（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器网络的智能家居系统.pdf

重庆邮电人学硕十论文摘要 摘要 无线传感器网络是当前国际上备受关注的 由重多学科高度交叉的新兴前沿 研究热点领域 它在军事国防 工农业 城市管理 智能家居 生物医疗 环境 监测 抢险救灾 危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用 价值 智能家居系统的设计首先要在家庭内部以家庭总线的方式构建一个相当于 住宅神经的家庭控制网络 各种功能模块根据用户需要接入家庭网络 完成信息 采集 传输 控制等相关功能 智能家居的发展依赖于网络技术与监控技术在家 庭内部的推广 因此 选取合适的家庭网络协议就成为构建智能家居的主要任务 本文通过分析得出把无线传感器网络技术应用于智能家居系统中具有很大优势 并给出了具体的 基于无线传感器网络的智能家居系统 设计方案 通过改进 m i n i m u mc o s tf o r w a d i n g 算法得到了 个适合家庭网络的路由协议 并给出了协 议的软件实现 在节点的硬件电路设计上 采用模块化的设计结构减少了电路设 计的复杂度 并且可以对节点的功能进行灵活配置 在软件设计上 采用层次化 的软件结构 底层软件模块向上层软件模块提供函数接口 而把函数功能的具体 实现细节对上层屏蔽 这样可以大大减少软件设计的难度 提高软件的可移植性 和系统运行的可靠性 论文最后部分给出了几个设计实例 关键词 无线传感器网 自组织 智能家居 家庭网络 重庆邮电人中硕 论文 摘要 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w s n a r et h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a lc o n c e r n t h eh i g h l yc r o s s c u t t i n gi n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c hi ne m e r g i n gh o ta r e a f o r w a r d ilh a st h ei m p o r t a n ts c i e n t i f i cr e s e a r c hv a l u ea n dt h eh u g e p r a c t i c a lv a l u ei n t h em i l i t a r yn a t i o n a l d e f e n s e t h ei n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e t h ec i t ym a n a g e m e n t t h ei n t e l l i g e n c el i v e sa th o m e t h e b i o l o g i c a lm e d i c a ls e r v i c e t h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g t h ee m e r g e n c y d i s a s t e rr e i e f t h ed a n g e r o u sr e g i o nl o n g d i s t a n c ec o n t r o la n ds o o nm a n y d o m a i n sa l t t h em a s t e rh o m es y s t e md e s i g nf i r s tt ob u i i dah o m ec o n t r o ln e t w o r k e q u a lh o m en e u r a ln e t w o r k e a c hk i n do ff u n c t i o nm o d u l et h a tp e r f o r m e d d a t ac o l l e c t i o n t r a n s m i s s i o n c o n t r o la n ds oo nf u n c t i o n s c o n n e c t e dt o t h eh o m en e t w o r ka c c o r d i n gt ou s e r t h em a s t e rh o m ed e v e l o p m e n tr e l i e s o nt h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h em o n i t o r i n gt e c h n 0 1 0 9 yi n t h eh o m e i n t e r i o rp r o m o t i o n t h e r e f o r e s e l e c t st h ea p p r o p r i a t eh o m en e t w o r ki s t h em a i nt a s kt ob u i l dt h e m a s t e rh o m e t h i sp a p e rc o n c l u d e st h a ta p p l y i n g w s nt om a s t e rh o m eh