无线传感器网络远程数据传输系统毕业设计.doc

I 无线传感器网络远程数据传输系统毕业设计无线传感器网络远程数据传输系统毕业设计 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 课题背景与研究意义 2 1 3 无线传感器网络应用研究现状 3 1 4 设计任务 5 第二章 无线传感器网络和以太网简介 7 2 1 无线传感器网络 7 2 1 1 无线传感器网络工作机制 7 2 1 2 无线传感器网络的协议 8 2 1 3 无线传感器网络构架 8 2 2 以太网 9 2 2 1 IEEE802 3 标准 9 2 2 2 CSMA CD 共享介质以太网 10 2 2 3 以太网的工作原理 11 第三章 基于 WSN 的侦察与监控系统 12 3 1 基于 WSN 的侦察与监控系统设计 12 3 2 节点的硬件系统 13 3 3 侦查与监控系统本地监控软件系统 14 3 3 1 本地监控软件功能设计 14 3 3 2 本地数据库设计 15 第四章 远程传输方案实现 16 4 1 数据远程传输方案的论证 16 4 2 远程监控预警软件设计要求 16 4 3 远程监控与远程预警功能设计思路 17 4 4 远程监控预警软件开发平台 19 II 4 4 1 开发工具的选择 20 4 4 2 开发工具概述 20 4 5 远程终端串口数据获取 23 4 6 数据库的远程访问 24 4 6 1 远程终端的数据获取 24 4 6 2 SQL SERVER2008 设置开启远程连接 25 4 6 3 ACCESS 数据库升迁到 SQL SERVER数据库 26 4 7 远程监控软件的程序设计 30 4 7 1 传感器数据远程监控功能实现 30 4 7 2 远程预警功能实现 33 4 7 3 数据库远程连接设置功能实现 38 第五章 无线传感器网络数据远程传输测试 42 5 1 远程传输测试环境搭建 42 5 2 远程传输测试内容 42 5 3 远程传输测试步骤 43 5 3 1 远程监控预警软件初始化 43 5 3 2 远程数据库连接测试 44 5 3 3 远程监控预警功能测试 45 5 4 远程传输测试结果 47 第六章 总结与展望 48 6 1 工作总结 48 6 2 展望 49 6 2 1 系统发展建议 49 6 2 2 本设计发展建议 49 谢 辞 51 参考文献 52 附 录 54 附录 A 主窗口的主要程序代码 54 附录 B 后台设置框口主要代码 78 附录 C 预警图片窗口主要代码 91 附录 D 数据库操作 DBHELPERSQL CS代码 94 1 第一章第一章 绪论绪论 作为一种新兴技术无线传感器网络以其节点体积小 节点数量大且具有自适 应性 无中心自组织 网络动态性强等特点 受到国内外专家的关注 近几年随 着对无线传感器网络的研究深入 以其为技术基础开发的应用已经广泛的应用于 军 民用领域中 1 1 引言 更小 更廉价的低功耗计算设备代表的 后 PC 时代 冲破了传统台式计算 机和高性能服务器的设计模式 普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量 的 微机电系统 micro electro mechanism system 简称 MEMS 的迅速发展奠定了 设计和实现片上系统 system on chip 简称 SOC 的基础 以上三方面的高度集成 又孕育出了许多新的信息获取和处理模式 传感器网络就是其中一例 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通过自组织的方式构成网 络 借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热 红外 声 纳 雷达和地震波信号 从而探测包括温度 湿度 噪声 光强度 压力 土壤 成分 移动物体的大小 速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象 在通信方式上 虽然可以采用有线 无线 红外和光等多种形式 但一般认为 短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用 目前 GSM 和 3G 等无线移 动通信技术以及蓝牙 WIFI Ad hoc 等无线局域网技术应用日益广泛 但这些通 信技术普遍存在设备系统复杂 功耗较大 成本很高 因而不适合在一些低数据 速率和通信范围较小的场合应用 而无线传感器网络采用的 ZigBee 是一种新兴 的适合短距离 低速率无线组网通信技术 作为一种介于无线标记技术与蓝牙技 术之间的技术提案 无线传感器网络主要用于近距离无线连接 它有自己的无线 标准 通过数千个微小的传感器之间相互协调来实现通信 具有成本低 体积 小 省去复杂的布线等优点 以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要 2 较高的传输带宽 但却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗 使用户能拥 有较长的电池寿命和较多的器件阵列 如果将采用 ZigBee 技术的无线传感器网络与现有的其他各种网络连接 实 现远程实时监测 感知和采集网络覆盖区域中各种监测对象的信息 例如将传感 器节点采集到的数据通过互联网 局域网 或卫星发送给用户 则可以大大拓展 无线传感器网络在各领域的应用 1 2 课题背景与研究意义 无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注 