（生物医学工程专业论文）基于无线传感器网络和cdma的环境远程监测系统设计.pdf

a b s t r a c t 一 一 a b s t r a c t r e m o t ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h e p r e v e n t i o no fn a t u r a ld i s a s t e ra n dt h ee n v i r o n m e n t a l q u a l i t yc o n t r 0 1 ak i n do f r e a s o n a b l em o n i t o r i n gm e t h o dc a l ln o to n l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f m o n i t o r i n g b u ta l s og r e a t l yr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t yo fs t a f f t h i sp a p e rp r e s e n t sa n e wr e m o t ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e 咖r ka 1 1 d c d m a t h es y s t e mc a l lw e l lm e e tt h el o w p o w e r l o w c o s t r e q u i r e m e n t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s ss e n s o rn e t v o r k a n dc d m a a n dt h e np r o p o s e sam u l t i 1 e v e l n e t w o r k i n gs o l u t i o nf o re n v i r o r h n e n t a l m o n i t o r i n g o nd i s c u s s i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h es o l u t i o n t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e s y s t e ma n df u n c t i o nm o d u l e sa r ei n t r o d u c e d t h e s y s t e m u s e sc c 2 4 3 0r a d i o t r a n s c e i v e rc h i pt ob u i l d s h o r t r a n g ew i r e l e s sn e t w o r k a n du s e sw i r e l e s sm o d e m q 2 4 38 ft or e a l i z ec d m a c o m m u n i c a t i o n u p o nt h ec o m p l e t i o no fh a r d w a u r ep l a t f o m o ft h em o n i t o r i n gs y s t e m z i g b e ep r o t o c o ls t a c ki s c o n f i g u r e d t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa r es p e c i f i e da n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m sa r ed e s i g n e d jn er e m o t ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nc o l l e c t a n dt r a n s m i te n v i r o n m e n t a ld a t ad y n a m i c a l l y i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s m a l ls i z e i o wp o w 盯c o n s u m p t i o na n de a s yt om a i n t a i n t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i ss y s t e mh a s g r e a tv a l u eo nt h ed e v e l o p m e n to fr e m o t ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g k e y w o r d r e m o t ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k c d m a z i g b e ep r o t o c o ls t a c k 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德 本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特另t j j h 以标 注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切的法律责任 本人签名 盗煎缨 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校有权保 留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内 容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本人保证 毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在一年解密后适用本授权书 本人签名 盗糊日期型旦 墨 膣 导师签名 五k 刍型f日期壹兰竺 2 11 窒 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 我们只有一个地球 以往的发展使人类获得了巨大的物质财富和精神财富 社会也得到了迅猛的发展 但是人口的过速增长及环境利用的无序 