a sg r e a ta d v a n t a g e sa n dp r o v i d i n gas p e c i f i c s m a r t h o m en e t w o r k sb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rs y s t e m d e s i g n t h r o u g hi m p r o v e d m i n i m u mc o s tf o r w a d i n ga l g o r i t h m st os u i tf a l n i l yn e t w o r ka n dg a v et h e s o f t w a r ea c h i e v e d i nn o d eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n t h eu s eo fm o d u l a r d e s i g ns t r u c t u r et or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fc i r c u i td e s i g n a n dc a nb e f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o no fn o d e sf u n c t i o n i ns o f t w a r ed e s i g n t h eu s eo f t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r el e v e l b o t t o ms o f t w a r em o d u l e sp r o v i d ef u n c t i o n i n t e r f a c e st ot o ps o f t w a r em o d u l e s a n ds h i e l dd e t a i l so ff u n c t i o n st o a c h i e v e t h jsw i l lg r e a t l yr e d u c et h ed i f f i c u l t yo fs o f t w a r ed e s i g na n d i m p r o v es o i t w a r ep o r t a b i l i t ya n do p e r a t i n gs y s t e mr e l i a b i l i t y s e v e r a l d e s i g ne x a m p l e sa r eg i v e ni nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r k e y w o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s s e l f o r g a n i z e d m a s t e rh o m e h o m en e t w o r k s 0 独创性声明 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 掘我所知 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 也不包含为获得重废睦虫太 l 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 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 川畚4 i 签字日期 炒 年 月 f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖噬电太堂有关保留 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 重区壑鱼太堂 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 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 i 1 香力卜 签字同期 弦 石年岁月阳r 剔程氢乡豚z 夕 o 签字只期 彩年岁月坯百 一 l 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 智能家居系统是将家中与信息有关的通信设备 家用电器和家庭安全装置通 过家庭总线 家庭网络 技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或远程监 视 控制或家庭事务管理 并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统 国 际上对智能家居的研究起源于2 0 世纪7 0 年代 主要集中在发达国家 如美国 开本以及欧洲的德国 英国和法国 目前国际上存在很多智能家居标准 如x 一1 0 c e b u s 等 我国对智能家居的研究还刚刚起步 目前国内在这领域占主导 地位的有e 家佳联盟和闪联联盟 2 0 0 5 年6 月 闪联的 信息设备智能互连与 资源共享协汉 i g r s 被信息产业部指定为国内智能家居标准 同年7 