无线传感器网络技术 的研究起源于 20 世纪 70 年代 最早应用于军事领域 在卡耐基一梅隆大学成立 了新一代分布式传感器网络工作组 此后 DA 联合美国自然科学基金委员会设 立了多项有关无线传感器网络的研究项目 我国近两年也以多种形式支持无线传 感器网络的研究 这些研究推动了以网络技术为核心的新军事革命 诞生了网络 中心战的思想和体系 战场感知是目前无线传感器网络技术的一个重要应用 已成为 C4ISRT 战场 指挥系统的重要组成部分 近年来 美军相继确立了 灵巧传感器网络通信计划 战场环境侦察与监控系统 无人值守地面传感器群 及 协同作战能力计 划 等 23 个项目 无线传感器网络是由大量无处不在的具有通信与计算机能力的微小传感器节 点 密集布设在无人值守的监控区域而构成的 能够根据环境自主完成指定任务 的 智能 自治监控网络系统 无线传感器网络是一种超大规模 无人值守 资 源严格受限的全分布系统 采用多跳对等的通信方式 其网络拓扑动态变化 具 有自组织 自治 自适应等智能属性 本设计是完成一种基于 ZigBee 技术的无线传感器网络系统数据的远程传 输 进而将其应用于战场环境的远程监控方面 因为这种远程监控网络成本较 低 无需布线 多个传感器节点布置于各种监控环境 无线传感器网络技术是一 种低功耗 自组织的短距离技术 可以实现监测 感知和采集网络分布区域内的 3 各种环境对象数据 传感器网络配合监控软件就可以实现数据的采集和分析 从 而降低人工维护成本和设备成本 基于 ZigBee 的传感器网络技术如果结合有线 网络 如以太网 开发应用 能够实现整个战场范围敌我态势的远程实时监控 也 可以将其结合无线蜂窝网络技术可以实现手机等移动终端对战场的实时监测 因 此无线传感器网络数据的远程传输的研究具有重要的应用价值 对比外军 我军尚无用于实战的无线传感器网络系统 无线传感器网络用于 战场环境侦察与监控 相比人工侦察 监控手段更加隐蔽 更加准确 情报传递 也更加即时 采用无线传感器网络不但节省了人力 保障了士兵的生命安全 更 重要的是它能够更加高效的为指挥员提供一个实时 透明战场态势图 为我军作 战决策提供重要依据 目前我军有线光线网络已经成熟 本设计的实现将为无线 传感器网络与现有军用有线网络无缝连接提供可行解决方案 为指挥员在战时决 策提供情报依据 1 3 无线传感器网络应用研究现状 MEMS 支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为传感器网络赋 予了广阔的应用前景 目前已经广泛运用在军事 环境 健康 家庭和其他商业 领域 1 军事应用 在军事领 传感器网络将会成为 C4ISRT 系统不可或缺的一部分 C4ISRT 系 统的目标是利用先进的高科技技术 为未来的现代化战争设计一个集命令 控 制 通信 计算 智能 监控 侦察和定位于一体的战场指挥系统 受到了军事 发达国家的普遍重视 因为传感器网络是由密集型 低成本 随机分布的节点组成 的 自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个 系统的崩溃 这一点是传统的传感器技术所无法比拟的 也正是这一点 使传感器 网络非常适合应用于恶劣的战场环境中 包括监控我军兵力 装备和物资 监控冲 突区 侦察敌方地形和布防 定位攻击目标 评估损失 侦察和探测核 生物和化学 攻击 在战场 指挥员往往需要及时准确地了解部队 武器装备和军用物资供给 4 的情况 铺设的传感器将采集相应的信息 并通过汇聚节点将数据送至指挥所 再 转发到指挥部 最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图 传感器 网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中 在军事应用中 与独立的 卫星和地面雷达系统相比 传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面 1 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比 这一直是 卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一 2 传感器网络低成本 高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错 能力 3 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能 的影响 4 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标 5 多节点联合 形成覆盖面积较大的实时探测区域 6 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力 可以有效 地消除探测区域内的阴影和盲点 2 环境科学 随着人们对于环境的日益关注 环境科学所涉及的范围越来越广泛 通过传 统方式采集原始数据是一件困难的工作 传感器网络为野外随机性的研究数据获 取提供了方便 比如 跟踪候鸟和昆虫的迁移 研究环境变化对农作物的影响 监测 海洋 大气和土壤的成分等 系统中就有数种传感器来监测降雨量 河水水 位和土壤水分 并依此预测爆发山洪的可能性 类似地 传感器网络对森林火灾准 确 及时地预报也应该是有帮助的 此外 传感器网络也可以应用在精细农业中 以监测农作物中的害虫 土壤的酸碱度和施肥状况等 3 医疗健康 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 