总线线湿湿度度测测量量系系统统 3 1 1 系统原理 CANCAN 现场总线湿度传感器节点是集湿度测量及总线通讯于一体的集成化传现场总线湿度传感器节点是集湿度测量及总线通讯于一体的集成化传 感器 它由感器 它由 AT89C51CC01 微控制器 数字湿度传感器微控制器 数字湿度传感器 SHT71 和和 CAN 总线收总线收 发器发器 82C250 组成 具有性能先进 适用性强 成本低 可靠性高和使用方便组成 具有性能先进 适用性强 成本低 可靠性高和使用方便 等特点 它可广泛应用于基于等特点 它可广泛应用于基于 CAN 现场总线通讯的温室环境湿度控制系统 现场总线通讯的温室环境湿度控制系统 实验室 生产车间 仓库 图书馆 办公室和家庭等需要了解及控制湿度的场实验室 生产车间 仓库 图书馆 办公室和家庭等需要了解及控制湿度的场 所和部门 这种湿度传感器节点的湿度传感器采用数字湿度传感器所和部门 这种湿度传感器节点的湿度传感器采用数字湿度传感器 SHT71 而 而 CAN 现场总线通讯采用现场总线通讯采用 AT89C51CC01 高性能微控制器中的高性能微控制器中的 CAN 控制器 控制器 3 1 2 系统组成 微控制器 微控制器 本传感器节点硬件核心电路采用本传感器节点硬件核心电路采用 ATMEL 公司生产的公司生产的 AT89C51CC01 微处微处 理器 它是一种低功耗 高性能的理器 它是一种低功耗 高性能的 8 位微处理器 它与位微处理器 它与 MCS 51 系列微处理器系列微处理器 的指令集完全兼容 其特征有 的指令集完全兼容 其特征有 具有具有 8051 的核 的核 256 字节的字节的 RAM IK 的的 XRAM 32K 的的 FLASH 可以运行 可以运行 10K 左右左右 COSII 操作系统 操作系统 2K 的的 EEPROM 具有具有 ISP 功能 功能 具有具有 MAX232 串行控制接口 串行控制接口 具有内部的具有内部的 CAN 控制器 可以减少外扩控制器 可以减少外扩 CAN 控制器带来的干扰 总线适配器以微处理器控制器带来的干扰 总线适配器以微处理器 为核心 为核心 CAN 控制器用于同控制器用于同 CAN 总线进行通信 它独立完成总线进行通信 它独立完成 CAN 总线数据总线数据 的接收与发送工作 的接收与发送工作 SHT71SHT71 湿度传感器湿度传感器 SHT71SHT71 是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型温率和质量 虽然课是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型温率和质量 虽然课 程本体的构建任务较重 需要熟悉领域知识的专业人员花费较长时间 但人工程本体的构建任务较重 需要熟悉领域知识的专业人员花费较长时间 但人工 构建课程本体比较准确 能够比较客观地体现概念之间的关系 构建课程本体比较准确 能够比较客观地体现概念之间的关系 节点设计 节点设计 CANCAN 现场总线的湿度传感器节点 其硬件电路由现场总线的湿度传感器节点 其硬件电路由 Atmel 公司生产的单片机公司生产的单片机 AT89C5lCC01 CAN 收发器收发器 82C250 湿度传感器 湿度传感器 SHT71 电路及抗干扰电路电路及抗干扰电路 等组成 该智能节点以单片机为核心 采用高精度的湿度传感器等组成 该智能节点以单片机为核心 采用高精度的湿度传感器 SHT71 对被测对被测 湿度数据进行采集并对所获得的数据进行处理 湿度数据进行采集并对所获得的数据进行处理 CAN 控制器用于同控制器用于同 CAN 总线总线 进行通信 它能独立完成进行通信 它能独立完成 CAN 总线数据的接收与发送工作 为提高系统抗干总线数据的接收与发送工作 为提高系统抗干 扰能力 在扰能力 在 CAN 控制器和控制器和 CAN 收发器收发器 82C250 之间 接入了之间 接入了 6N137 高速光祸高速光祸 隔离芯片 隔离芯片 工作原理 由湿度传感器工作原理 由湿度传感器 SHT71 采集到的湿度数据通过采集到的湿度数据通过 I2C 接口输入微接口输入微 控制器中 在其中数据经过适当的处理后通过高速光偶电路和控制器中 在其中数据经过适当的处理后通过高速光偶电路和 CAN 总线收发总线收发 器被送入器被送入 CAN 总线网络 湿度传感器总线网络 湿度传感器 SHT71 的接口是的接口是 I2C 的 而在的 而在 AT89C51CC01 微控制器中是没有微控制器中是没有 I2C 接口的 这可以通过软件实现 即用通接口的 这可以通过软件实现 即用通 用用