月 e 家佳的 信息设备互连标准 也被信息产业部指定为国内智能家居标准 目前 市场上基于这两个标准的产品还很少能见到 无线传感器网络的发展可以追溯到2 0 世纪7 0 年代 最先应用于军事领域 由于受当时技术条件的限制 传感器网络的研究和应用非常有限 3 进入2 l 世 纪后 随着传感器技术 半导体制作技术 嵌入式处理技术等的发展 无线传感 器网络的研究和发展取得了突飞猛进的成果 其应用领域也开始从单一军事领域 朝多元化的方向发展 特别是一些大公司的加入 使无线传感器网络在环境监控 工业控制 智能城市和智能家庭等领域取得实际可行的应用成果 传感器网络是 以应用为主的网络 不同的应用环境网络差别很大 所以 传感器网络在智能家 居和智能城i h 方面的应用研究还不是很完善 需要我们投入更多研究 为此 把无线传感器网络引入到智能家居系统中 开发一套基于传感器网络 的智能家居系统 这既有助国内智能家居的发展 同时这也是传感器网络发展的 需要 1 2 论文的内容 本文简单介绍了无线传感器网络的一些基本概念和网络特点 介绍了智能家 居的一些基本概念和家庭网络的特点 研究了目前国外 国内智能家居的发展状 况 通过技术和市场的分析得出把无线传感器网络引入到智能家居中具有很大的 优势和发展f j i 景 然后给出了具体的 基于无线传感器网络的智能家居系统 的 设计方案 同时文中还给出了该方案的具体软 硬实现 在节点 包括家庭网关 重庆邮电人宁硕十论文第一章绪论 的设计上 采用模块化的结构 把节点分为基础单元和应用单元 所有节点采用 相同的基础单元 只需要改变应用单元 就可以得到不同的应用节点 这使得节 点的设计简t 隹 应用灵活 同时该系统具有很好的扩展性 除了能满足普通家庭 用户的需要 还可以满足住宅面积大 比如别墅 的用定的需要 并且可以用来 组建智能小区 智能城市等 1 3 论文的结构 第一章 绪论 介绍论文的刀二题背景 论文的工作和论文结构 第二章 介绍无线传感器网络的一些概念 网络特点和研究现状 同时介绍 智能家居的一些概念 家庭网络的特点和研究现状 第三章 介绍基于无线传感器网络技术的智能家居系统的设计 包括设计背 景 以及家庭网络路由协议和网络管理 第四章 智能家居系统硬件电路设计 包括普通节点和家庭网关的硬件电路 最后还给出部分应用系统的电路设计实例 第五章 智能家居系统的软件设计 包括底层驱动程序 网络协议软件实现 应用程序的丌发三个部分 第六章 总结本文做的工作 评价整个系统设计的优缺点以及未柬的发展方 向 2 垩鏖坚 丝叁堂堡 造奎堡丝室堡塑垂垡焦些矍婴鳖堕佥 第二章智能家居和无线传感器网络简介 2 1 智能家居 2 1 1 相关概念 智能家居 智能家居就是通过综合采用先进的计算机 通信和控制技 术 3 c 建立一个由家庭安全防护系统 网络服务系统和家庭自动化系统 组成的家庭综合服务与管理集成系统 从而实现全面的安全防护 便利的 通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅 1 家庭自动化 家庭自动化是指利用微处理电子技术 束集成或控制家 中的电子电器产品或系统 例如 照明灯 咖啡炉 电脑设备 保安系统 暖气及冷气系统 视讯及音响系统等 家庭自动化系统主要是以一个中央 微处理机 c e n t r a lp r o c e s s o ru n i t c p u 接收来自相关电子电器产品 外 界环境因素的变化 如太阳初升或西落等所造成的光线变化等 的信息后 再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品 中央微处理机必须 透过许多界面来控制家中的电器产品 这些界面可以是键盘 也可以是触 摸式荧幕 按钮 电脑 电话机 遥控器等 消费者可发送信号至中央微 处理机 或接收来自中央微处理机的讯号 家庭自动化是智能家居的一个重要系统 在智能家居刚出现时 家庭 自动化甚至就等同于智能家居 今天它仍是智能家居的核心之一 但随着 网络技术智能家居的普遍应用 网络家电 信息家电的成熟 家庭自动化的 许多产品功能将融入到这些新产品中去 从而使单纯的家庭自动化产品在 系统设计中越来越少 其核心地位也将被子家庭网络 家庭信息系统所代 替 它将作为家庭网络中的控制网络部份在智能家居中发挥作用 家庭网络 家庭网络和纯粹的 家庭局域网 的概念是不一样的 家 庭局域网 指得是连接家庭内的p c 各种外设以及与因特网互连的网络系 统 它只是家庭网络的一个组成部分 家庭网络是指在家庭范围内 可扩 展至邻居 小区 将p c 家电 安全系统 照明系统和广域网相连接的一 种技术 当前在家庭网络所采用的连接技术可以分为 有线 和 无线 两大类 有线方案主要包括 双绞线或同轴电缆连接 电话线连接 电力 线连接等 无线方案主要包括 红外线连接 无线电连接 基于r f 技术的 连接和肇于p c 的无线连接等 3 重庆肌t u 人学硕士论文智能家居和无线传感器网络简介 网络家电 网络家电是将普通家用电器利用数字技术 网络技术及智 能控制技术设计改进的新型家电产品 网络家电可以实现互联组成一个家 庭内部网络 同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接 可见 网络 家电技术包括两个层面 首先就是家电之间的互连问题 也就是使不同家 电之m 能够互相识别 协同工作 第二个层面是解决家电网络与外部网络 的通信 使家庭中的家电网络真正成为外部网络的延伸 信息家电 信息家电应该是一种价格低廉 操作简便 实用性强 