用传感器网络 医生就可以随时了解被监护病人的病情 进行及时处理 还可以利 用传感器网络长时间地收集人的生理数据 这些数据在研制新药品的过程中是非 常有用的 而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太 多的不便 此外 在药物管理等诸多方面 它也有新颖而独特的应用 总之 传感 5 器网络为未来的远程医疗提供了更加方便 快捷的技术实现手段 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想 借助于航天器布撒的传感器网络 节点实现对星球表面长时间的监测 应该是一种经济可行的方案 NASA 的 JPL Jet Propulsion Laboratory 实验室研制的 Sensor Webs 就是为将来的火星探测进 行技术准备的 已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善 5 其他商业应用 自组织 微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点 这些特 点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会 比如 嵌入家具和家电 中的传感器与执行机构组成的无线网络与 Internet 连接在一起将会为我们提供更 加舒适 方便和具有人性化的智能家居环境 德国某研究机构正在利用传感器网 络技术为足球裁判研制一套辅助系统 以减小足球比赛中越位和进球的误判率 此外 在灾难拯救 仓库管理 交互式博物馆 交互式玩具 工厂自动化生产线 等众多领域 无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式 当然 在空间探索和灾难拯救等特殊的领域 传感器网络也有其得天独厚的技 术优势 1 4 设计任务 主要任务是分析 CC2530 协调器串口传输的传感器数据格式 通过 C NET 串口通信和 C 语言编程实现的 Access 数据库写入 读出处理 将 Access 数据库 升迁至 SQL Sever 数据库 通过以太网网络设置 SQL Server 数据库账户配置等 操作实现以太网内数据的远程传输 供监控程序调用数据 从而实现对无线传感 器网络的远程实时监控 并编写可视化界面 实时对传感器数据进行远程监控 同时设置传感器数据报警范围 可以进行报警事件进行记录 弹出图片窗口等处 理 本人所做工作主要包括如下几点 1 学习掌握无线传感器网络基本知识和工作原理 6 2 学习 C 语言 基于 Visual Studio2008 平台 编写完成远程监控预警软件 界面设计 3 学习 Visual C NET 串口通信 完成串口数据读取 分析 4 学习 SQL Server 数据库的设计 远程访问以及数据分发 7 第二章第二章 无线传感器网络和以太网简介无线传感器网络和以太网简介 本设计主要担负的基于 WSN 的侦察与监控系统中远程终端对本地终端的数 据远程访问任务及无线传感器网络数据的远程传输任务 其主要涉及的有无线传 感器网络技术 以太网网络通信技术和 C 编程语言 以及 Visual Studio2008 开发 平台和 SQL Server 数据库 2 1 无线传感器网络 无线传感器网络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自组织网络 无线传感器网络由称为 微尘 mote 的微型计算机构成 这些微型计算机通常指带有无线链路的微型独立节能 型计算机 无线链路使得各个微尘可以通过自我重组形成网络 彼此通信 并交 换有关现实世界的信息 它是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式 构成的无线网络 其目的是协作的感知 采集 处理和传输网络覆盖地理区域内 被感知对象的监测信息 并报告给用户 它的英文是 Wireless Sensor Network 简 称 WSN 2 1 1 无线传感器网络工作机制 大量的传感器节点将探测数据 通过汇聚节点经其它网络发送给了用户 传感器网络通常由覆盖一个地区的若干传感器节点组成 每个传感器节点独立进 行数据收集及处理 并将得到的数据通过无线连接传送到汇聚节点 再由汇聚节 点向互联网发送 对于传感器网络 路由协议设计是很具挑战性的 首先 节点 没有全球唯一的标识符 传统的互联网路由协议无法应用在传感器网络中 第二 传感器网络中的所有节点都是源节点 向唯一的目的节点 Sink 发送数据 第三 由于在被测对象内部或附近部署了大量的节点 它们采集到的数据是相同或相近 的 这就需要路由协议具有数据融合力 以节约电能 提高带宽利用率 第四 8 节点具备处理能力 节点的电能存储能力是很有限的 需要强大的资源管理和任 务调度能力 因此 传感器网络的路由协议是与传统网络截然不同的 在这个定 义中 传感器网络实现了数据采集 处理和传输的三种功能 而这正对应着现代 信息技术的三大基础技术 即传感器技术 计算机技术和通信技术 2 1 2 无线传感器网络的协议 ZigBee 协议基础 IEEE802 15 4 规范的主要内容仅包括有底层的物理层和 MAC 层相关协议 没有网络层等高层协议规范 因此为了保证 ZigBee 协议的完 整性 保证 ZigBee 协议实现的一致性和标准性 ZigBee 联盟在 IEEE802 15 4 规 范的基础土对 ZigBee 网络高层协议的详细内容和服务接 GAPI 进行了补充和标准 化 完整的 ZigBee 