无度又使人 类的发展陷入了前所未有的困境 不仅社会经济受到影响 还危及人类自身的生 存安全 2 0 0 8 年5 月1 2 日1 4 时 8 级强震袭击了中国西南部 截至2 0 0 9 年5 月2 5 日1 0 时 共遇难6 92 2 7 人 受伤3 7 46 4 3 人 失踪1 79 2 3 人 直接经济损 失达84 5 1 亿元 2 0 0 9 年8 月2 日台风莫拉克登陆 造成财产损失至少3 4 亿美元 中国台湾遇难4 6 1 失踪1 9 2 中国大陆6 死3 失踪 菲律宾1 2 死 上述这些骇 人的数字给人类重重的敲响警钟 提醒人们环境问题是一个重大的时代问题 必 须对环境进行精确 实时的监测 以有效降低各种自然灾害对人类造成的生命财 产损失 随着环境问题逐渐成为一个热门的话题 环境监测技术也遇到前所未有 的挑战 主要体现在对监测数据的动态采集 实时跟踪 可视化管理以及动态分 析预测等方面的要求逐渐增强 环境远程监测技术融合传感技术 通信技术和计算机技术于一体 有效的完 成多种环境参数的采集 存储 远程传输和实时处理等功能 改变了以往仅靠人 工的落后状况 提高了工作效率 增大了传输距离 在防灾减灾 环境状况预报 灾情预报等方面发挥出极其重要的作用 环境远程监测有它特定的应用背景 一般在比较偏僻 环境恶劣的野外无人 居住区域 沙漠 高山 丛林 高温 高压 高空 高危险 等 这使得很难通 过架设电缆来完成数据传输 在这种情况下 使用无线通信是一种很好的选择 近年来 由于计算机技术 网络技术 现代电子技术的迅猛发展 无线通信技术 在医疗 自动化控制 远程监测等多个领域得到了广泛的应用 无线通信技术从 通信距离上可划分为远距离无线通信 g s m c d m a g p r s 等 和短距离无线 通信技术 z i g b e e 无线局域网 蓝牙 超宽频 近距离无线传输等 各种无线 通信技术根据其自身技术特点适用于不同的领域 目前国内外市场上存在两种较为成熟的环境远程监测方案 一种是基于 g p r s c d m a 移动通信网络的环境远程监测系统 一种是基于短距离无线网络技 术的环境监测系统 前者虽然技术成熟 但是其网络无法覆盖偏远地区 且成本 高 后者发展迅速 组网灵活 成本低 但是传输距离有限 无法满足远距离 大范围的数据通信需求 2 基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 1 2 z i g b e e 和c d m a 技术在环境远程监测中的应用前景 随着半导体技术和无线通信技术的不断发展 陆续出现了多种远距离和短距 离无线通信技术 无线通信技术在环境监测领域的远程监测 实时控制 跟踪定 位 环境数据管理 环境数据收集等多个方面得到了新的应用 通过建立完善的 无线网络 工作人员在舒适的环境中即可观察到几十千米之外的地区的温度 湿 度 空气中c 0 2 s 0 2 气体含量 当某项参数超标时可听到警报 以便进行实时 控制和预防 下面对市场上使用较为广泛的几种远距离通信网络和短距离无线网络的技术 特点进行分析比较 为提出合理的环境远程监测方案提供坚实的理论基础 目前 在中国具有代表性的远距离无线通信网络是g s m 和c d m a 移动通信网 将公用 的g s m 或c d m a 网络作为远程监测系统的平台 可以充分利用他们网络覆盖范 围广的特点 克服监测区域布置分散 监测范围广的困难 而在短距离无线通信 领域中 z i g b e e 技术和蓝牙技术一直是业界谈论的热点 1 c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 技术 c d m a 允许所有的使用者同时使用全部频带 并且把其他使用者发出的讯号 视为杂讯 完全不必考虑到讯号碰撞的问题 c d m a 技术的原理是基于扩频技术 即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据 用一个带宽远大于信号带宽的高速 伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽被扩展 再经载波调制并发送出去 接 收端使用完全相同的伪随机码 与接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号换成 原信息数据的窄带信号即解扩 以实现信息通信 c d m a 所具有的优势如下 l 系统容量大 理论上 在使用相同频率资源的情况下 c d m a 移动网络 比模拟网络容量大2 0 倍 实际使用中比模拟网络大1 0 倍 比g s m 要大 4 5 倍 系统容量配置灵活 在c d m a 系统中 用户数的增加相当于背景噪声的 增加 造成话音质量的下降 但对用户数并无限制 操作者可在容量和 话音质量之间折衷考虑 通话质量更佳 c d m a 系统的声码器可以动态地调整数据传输速率 并 根据适当的门限值选择不同的电平级发射 频率规划简单 用户按不同的序列码区分 所以不同的c d m a 载波可在 相邻的小区内使用 网络规划灵活 扩展简单 建网成本低 c d m a 系统容量大 工作频点低 因此在c d m a 规划中 c d m a 的站间距一般比g s m 稀疏 可以更好的节约建网成本 第一章绪论 网络绿色环保 从表1 1 中可以看到c d m a 手机是g s m 手机平均发射 功率的2 1 2 5 c d m a 手机更加绿色环保 表1 1g s m 和c d m a 功率比较 技术体制平均发射功率 最大发射功率 g s m 1 2 5 毫瓦 2 瓦 c d m a 2 毫瓦2 0 0 毫瓦 低功率谱密度 由于c d m a 的关键技术为扩频技术 所以它的功率谱被 扩展的很宽 从而功率很低 可以防止其它信道的干扰或干扰其它信道 2 g s m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通讯系统 g s m 数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化 委员会设计出来的 它是在蜂窝系统的基础上发展而成 包括g s m 9 0 0 9 0 0 m h z g s m l 8 0 0 l8 0 0 m h z 及g s m l 9 0 0 19 0 0 m h z 等几个频段 g s m 使用的是时分多 址的变体 并且它是目前三种数字无线电话技术 t d m a g s m 和c d m a 中 使用最为广泛的一种 g s m 将资料数字化 并将数据进行压缩 然后与其它的两 个用户数据流一起从信道发送出去 另外的两个用户数据流都有各自的时隙 g s m 系统的重要特点有 防盗拷能力佳 网络容量大 手机号码资源丰富 