带 有p c 主要功能的家电产品 利用电脑 电信和电子技术与传统家电 包括 白色家电 电冰箱 洗衣机 微波炉等和黑色家电 电视机 录像机 音 响 v c d d v d 等 相结合的创新产品 是为数字化与网络技术更广泛地深 人家庭生活而设计的新型家用电器 信息家电包括p c 机顶盒 h p c d v d 超级v c d 无线数据通信设备 视频游戏设备 w e b t v n t e r n e 电话等等 所有能够通过网络系统交互信息的家电产品 都可以称之为信息家电 从广义的分类来看 信息家电产品实际上包含了网络家电产品 但如 果从狭义的定义来界定 我们可以这样傲一简单分类 信息家电更多的指 带有嵌入式处理器的小型家用 个人用 信息设备 它的基本特征是与网络 主要指互联网 相连而有一些具体功能 可以是成套产品 也可以是一个 辅助配件 而网络家电则指一个具有网络操作功能的家电类产品 这种家 电可以理解是我们原来普通家电产品的升级 2 1 2 国际主流标准 早1 笙2 0 世纪7 0 年代 在以美国为首经济发达的资本主义国家 就已经 开始提出智能家居的概念 并且产生了几套比较成熟的家庭智能控制网络 协议标准 下面做一个简单的介绍 x l o 这是世界上最早出现的 也是最简单的智能家庭网络系统标 准 x 1 0 在二十世纪7 0 年代就开始在美国流行 x 一1 0 采用电力线作为其 网络通信介质 系统主要由发送器和接收器组成 发送器和接收器都有地 址 x 一1 0 的地址分为房间地址和设备地址 房间地址有1 6 个 设备地址也 有1 6 个 所以x l o 最多可以有2 5 6 个设备 c e b u s c e b u s 的全称是消费电子总线 c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s 它的发展可以追溯到1 9 8 4 年 美国电气工业协会 e i a 的消费电子小组开 始制订在家庭中使用的消费产品的网络通讯标准 此标准后来就被称作消 费电f 总线 1 9 8 9 年 消费电子总线的部分草案发布 直到1 9 9 2 年 所有 的消费电子总线规格说明书才得于发布 这就是e i a 6 0 0 标准 1 9 9 4 年 消 4 重庆邮i 也人学硕十论文 智能家居和无线传感器网络简介 费电子总线委员会 c e b u si n d u s t r yc o u c i l 成立 消费电子总线网络拓扑结构可以是总线型 星型 树型或混合型 总 线中的每个节点的地位是平等的 不需要一个主控设备 参考i s o 的o s i 网 络协议建议书 消费电子总线可划分为物理层 数据链路层 网络层和应 用层 消费电子总线的物理层是开放的 耳前支持的媒介有电力线 红外 线 无线电 双绞线 同轴电缆等 l o n t a l k 该协议是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年推出的l o n w o r k s n e t w o r k s 中使用的通信协议 它是第一个宣称提供o s i 参考模型所定义的全 部七层服务的协议 l o n t a l k 协议支持的介质包括双绞线 电力线 无线电 红外线 同轴电缆和光纤 在一个l o n w o r k s 网络上 各个节点的地位是相 等的 每个节点随时可以发起对另外的节点的通讯 e i b 1 欧洲安装总线 e i b e u r o p e a ni n s t a l l i n gb u s 是一个在欧 洲占主导地位的楼字自动化 b a 和家庭自动化 h a 标准 e i b 通信遵循 o s i 七层模型 采用双绞线 电力线 同轴电缆 无线作为其通汛介质 e i b 网络中 最基本的单元是总线耦合单元 b c u b u sc o u p l eu n i t 和应用 单元 a u a p p l i c a t i o nu n i t b c u 中固化了b i b 的部分通讯协议 以便设 备与总线交互 在b c u 的基础上 用户可以根据不同的应用选择不同的a u 除了以上四种协议外 还有一些协议也相当有名 如获得欧盟委员会 支持的e h s e u r o p e a nh o m es y s t e m 协议 同本的家庭总线 h o m e b u s 诺基姬 i b m 等公司推出的无线协议 篮牙 b l u e t o o t h 以及 m i c r o s o f t 公司推出的 通用即插即用 u n i v e r s i t yp l u ga n dp l a y 协议等 2 1 3 国内现状 对于智能家居的研究和产品开发 目前国内已形成了以联想为代表的 c i j 联和以海尔为代表的e 家佳两大互补标准 闪联联盟成立于2 0 0 3 年7 月 联盟的发起人以联想为首 包括t c l 康家 海信 长城等公司 到目前为 止 闪联的联盟企业有4 0 多家 2 0 0 5 年6 月 闪联的 信息家电标准 被信 息产业部指定为国内智能家居标准 e 家佳联盟成立于2 0 0 4 年7 月 联盟以 海尔为组长 包括清华同方 中国网通 广电集团 中国建筑业协会等 且前联盟企业已经超过2 0 0 家 2 0 0 5 年7 月 e 家佳的 数字社区标准 被信 息产业部指定为国内智能家居标准 闪联的技术和市场定位于基于i p 技术 的高速多媒体技术领域 e 家佳倾向于家用电器产品之同的互连互通 闪联 的标准侧重于办公方面 e 家佳侧重于家庭方面 闪联和e 家佳的标准虽然 