协议套件由高层应用规范 应用会聚层 网络层 数据链路 层和物理层组成 网络层以上协议山 ZigBee 联盟制定 IEEE802 15 4 负责物理层 和链路层标准 ZigBee 具体应用相关的应用层由协议栈用户自己定义实现 ZigBee 协议构架 2 1 3 无线传感器网络构架 由于无线传感器和无线传感器网络巨大的市场和应用前景 目前全世界许多 公司都推出了各自的无线传感器网络 这些技术百花齐放 各有千秋 但是这些 技术之间 几乎不能相互兼容和互通 无线传感器网络系统的基本架构包括三部 分 第一部分是无线收发芯片 其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出 去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息 无线传感器收发芯片而言 IEEE 802 15 4 能为无线传感器应用提供最佳方案 这是因为 IEEE 802 15 4 规范可能是 主要且可能唯一的实用标准 目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片 像 TI 公司的 CC2420 CC2520 等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性 第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件 也称软件协议 9 栈 network stack 网络堆栈有两个职责 首先 它必须要处理节点间的无线链接通 信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰 并具有对网络自组织 自 恢复的能力 网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力 确保讯息可 靠高效地通过各种网络拓扑 星状 网状等等 第三部分应用软件 这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码 这些代 码目前大部分是采用 C 语言来进行开发 可以之间以接口和 API 方式 调用软件 协议栈的功能 无线传感器和传感器网络 由于具有覆盖区域广阔 监测高精度 可远程监 控 可快速部署 可自组织和高容错性等特点 尽管目前无线传感器网络仍处于 初步应用阶段 网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问 题 但已经展示出了非凡的应用价值 2 2 以太网 以太网 Ethernet 指的是由 Xerox 公司创建并由 Xerox Intel 和 DEC 公司联 合开发的基带局域网规范 是现有局域网采用的最通用的通信协议标准 以太网 络使用 CSMA CD 载波监听多路访问及冲突检测 技术 并以 10Mbit s 的速率 运行在多种类型的电缆上 以太网与 IEEE802 3 系列标准相类似 以太网是应用最为广泛的局域网 包括标准的以太网 10Mbit s 快速以太 网 100Mbit s 和 10G 10Gbit s 以太网 采用的是 CSMA CD 访问控制法 它们都符合 IEEE802 3 2 2 1 IEEE802 3 标准 IEEE802 3 规定了包括物理层的连线 电信号和介质访问层协议的内容 以 太网是当前应用最普遍的局域网技术 它很大程度上取代了其他局域网标准 如 令牌环 FDDI 和 ARCNET 历经 100M 以太网在上世纪末的飞速发展后 目前 千兆以太网甚至 10G 以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围 10 常见的 802 3 应用为 10M 10base T 铜线 UTP 模式 100M 100base TX 铜线 UTP 模式 100base FX 光纤线 1000M 1000base T 铜线 UTP 模式 该标准定义了在局域网 LAN 中采用的电缆类型和信号处理方法 以太网 在互联设备之间以 10 100Mbps 的速率传送信息包 双绞线电缆 10 Base T 以太网 由于其低成本 高可靠性以及 10Mbps 的速率而成为应用最为广泛的以太网技术 直扩的无线以太网可达 11Mbps 许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软 件协议进行通信 开放性最好 2 2 2 CSMA CD 共享介质以太网 带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 技术规定了多台电脑共享一个 通道的方法 这项技术最早出现在 1960 年代由夏威夷大学开发的 ALOHAnet 它使用无线电波为载体 这个方法要比令牌环网或者主控制网要简单 当某台电 脑要发送信息时 必须遵守以下规则 开始 如果线路空闲 则启动传输 否则转到第 4 步 发送 如果检测到冲突 继续发送数据直到达到最小报文时间 保证所有 其他转发器和终端检测到冲突 再转到第 4 步 成功传输 向更高层的网络协议报告发送成功 退出传输模式 线路忙 等待 直到线路空闲 线路进入空闲状态 等待一个随机的时间 转到第 1 步 除非超过最大尝试 次数 超过最大尝试传输次数 向更高层的网络协议报告发送失败 退出传输模式 就像在没有主持人的座谈会中 所有的参加者都通过一个共同的媒介 空气 来相互交谈 每个参加者在讲话前 都礼貌地等待别人把话讲完 如果两个客人 11 同时开始讲话 那么他们都停下来 分别随机等待一段时间再开始讲话 这时 如果两个参加者等待的时间不同 冲突就不会出现 如果传输失败超过一次 将 采用退避指数增长时间的方法 退避的时间通过截断二进制指数退避算法 truncated binary exponential backoff 来实现 2 2 3 以太网的工作原理 以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问 CSMA CD 机制 以太网中 节点都可以看到在网络中发送的所有信息 因此 我们说以太网是一种广播网络 以太网的工作过程如下 当以太网中的一台主机要传输数据时 它将按如下步骤进行 1 监听信道上是否有信号在传输 如果有的话 表明信道处于忙状态 就 继续监听 直到信道空闲为止 2 若没有监听到任何信号 就传输数据 3 传输的时候继续监听 如发现冲突则执行退避算法 随机等待一段时间 后 重新执行步骤 1 当冲突发生时 涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信 道状态 注意 每台计算机一次只允许发送一个包 一个拥塞序列 以警告所有的节 点 4 若未发现冲突则发送成功 所有计算机在试图再一次发送数据之前 必 须在最近一次发送后等待 9 6 微秒 以 10Mbps 运行 12 第三章第三章 基于基于 WSNWSN 的侦察与监控系统的侦察与监控系统 本设计依托是全国大学生创新训练项目 基于 WSN 的侦察与监控系统设计 与实现 开展的一个子课题 基于 WSN 的侦察与监控系统一个硬件制作和软件 编程结合的无线传感器网络系统 在硬件方面主要是完成了汇聚节点板 传感器 节点板 电池板 温度传感器 震动传感器 人体红外传感器 温度传感器的电 路设计和制作 软件编程方面完成了本地监控软件和远程监控预警软件的设计 3 1 基于 WSN 的侦察与监控系统设计 图 3 1 无线传感器网络监控平台系统结构图 本系统由各类传感器节点感应战场环境 通过无线传感器网络将感应的数据 回传 通过计算机对传感器数据的实时处理 以及开发的应用软件 实现了本地 和远程同时对战场环境的实时监测 本系统是一个完整的传感器网络 由 4 个采集节点 1 个汇聚节点 1 个便 于用户查看和控制的上位机以及局域网内远程用户终端组成 系统结构如图 3 1 所示 采集节点用于对环境数据的采集 数据的预处理 同时承当数据的路由转 发功能 汇聚节点负责整个网络的开启和维护 向采集节点发送命令 收集节点 的数据以及和 PC 的串口通信 上位机是数据收集的终端设备 并且可以根据用 户的需要对节点的采集时间间隔 休眠时间间隔 传感器的开关进行相应设置 上位机程序分为了本地程序和远程程序 本地程序主要将串口数据读出来放进 13 Access 数据库 在本地进行分析处理 然后将结果显示在可视化界面上 并将 Access 数据库升迁至 SQL Server 数据库 远程程序主要是通过局域网远程访问 SQL Server 数据库里的数据 在远程计算机上实时更新监测数据 并根据预警值 设置进行弹出图片窗口达到远程预警的目的 3 2 节点的硬件系统 图 3 2 传感器网络硬件架构 图 3 2 为 ZigBee 无线传感器网络节点的硬件系统总体框图 该系统由 CC2530 器件模块和无线收发模块组成 CC2530 射频器件模块由 CC2530 器件和 相关外围电路构成 CC2530 内部集成有无线收发器和 8051 内核 可以简化电路 设计 在单片机和无线收发器之间不加接口电路就能够进行通信 经实际测量发 现 两个网络节点在空旷地面的通信距离是 10 75 m 如果这个距离不能满足应 用需要 可以在 CC2530 器件与天线之间加一级接口电路即无线收发模块 用来 放大接收和发送信息的功率 从而加大数据传送距离 为降低各个模块的连接复杂程度 同时适应现代的电脑通信习惯 本设计在 硬件允许的情况下将各个模块进行优化融合设计 实现了节点与电脑的 USB 通 信 模块简单化的连接 传感器通用化的接口 只需采取不同的智能传感器即能 完成特定功能 14 3 3 侦查与监控系统本地监控软件系统 本地监控软件以 Windows 7 为操作系统平台 采用 C 语言在 Visual Studio 2008 NET 环境下编写完成的 并且集成了大量实用的类库 本系统上位机部分 主要使用 Serial Port 类和 Thread 类进行串口通信还有多线程编程 3 3 1 本地监控软件功能设计 本地监控软件的应用数据功能和管理控制功能分别通过显示窗口和设置窗口 实现 显示窗口分为地图监控 即时监控 数据分析 网络结构四个界面 本地 监控软件功能结构图 3 3 所示 图 3 3 上位机软件功能结构图 软件各项功能设计要求如下 地图监控功能应实现显示节点在地图中的位置 并实时监测节点的状态 通过控制节点图标的亮 灭 判断节点是否加入网络等 即时监控应实现实时显示节点运行情况和节点数据 节点信息经过串口发 送 pc 解码后在窗口显示 并提供报警记录查看 即查看数据库中超出给定范围 的数据 数据分析应实现选择不同的节点 将节点数据以表格和图表的形式展现 通过图表的展示 更能直观的掌握数据的变化情况 图表显示是将每次接受到的 解码信息在坐标轴上描出 最终观察所描数据点的变化情况 此外 界面还提供 15 历史数据查询功能 输入时间信息即可调取数据库中的历史信息 网络结构显示应实现显示节点组网拓扑结构 设置窗口应实现可提供传感器设置 服务器设置 系统设置等功能 传感器设置应实现根据测试需要 对各种传感器的参数进行设置 传感器 数据的解码是根据公式 Y AX2 BX C 进行计算的 Y 是解码后的传感器值 X 是原始值 