都被指定为国内智能家居的标准 但市场运作情况并不理想 重庆邮i h 人学硕十论文 智能家居和无线传感器网络简介 除了闪联和e 家佳 目前国内还有很多公司从事智能家居产品的开发或 销售 但是这些公司基本都集中在智能家屠一些子系统的开发上 比如远 程抄表 防盗报警等 也有部分公司完全是代理国外产品 这些公司本身 并没有一套完整的智能家居解决方案和标准 应该说 目前国内智能家居 的发展还处于一个起步的阶段 2 2 无线传感器网络 2 2 1 定义 无线传感器网络是由大量无处不在的 具有无线通信与计算能力的微 小传感器节点构成的自组织分布式网络系统 能根据环境自主完成指定任 务的 智能 系统 无线传感器网络是当前国际上备受关注的 由多学科 高度交叉的新兴前沿研究热点领域 传感器网络综合了传感器技术 嵌入 式计算技术 现代网络及无线通信技术 分布式信息处理技术等 能够通 过各类集成化的微型传感器协作地实时监 铡 感知和采集各种环境或监测 对象的信息 通过嵌入式系统对信息进行处理 并通过随机自组织无线通 信网络以多跳中继方式将所感知 处理后的信息传送到用户终端 2 2 2 无线传感器网络节点和网络体系结构 个典型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点 群 接 收发送器 互联网和用户界面等 其中 传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元 传感 单元 出传感器和模数转换功能模块组成 处理单元 由嵌入式系统构 成 包括c p u 存储器 嵌入式操作系统等 通信单元 由无线通信模块 组成 以及电源部分 如图2 1 所示 此外 可以选择的其它功能单元 包括 定位系统 移动系统以及电源自供电系统等 6 重庆邮l b 人学硕十论文 智能家居和无线传感器网络简介 图2 1 传感器网络节点结构 在传感器网络中 大量的节点常常通过飞机布撒 人工都置等方式 部署在感知对象内部或者附近 这些节点通过自组织方式构成无线网络 以协作的方式感知 采集和处理网络覆盖区域中特定的信息 可以实现对 任意地点信息在任意时间的采集 处理和分析 这种以自组织形式构成的 网络 通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点 接收发送器 最后借助 s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理 一个典 型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点 群 s i n k 节点 互 联网和用户界面等 如图2 2 所示 在传感器网络中绝大多数的节点只 有很小的发射范围 而s i n k 节点的发射能力较强 具有较高的电能 可以 把数掘发回远程控制节点 图2 2 一个典型的传感器网络体系结构 2 2 3 无线传感器网络的特点 j 传统的无线网络 a dh o c 网络相比 无线传感器网络具有以下显著 特点 7 重庆邮l 人学硕十论文 智能家居和无线传感器网络简介 1 网络节点密度高 传感器节点数量众多 单位面积所拥有的节点数 远大于传统的无线网络 2 网络节点的能源有限 传感器网络节点一般靠电池供电 所以节点 的能源非常有限 3 节点通信能力有限 传感器网络的通信带宽窄而且经常变化 通信 覆盖范围只有几十米到几百米 传感器网络节点之间的断接频繁 经常通信失败 4 节点的计算能力和存储能力有限 传感器网络节点采用嵌入式处理 器和存储器 这些节点都具有计算和存储能力 能完成一定的数据 处理和存储功能 但是由于嵌入式处理器和存储器的能力有限 所 以传感器网络节点的计算能力和存储能力也就有限 5 网络节点基本固定不移动 但节点故障率高 网络拓扑变化频繁 6 网络节点之间的自组织 由于传感器网络节点数目多 应用特殊 不适合采用人为方式组织网络 只能靠节点之间的自组织方式组 网 2 2 4 无线传感网络的历史和发展现状 无线传感器网络最先来源于军事领域 1 9 7 8 年卡内基一梅隆大学就在 美国囡防高级研究署 d a r p a 的资助下成立了分布式传感器网络工作组 d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t s r k s h o p 专门研究以无线传感器网络为基 础的军事监视系统 但是由于当时技术条件的限制 研究和应用的范围十 分有限川 进入n 2 1 世纪 随着技术水平的大规模提高 当前对无线传感器网络 的研究和丌发己成为目前信息领域的一个热点 有越来越多的机构和公司 j 下加入到这方面的研究工作中来 国际上的一些大型研究项目包括有 加 州大学洛杉机分校的w i n s 网络 几乎涵盖了从信号处理到网络协议的所有 研究 加州大学伯克利分校的p i c or a d i o 项目 专注于信道选择 冲突避 免的媒介访问层 m a c 协议 麻省理工大学的l a m p s 项目 利用节点簇算法 来尽量降低功耗 还有其它众多的研究项目如t e r m i n o d e s m a n e t 等 军事领域的研究进展情况 美国陆军2 0 0 1 年提出了 灵巧传感器网络 通信 计划 已被批准为2 0 0 1 年财政年度的一项科学技术研究计划 并在 2 0 0 1 2 0 0 5 年财政年度期间实施 2 0 0 2 年5 月 美国s a n d i a 国家实验室与美 国能源部合作 共同研究能够尽早发现地铁 车站等场所为目标的生化武 器袭击 