通过设置参数 A B C 可实现不同的解码算法 另外还可设置各个 节点的最大值与最小值 调整监测范围 3 3 2 本地数据库设计 本地监控软件数据库采用 Access 2007 数据库 数据库中主要需要两种类型 数据表 一个是用于地图监控功能读取数据的节点信息数据表 t node 数据表 两个是用于记录单个传感器节点数据的单个传感器节点数据包 t data 数据 表 要求节点信息数据表包 括 nID nodeID typeID nodeName atatus posX posY lastUpdat lastRec et areaID 等项 要求单个传感器节点数据表包 含 dataID receiveTime nodeID 传感器数据等项 数据从串口传输到 PC 监控软件从 PC 串口读取数据后 根据数据帧结构进 行数据分析得到数据 数据在监控软件界面显示的同时将数据存入数据库 数据 库从串口读取数据后 按照通信协议 将收到的数据分析析 再在数据库里生成 相应的数据表 数据表设计如图 3 4 图 3 5 所示 图 3 4 节点信息数据表 16 图 3 5 单个传感器节点数据表 17 第四章第四章 远程传输方案实现远程传输方案实现 无线传感器网络是通过与 PC 连接的 而现在的网络技术已经十分成熟 所 以有许多网络技术途径都能够实现无线传感器网络数据的远程传输 4 1 数据远程传输方案的论证 在本设计选择方案论证过程中主要挑选了三种备选远程传输方案进行对比 一是开发基于移动蜂窝网络的 Andrew 系统无线终端网络应用 二是开发基于 Windows Qt 系统的 ARM 平台的 WiFi 技术传输方案 三是在运行 Windows 7 系 统的 PC 上使用 SQL Server 远程访问本地终端数据库 通过论证三种方案的可行性都十分高 谷歌公司的 Andrew 系统集成了许多 网络传输和网页访问功能都能够完成无线传感器网络数据的远程传输 ARM 平 台可以 S3C6410 芯片与无线传感器网络汇聚节点直接进行串口通信 再通过 WiFi 模块进行网络通信完成无线传感器网络数据的远程通信 SQL Server 远程访 问服务器方案具有技术成熟 开发简单 参考实例多 传输数据量大 性能稳定 等优点 因为设计目的是应用在军事领域 为了提高保密性和可靠性最终选择 SQL Server 远程访问服务器方案 缩短开发周期也是选取此方案的一个重要因 素 4 2 远程监控预警软件设计要求 基于 WSN 侦察与监控远程监控预警软件在 VS2008 平台上用 C 语言编写 主要实现了数据在局域网的远程发送和在远程终端对数据的监控 此外本软件可 以通过预设阈值 根据传感器节点监控的数据对于战场情况进行初步的判定 以 实现远程预警功能 基于 WSN 侦察与监控系统远程监控预警软件在本设计中担负了无线传感器 网络数据的远程传输与人机交互任务 主要采取的是以太网远程访问远程服务器 数据库的形式来完成此功能的 18 软件主要要求具备下功能特点 1 软件具有良好的人机界面 2 简洁明了的数据远程监控功能 3 方便的各节点数据分类显示 4 定时更新数据库 合理的数据更新间隔减轻系统工作压力 即时监控战 场态势 5 图片远程预警 警示值班员战场变化 6 串行口数据自动接收 自动分析 自动处理 无需人工干预 7 可以自定义数据来源 随意选择数据库 灵活方便 兼容性好 8 通过阈值设定 智能判断战场情况 为决策提供参考 4 3 远程监控与远程预警功能设计思路 本设计中无线传感器网络数据的远程传输和远程预警功能主要是通过无线传 感器网络远程监控预警软件实现的 为了完成以上两个各功能 在开发过程中主 要为软件设计了远程监控窗口 如图 4 1 后台设置窗口 如图 4 2 和远程预 警弹图窗口 如图 4 3 三个窗体 设计界面简洁明了 使用人员易学易懂 操 作方便 图 4 1 远程监控窗口 19 图 4 2 后台设置窗口 图 4 3 远程预警弹图窗口 1 数据远程监控功能设计思路 数据远程监控功能主要是通过设置数据库连接 远程访问 SQL Server 服务器 中目标数据库 通过单击传感器类型选择按钮促发事件 读取目标 SQL Server 数 据库数据 将读取的数据列表显示在显示窗体内 2 远程预警功能设计思路 远程预警功能是通过创建判断规则 不同的规则通过处理综合处理不同类型 传感器传回的数据判断战场可能出现的情况 根据规则中操作人员对传感器阈值 20 的设置 系统会对无线传感器网络数据进行初步的逻辑判断 如果符合设置规则 条件 系统将自动弹出图片窗口警示执勤人员 远程监控预警软件主要功能 1 远程监控 通过图形界面操作 执勤者既可以选择监控所有节点最新 数据信息 也可以选择监控单个传感器节点数据信息 2 预警值设置 对既有的传感器节点采集值进行阈值设置 系统自动分 析初判战场可能出现的情况 3 数据库连接设置 灵活自由的设置数据来源 一个远程终端可以随时 选择监控的对象 节约资源 增强系统实用价值 4 远程预警 根据预警值设置分析 自动弹出相关图片 给执勤人员警 示作用 提示其采取相应措施 作出相应决策 软件功能结构图 4 4 所示 图 4 4 软件功能结构图 4 4 远程监控预警软件开发平台 根据方案要求 远程监控预警软件的实现需要在本地监控软件将从串口读取 数据进行处理 分析和显示等操作同时 远程的用户终端通过 SQL server 远程访 问由本地监控软件 Access 数据库升迁到 SQL Server 的数据库 好不通顺啊 将 读取的数据在远程监控预警软件界面上列表显示 并根据用户预先设置的阈值判 断战场可能正在发生的事件 并当监控到的数据符合阈值设置要求时弹出图片警 示执勤人员 21 4 4 1 开发工具的选择 因为在实际应用中无线传感器网络直接本地终端连接 依靠本地终端打开串 口从而实现无线传感器网络与 PC 间的串口通信 所以远程终端要获取无线传感 器网络数据相应本地终端操作人员进行操作 本系统中远程终端获取的无线传感器网络数据来源于本地终端的本地监控软 件 采用此方案有利于降低开发难度 简化了本地终端使用人员的操作 在开发 过程中 由于本地监控软件和远程监控预警软件是独立开发的 使用本地监控软 件开发人员选用了操作简单 功能强大 兼容性和拓展性非常好的 Microsoft Office Access 2007 数据库 但是由于 Access 数据库远程访问功能不能满足系统性能要求 所以选择了 Microsoft SQL Server 2008 数据库完成远程终端对本地终端的远程访问 通过 Microsoft Office Access 2007 软件集成的升迁功能 实现 Access 数据库与 SQL Server 数据库的连接和数据的同步更新 在人机交互界面设计中采用 C 语言编程 在 Microsoft 公司的 Visual Studio2008 平台中进行开发 Visual Studio2008 可以与 Microsoft Office Access 2007 数据库和 Microsoft SQL Server 2008 数据库相互间良好兼容 4 4 2 开发工具概述 1 Visual Studio2008 简介 VS2008 引入了 250 多个新特性 整合了对象 关系型数据 XML 的访问方 式 语言更加简洁 使用 Visual Studio 2008 可以高效开发 Windows 应用程序 设计器中可以实时反映变更 XAML 中智能感知功能可以提高开发效率 同时 Visual Studio 2008 支持项目模板 调试器和部署程序 新版 VS 的开发界面分为两个版本 整合模式和孤立模式 分别对基于语言 的开发和基于特别工具的开发作了优化 并将 Iron Python 引入了 Visual Studio 该界面将在 Visual Studio 2008 的 Beta2 版本中出现 Visual Studio 2008 在三个 方面为开发人员提供了关键改进 快速的应用程序开发 高效的团队协作 突破 22 性的用户体验 Visual Studio 2008 提供了高级开发工具 调试功能 数据库功 能和创新功能 帮助在各种平台上快速创建当前最先进的应用程序 开发人员能 够利用这些丰富的客户端和服务器端框架轻松构建以客户为中心的 Web 应用程 序 这些应用程序可以集成任何后端数据提供程序 在任何当前浏览器内运行并 完全访问 ASP NET 应用程序服务和 Microsoft 平台 Visual Studio 2008 还使 开发人员能够从同一开发环境内创建面向多个 NET Framework 版本的应用程 序 开发人员能够构建面向 NET Framework 2 0 3 0 或 3 5 的应用程序 意味 他们可以在同一环境中支持各种各样的项目 为了帮助开发人员迅速创建先进的软件 Visual Studio 2008 提供了改进的语 言和数据功能 例如语言集成的查询 LINQ 各个编程人员可以利用这些功能 更轻松地构建解决方案以分析和处理信息 特别是 Visual Studio 2008 中新加入的 的 SQL 数据库发布 为数据库的发布提供了更方便快捷的解决方案 2 Microsoft SQL Server 2008 简介 SQL Server 2008 是一个重大的产品版本 它推出了许多新的特性和关键的改 进 使得它成为至今为止的最强大和最全面的 SQL Server 版本 这篇文章详细介 绍了 Microsoft SQL Server 2008 中的新的特性 优点和功能 在现今数据的世界 里 用户要获得成功和不断发展 他们需要定位主要的数据趋势的愿景 微软的 这个数据平台愿景帮助用户满足这些数据爆炸和下一代数据驱动应用程序的需 求 微软将继续投入和发展以下的关键领域来支持他们的数据平台愿景 关键任 务企业数据平台 动态开发 关系数据和商业智能 在过去的 SQL Server 2005 的基础之上 SQL Server 2008 做了以下方面的增 强来扩展它的安全性 简单的数据加密 外键管理 增强了审查 集成服务的可扩展性方面的两个关键优势是 SQL Server 集成服务 SQL Server Integration Services SSIS 管道改进 数据集成包现在可以更有效地扩展 使用有效的资源和管理最大的企业级的工作 负载 这个新的设计将运行时间的可扩展性提高到多个处理器中 SSIS 持久查找 执行查找是最常见的抽取 转换和加载 ETL 操作 这在 23 数据仓库中尤为普遍 当实际记录必须使用查找来转换业务键到它们相应的替代 中去时 SSIS 增强了查找的性能以支持大型表 3 Microsoft Office Access 2007 简介 Microsoft Office Access 2007 是由微软发布的关联式数据库管理系统 它结合 了 Microsoft Jet Database Engine 和图形用户界面两项特点 是 Microsoft Office 2007 的系统程式之一 凭借 Microsoft Office Fluent 用户界面和无需深厚的数据库 知识即可使用的交互式设计功能 Office Access 2007 可帮助信息工作者轻松 快 速地跟踪和报告信息 用户可以在网站上共享 审核和备份 Microsoft Office SharePoint Server 