并及时采取防范对策的系统 重庆邮电人学硕士论文智能家居和无线传感器网络简介 民用领域的研究 1 9 9 5 年 美国交通部提出了 国家智能交通项目系 统规划 预计y q 2 0 2 5 年全面投入使用 2 0 0 2 年l o 月2 4 r 美国因特尔公 司发伽了 基于微型传感器网络的新型计算发展规划 这也就是后束经 常提到的智能灰尘 s m a r td u s t 计划 2 0 0 4 年3 月 美国因特尔公司向美 国政府人员等演示了一套无限传感器网络的家庭护理系统 学术界的研究进展 在美国自然科学基金委员会的推动下 美国的加州 大学伯克力分校 麻省理工学院 康奈尔大学 加州大学洛杉矾分校等学 校丌始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究 英国 日本 意大利等 国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作 学术界的研 究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上 也开展了一些感知数 据查询处理技术的研究 取得了一些初步研究结果 加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位霄的方法 基于相关性的s e n s o r 数据编码模式 用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象 路线的方法 传感器网络上随时间变化的连续流可视化方法 允许系统级 优化时宵效通信机制的一般化解 传感器网络上的数据分布式存储的地理 h a s h 表方法 确定传感器网络中节点位置的分布式算法等 并研制了一个传 感器操作系统t i n y o s 2 3 无线传感器网络路由协议 根据发送数据的节点选择路由时机的不同 可以把无线传感器网络的 路由协议分为主动路由协议 5 被动路由协议 和混合路由协议 删 在主动路由协议中 路由必须在数据传输之前计算出来 在被动路由协议 中 路由只有在需要的时候才计算 混合路由协议是主动路由协议和被动 路由协议的融合 由于传感器节点的资源非常有限 而且传感器网络中节 点的数量可能非常庞大 传感器节点不可能提供足够大的存储空间来保存 所有路由表 因此 在传感器网络中被动路由协议和混合路由协议使用得 更多 根掘节点间通信方式的不同 可以把无线传感器网络的路由协议分为 直接姬信路由协议 平面路由协议 层次化路由协议 在直接通信路由协 议中 节点直接和s i n k 通信 如果在网络覆盖面积比较大的情况下使用直 接通信路由协议 节点的能量消耗是非常快的 而且随着节点数目的增加 冲突问题将变得非常尖锐 在平面路由协议中 网络中所有的节点是平等 的 如果一个节点想要发送数据到s i n k 它选择的路由可能包含好几跳才 能到达s i n k 一般来说 越靠近s i n k 的节点越有可能被选择作为数据传送 9 重庆邮l 乜人学硕十论文智能家居和无线传感器网络简介 的中继点 因此 s i n k 附近的节点能量消耗要比远离s i n k 的节点能量消耗 快 在层次化路由协议中 把节点划分为若干个簇 每个簇选举一个首领 节点 由首领实现数据融合 达到节约功耗的目的 簇的划分是节点现有 的电量和它与首领的距离 与前面两种协议相比 层次化的路由协议可扩 展性好 而且可以动态选取能量较多的节点作为首领 从而达到各个节点 平均承担能量消耗的目的 按照协议的功能分 还可以将无线传感器网络的路由协议分为需要地 理定位辅助路由和不需要地理定位辅助路由 2 3 1f i o o d i n g 和g o s s i p i n g 它们是传感器网络应用最早最简单的路由协议 不需要任何路由算法 也不需要维护网络拓扑结构 在泛洪协议 f l o o d i n g 中 节点向它的所 有邻居节点广播接收到的数据 如此反复 直到数据达到目的节点或者达 到数掘报的最大跳数 这个协议存在的问题是内瀑 i m p l o s i o n 和重叠 o v e r l a p 内爆是由于不同节点向同一节点发送相同数据引起的 见图 2 3 重叠是由于检测同一区域的节点向相同节点发送数据引起的 见图 t 2 4 针对泛洪的内爆问题 s h e d e t n i e m i 等人提出了g o s s i p i n g 协议 节 点随机选择一个邻居节点转发分组 而不是向所有邻居节点转发数据 但 是协议增加了端到端的数据传输延迟 图2 3 内暴图2 4 重叠 2 3 2l e a c h l o we n e r g ya d a p t i v ec i u s t e ri n gh l e r a r c h y l e a c h 协议是h h m i t 的h e i n z e l m a n 等人提出的m 1 协议将所有节点分 为若f 簇 每个簇选举一个首领 簇首领还可以组成更高层次的簇 簇首 领接收本簇中节点发送的数据 实现数据融合功能 并向基站发送数掘 1 0 日 t 一 一 1 5 d 重庆邮电人学硕士论文智能家居和无线传感器网络简介 由于向基站发送数据要消耗很大的电能 每隔一段时间需要重新选举首领 以保证功耗在所有节点的平均分配 该协议具有两个运行阶段 簇建立阶 段和稳定运行阶段 为减少协议开销 稳定运行阶段的持续时间要长于簇 建立阶段 在簇建立阶段 将所有节点划分为若干簇 每个簇选举一个首领 每 个节点选取一个介于o 和1 之间的随机数 如果这个数大于门限值t n 该节点成为簇首领 门限值计算方法如下 rp i f 万 i fn e g 7 一jl 一 m o d 髟 1 伽 一1 o o t h e r 3 其中p 是首领节点占全部节点的百分数 r 是现在的轮次 g 是在最 近 p 轮没有成为首领的节点集合 选举结束之后 新当选的首领节点向 所有节点广播自己成为首领的消息 根据收到广播信号的强弱 每个节点 决定加入哪个簇 并答复该簇的首领 在稳定运行阶段 簇中的所有节点按照时分复用的方式向首领发送数 掘 每个节点发送 遍数据所用的时间称为帧时间 在持续工作一段时间 之后 网络进入下一轮工作周期 重新划分簇并选举首领 2 3 3s p i n s e n s o rp r o t o c o if o rj n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n 趁1 s p i n 是以数掘为中心的路由协议 通过协商机制来解决泛洪算法中的 内爆 和 重叠 问题 传感器节点仅广播采集数据的描述信息 当有 相应的请求时 才有目的地发送数据信息 s p i n 协议中有3 种类型的消息 a p a d v r e q 和d a t a 节点用a d v 宣布有数据发送 r e q 请求表示希望接 收数掘 用d a t a 封装数据 s p i n 协议的扩展性差 功耗在所有节点之间 分白不均衡 s i n k 节点附近的节点首先耗尽电能 2 3 4m i n i i l i u mc o s t f o r w a r d i n g i n l a r g e s e n s o r n e t w o r k s 该算法是以一个c o s tf i l e d 为基础的 对于一个给定的s i n k 首先需要 建立一个c o s tf i e l d 每个节点的c o s tf i e l d 值也就是该节点到s i n k 的 重庆邮l 乜人学硕十论文 智能家居和无线传感器网络简介 m i n i m u mc o s t 这儿所说的c o s t 可以是能耗 时延等参数 c o s tf i e l d 的概 念就像水从高的地方流向低的地方的重力场一样 一旦c o s tf i e l d 建立后 就可以选择m i n i m u mc o s t 路径来传送数据到达s i l l k 在传送结束之前 每 个数掘包都要携带它从s o u r c e 源节点 到s i l l l 的m i n i m u mc o s t 我们把 数据从源到s i n k 经过的节点称为中间节点 源到中间节点的花费之和称为 c o n s u m e dc o s t 每个节点收到数据包时 先计算它的c o s t 它到s i n k 的 m i n i m u mc o s t 加上数据包携带的c o n s u m e dc o s t 是否小于或等于数据包所 携带的s o u r c ec o s t 源节点到s i n k 的m i n i m u mc o s t 如果小于或等于 则转 发该数据包 否则就丢弃该数据包 通过这种方法 我们可以选择最小花 费路径传输数掘而不需要中间节点保存路径信息 该算法具有下列优点 中 日j 节点不需要保存路径信息 只需要保存它到s i n k 的m i n i m u m c o s t 一旦c o s tf i e l d 建立后 每个节点都可以向s i n k 发送数掘 节点不需要i d 和地址 数据从源节点发出后 它包含了s o u l c ec o s t 同时也包含了它经过的中 问节点的c o n s u m e dc o s t 的总和 每个发送者只需要简单广播该数据包就行 了 而不必关心谁是它的邻居 这也就是节点不需要m 和地址的原因 每一 个收到数据包的节点根据它到s i n k 的m i n i m u mc o s t 和数掘包所携带的 c o n s u m e dc o s t 之和是否等于或小于数据包所携带的s o u r c e sc o s t 来转发数 掘包 所以节点并不需要保存路径信息 下面我们用一个例子来演示该算 法 如图2 5 所示 c o o 图2 5 s o o r c e 想要寻找一条m i n i n l u mc o s tp a t c h 来传送一个信息r e p 给s i n k 我们假设从节点b c s o u r c e 到达s i n k 的m i n i m u mc o s to l b d d 分别为9 0 1 0 0 2 0 0 因此 数据包携带的s o u r c ec o s t 2 0 0 每个节点在 广播数掘包的时候 数据包还包含s o u r o e 到该节点的c o n s u m e dc o s t 总和 假设节点a 广播信息时 c o n s u m e dc o s t 的总和就为1 1 0 包含a 的广播 重庆邮l b 人学硕 论文智能家居和无线传感器网络简介 c o s t b 和c 收到这个信息后 先比较他们和a 的c o s t 包括a 的广播c o s t o l 自 1 1 0 2 0 0 o l 1 1 0 2 1 0 2 0 0 所以b 将转发r e p c 将丢弃r e p 通过这种方法 只有处于m i n i m u mc o s t 路径上的节点才转发数据 而且节 点无需保存路径信息 直接转发数据将造成网络中的数据过多 在开始 每个节点设置它到 s i n k 的m i n i m u mc o s