2007 列表上的信息 Access 2007 功能特点 1 使用 Office Fluent 用户界面更快地获得更好的结果 2 使用预制的解决方案快速入门 3 针对同一信息创建具有不同视图的多个报表 4 可以迅速创建表 而无需担心数据库的复杂性 5 使用全新字段类型 实现更丰富的方案 6 直接通过源收集和更新信息 7 通过 Microsoft Windows SharePoint Services 共享信息 8 使用 Office Access 2007 的富客户端功能跟踪 Windows SharePoint Services 列表 9 将数据移动到 Windows SharePoint Services 增强可管理性 10 访问和使用多个源中的信息 24 4 5 远程终端串口数据获取 图 4 5 数据帧格式 无线传感器网络本地终端是通过串行数据线与汇聚节点连接 发送 接收数 据按照串行通信协议进行 串行通信发送的数据帧结构如图 4 5 数据帧依次由 IC 类型 数据长度 传感器类型 来源地址 初始地址 帧序列号 跳数 数据 域 停止符 校验位十部分组成 PC 机一但接收到该字符 则立即进入事件处 理 首先分析发送过来的字符数据 分别提取节点 ID 号 传感器数据 然后在 数据库中搜索对应的网络节点 ID 字段 如果搜索到成功 则立即更新传感器数 据 如果搜索失败 返回为空 不更新数据库 以温度传感器与 PC 串口通信为例 DS18B20 温度模块由一块底板 一块 2530Zigbee 模块和一块 DS18B20 温度传感器板构成 底板负责提供电源给另外 两块板 2530Zigbee 模块控制 DS18B20 温度传感器采集温度 并通过无线发送 给汇聚节点 汇聚节点接到数据后会通过串口发送给 PC 机 通过 PC 的串口可 以拿到 DS19B20 模块传上了的数据 格式如图 4 6 所示 图 4 6 数据帧结构 其中红色的两个字节 00 0A 为传感器类型 通过这两个字节 就可以过滤 出温度传感器 绿色的两个字节 01 C7 就是有效温度值 转换为 10 进制并乘以 0 0625 就可以得到实际温度 0X01C7 H 455 D 455 0 0625 28 4375 25 转换后的实际温度就为 28 4375 当下位机增加网络节点时 必须在上位机端对应添加网络节点 并按照实际 网络节点 ID 添加 在本系统中由本地终端与无线传感器网络通过串口进行连接 通过本地终端 上安装的本地监控软件打开串口读取数据帧 然后对数据帧进行分析写入本地监 控软的 Access 数据库 远程终端在通过远程登陆 SQL Server 服务器 远程监控 预警软件连接在连接由 Access 数据升迁到目标服务器中相应的数据库 从而完成 了远程监控预警软件对串口数据的读取 4 6 数据库的远程访问 本设计主要包括了两个数据库应用 一个是用于远程数据库连接访问的 SQL Server 数据库 另一个是用本地终端中本地监控软件的 Access 2007 数据库 在 项目开发需要的数据库间相互连接 Access 数据库内置将 Access 升迁至 SQL Server 数据库功能 且两个数据库同为微软公司产品 所以 两个数据库间连 接 兼容等性能较好 4 6 1 远程终端的数据获取 本设计远程监控预警软件利用后台设置界面进行数据来源设置 可以任意选 择读取 Access 数据库或者 SQL Server 数据库 本系统采用的 SQL Server 2008 进行数据的远程访问方案 实现了无线传感 器网络数据的远程传输 数据从串口读出存储至本地监控软件的 Access 数据库 中 通过 Access 2007 数据库集成的升迁功能 将 Access 数据库升迁到 SQL Server 数据库 利用 SQL Server 2008 软件集成的数据库远程访问功能 由远程 终端上的 SQL Server 企业管理器远程登陆本地终端的 SQL Server 服务器账户 登陆完成后远程监控预警软件即可在远程终端上直接与 SQL Server 数据库建立连 接并读取数据 数据流程如图 4 7 26 图 4 7 数据流程图 4 6 2 SQL Server2008 设置开启远程连接 首先打开 SQL Server 数据库企业管理器 初始服务器账户名为计算机安装 SQL Server 软件时设置的计算机管理员账户 使用 windows 身份验证模式登陆 登陆成功后 选择目标服务器单击鼠标右键 在弹出的菜单中选择属性一栏 如 图 4 2 SQL Server 2008 默认是不允许远程连接的 sa 帐户默认禁用的 如果 想要在本地用 SSMS 连接远程服务器上的 SQL Server 2008 需要做两个部分的配 置 1 SQL Server Management Studio Express 简写 SSMS 2 SQL Server 配置管理器 SQL Server Configuration Manager 简写 SSCM 另外还需要有两点要注意 1 2005 的外围应用配置器在 2008 中换了地方 2 有些设置生效需要重启一下 SQL Server 然后进行以下操作 对 SQL Server 进行设置 step 1 打开 SSMS 用 windows 身份连接数据库 登录后 右键选择 属 性 step 2 左侧选择 安全性 选中右侧的 SQL Server 和 Windows 身份验 证模式 以启用混合登录模式 step 3 选择 连接 勾选 允许远程连接此服务器 然后点 确定 step 4 展开 安全性 登录名 sa 右键选择 属性 27 step 5 左侧选择 常规 右侧选择