t 为 s i n k 广播一个a d v a d v e r t i s e m e n t 该a d v 的所包含的m i n i m u mc o s t 初始值为0 假设节点n 从节点m 收到一个a d v 乙 g 朋 是节点m 到s i n k 的i n i l l j n u mc o s t g w 是节点n 和m 之间的c o s t 节点n 比较它的 和l c n 埘 如果气 g 州 易 1 l 2 5 c 设置厶 三 l 然后c 从新设置 它的b a c k t u n e r 值为 l 1 0 需要注意的是 在设置前 定时 1 3 兰丛型型丛童生型二选 鳖墼室星塑 玉垡鲎壁墨壁丝笪坌 器原来设置的值还没溢出 最后 在时间t 2 5 c 的定时器溢出 c 广播包含它的新的c o s t 的a d v b l a 1 5 c l a 4 4 0 c l b 1 1 0 b l b 叫 a l a l a 竹m c1 a l t e r a a d v a l a 啊m ct i 工a f c rb 勺 b l a a l a 币m c1 2 5 a f t e rc sa d v 图2 6b a c k o f f 定时器的应用 下面给出节点n 收到节点m 发来的a d v 的c 语言代码 事件 节点n 收到节点m 广播的a d v i f c 州 l n l c m m b a c k o f ft i m e r 2 y c m m 事件 节点n 的b a c k o f f 溢出 节点n 广播一个包含 的a d v 变量 上 o 节点n 和m 到达s i n k 的m i n i m u mc o s t g j f 节点n 和m 之间的c o s t b a c k 0 f ft i m e r 的系数 除了上述介绍的协议外 目前在无线传感器网络的研究中 还有很多 著名的网络层协议 传感器网络是以应用为主的网络 因此我们很难简单 的说某一个传感器网络的路由协议优于另外的传感器网络路由协议 在不 重庆邮电人学硕十论文 智能家居和无线传感器网络简介 同的应用场合 不同的传感器网络路由协议各自有自己的优越性 比如说 在一个小型的 没有移动节点 而且任何一个节点都可以作为s i n k 的传感 器网络中 s p i n 可能是最好的路由协议 不过 一个好的传感器路由协议 它应浚具有下面的几个特点的全部或某几个 动态的层次化结构 这样可以防止首领节点能源快速消耗的情况 发生 延长网络的生命期 数据融合 如果节点能够对数据进行分类和融合 这样就能提高 查询效率 降低网络的通信量 从而可以节约能量 任意的路径选择 如果一个路由算法支持多条路径到达同一个目 的 这将有助于平衡网络中各个节点的能量消耗 从而避免某些 节点快速耗尽能量而失效的情况发生 数据传送门限 通过设计一个合理的传送门限 些无用的信息 可以避免传送一 数据转发门限 选择合适的数据转发门限有助于节约能量 延长 网络节点的生命期 重庆邮电人中硕十论文 第三章基于无线传感器网络的智能家居系统 第三章基于无线传感器网络的智能家居系统设计 3 1 智能家居设计的关键技术 智能家居的发展依赖于家庭网络技术与监控技术在家庭内部的推广 智能家 居中最关键的两大技术就是家庭网络技术和监控技术 而家庭网络又是整个智能 家居系统的基础平台 监控技术是和家用电器的软硬件设计有关的 因此可以把 整个系统分为两个部分 家庭网络部分和网络应用节点 家电 部分 如图3 1 所示 其中家庭网关可以看成是特殊用途的网络应用节点 亘巫 t l 家庭网络 i 图3 1 智能家居系统 3 2 家庭网络的设计 如果把水 电 气供给系统看作住宅的血管 那么家庭网络则相当于住宅的 神经系统 要实现家居智能化 必须能够实时监控住宅内部的各种信息 从而采 取相应的控 剀 为了实现这一目的 智能家居中必须有足够的各种传感器来采集 信息 如温度 湿度 有无煤气泄露或者外来入侵 这些传感器就构成家庭神 经系统的神经术梢 因此 我们也可以把家庭网络称为家庭神经网络 一个传统 的家庭网络包括下面几个部分 控制网 主要实现对网络家电的开关量和少量模拟量的控制和监视 信息网 主要实现对信息家电 如电视 d v d p c 等 的信息交换和监控 家庭网关 主要实现控制网和信息网的信号综合 并提供与外界的接口 以 便作远程控制和信息交换 控制中心 用以对家庭网络上任意一个家用电器的控制和监视 同时实现对 网络上家用电器的运行参数设置 需要说明的是 控制网和信息网并不是两个独立的网络 它们都是家庭网络 的组成部分 其实控制信息也属于信息 从这个角度来说 控制网可以归属到信 1 6 重庆邮电人学硕十论文第二章基于无线传感器网络的智能家居系统 息网中 就像网络家电可以归属到信息家电中一样 实际的家庭网络结构如图3 2 所示 3 2 1 家庭网络的特点 图3 2 家庭网络 家庭网络具有以下特点 1 网络覆盖面积较小 对于大多数家庭用户来说 家庭网络的覆盖面积一 般在几十到几百个平方米的范围内 2 节点位霄相对固定 家庭网络中的网络节点一旦安装后 其位置一般就 固定不变了 或者只有少许的变化 3 节点设备种类繁多 可以按功能分类 随着科技和生活水平的发展 目 前家用电器种类多不胜数 不过可以给这些家电做一个简单的分类 传感器 这类设备包括温湿度传感器 声光检测传感器 烟雾传感器 热释电红外传感器等 这类设备的特点是体积小 数据处理简单 传感器构 成了整个家电神经网络系统的神经末梢 它所提供的数据是整个系统运行的 最基本和最原始的依据 丌关量设备 这类