通话 清晰 稳定性强不易受干扰 信息灵敏 通话死角少 手机耗电量低 g s m 的技术特点如下 2 高频谱效率 由于采用了高效调制器 信道编码 交织 均衡和语音编 码技术 使系统具有高频谱效率 容量大 由于每个信道传输带宽增加 使同频复用载干比要求降低至 9 d b 故g s m 系统的同频复用模式可以缩小到4 1 2 或3 9 甚至更小 加 上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数 使 g s m 系统的容量效率比t a c s 系统高3 5 倍 话音质量与无线传输质量无关 鉴于数字传输技术的特点以及g s m 规范 中有关接口和话音编码的定义 在门限值以上时 话音质量总是与无线 传输质量无关 开放的接口 g s m 标准所提供的开放性接口 不仅限于空中接口 而且 包括网络之间以及网络中各设备实体之间 例如a 接口和a b i s 接口 安全性好 通过鉴权 加密和t m s i 号码的使用 达到安全的目的 鉴 权用来验证用户的入网权利 加密用于空中接口 由s i m 卡和网络a u c 的密钥决定 t m s i 是一个由业务网络给用户指定的临时识别号 以防止 有人跟踪而泄露其地理位置 4基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 与i s d n p s t n 等的互连 与其他网络的互连通常利用现有的接口 如 i s u p 或t u p 等 3 z i g b e e 技术 z i g b e e 是基于i e e e 批准通过的8 0 2 15 4 无线标准研制开发的一种短距离 低功耗 低成本的无线组网技术 z i g b e e 所使用的频段是免费开放的 分别为 2 4 g h z 全球 9 1 5 m h z 美国 和8 6 8 m h z 欧洲 传输范围依赖于输出功率 和信道环境 介于1 0 米和1 0 0 米之间 支持无限扩展 根据z i g b e e 技术的本质 z i g b e e 具有下列特性 3 省电 在低耗电待机模式下 z i g b e e 节点的电池工作时间可以长达6 个 月到2 年 免去了充电或者频繁更换电池的麻烦 网络容量大 每个z i g b e e 协调器最多可连接2 5 5 个z i g b e e 网路节点 一个z i g b e e 网络可支持多大6 50 0 0 个z i g b e e 网路节点 可靠 采用了碰撞避免机制 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙 避免发送数据时的竞争和冲突 时延短 针对时延敏感的应用做了优化 通信时延和从休眠状态激活的 时延都非常短 设备搜索时延一般为3 0 m s 休眠激活时延为1 5 m s 活 动设备信道接入时延为15 m s 安全 z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能 加密算法采用 a e s 1 2 8 同时可以灵活确定其安全属性 工作频段灵活 使用的频段分别为2 4 g h z 8 6 8 m h z 及9 1 5 m h z 均为 免执照频段 4 蓝牙 1 9 9 8 年5 月 瑞典爱立信 芬兰诺基亚 日本东芝 美国i b m 和i n t e l 公司 5 家著名厂商在联合拓展短程无线通信技术的标准化活动时 提出了蓝牙技术 1 9 9 9 年下半年 著名的业界巨头微软 摩托罗拉 3 c o m 朗讯与蓝牙特别兴趣 小组5 家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织 从而在全球范围内掀起了一股 蓝牙潮 蓝牙作为一种小范围无线通信技术 能够在设备间实现方便快捷 灵活 安全 低成本 低功耗的数据和语音通信 是目前实现无线个域网的主流技术之 一 蓝牙技术使用了全球通用的频段2 4 g h z 以确保能在世界各地通行无阻 蓝 牙系统一般由无线单元 链路控制单元 链路管理单元和蓝牙软件单元等4 个功 能单元组成 蓝牙系统主要有以下特点 4 1 工作在2 4 g h z 的i s m 频段 工作频段无需申请许可 发射功率为l m w 时 通信距离可以达到1 0 m 发射功率为1 0 0 m w 时 通信距离不到1 0 0 m 使用1 m b p s 速率以达到最大限制带宽 第一章绪论 5 使用快速调频 16 0 0l 珧 s 技术抗干扰 在干扰下 使用短数据帧尽可 能增大容量 快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开销 采用c v s d 语音编码 可在高误码率下使用 灵活帧方式支持广泛的应 用领域 宽松链路配置支持低价单芯片集成 严格设计的空中接口使功耗最低 发射功率自适应 低干扰 采用灵活的无基站组网方式 一个蓝牙单元最多可以同时和7 个蓝牙单元 通信 同时支持点对点和一点对多点的连接 在对目前市场上环境监测系统的发展现状和无线通信技术在环境远程监测中 的广阔应用前景进行分析后 在综合考虑传输距离 低成本和覆盖面积因素的基 础上 本论文构建一种z i g b e e 无线传感器网络和c d m a 网络相结合进行环境远 程监测的设计方案 该系统融合c d m a 网络和z i g b e e 无线传感器网络的技术优 势 具有功耗低 成本小 传输距离远和覆盖面积大的特点 有效的解决了偏远 地区因环境恶劣 位置分散 布线困难而无法实时监测环境变化状况的问题 很 显然 通过该系统的研究与应用 将有助于提高环境远程监测中数据的传输距离 监测效率和准确度 满足当前市场的需求 1 3 论文的主要工作及内容安排 本课题的主要任务是 基于z i g b e e 无线传感器网络和c d m a 技术设计实现 一种环境远程监测系统 该系统采用t i 公司的无线射频收发芯片c c 2 4 3 0 和 w 打e c o m 公司的q 2 4 3 8 fc d m a 无线模块设计通信平台 组建一种无线传感器网 络和c d m a 相结合的复合式数据通信网络 系统使用分布在监测区域中的多个传 感器节点采集环境参数信息 通过由多个z i g b e e 传感器节点自组织形成的无线网 络将环境数据发送到监测站网关 在监测站网关进行数据的存储 预处理和协议 转换 然后经c d m a 网和i n t e m e t 网将环境数据发送到环境监控中心 在环境监 控中心上位机中运行的监控软件可对环境数据进行实时观察 分析处理和报警 同时还可以发送命令控制无线传感器节点的工作模式 本课题的主要工作包括设 计实现系统无线传感器节点和监测站网关的硬件电路 配置z i g b e e 协议栈 设计 系统应用程序 创建环境数据库以及设计环境监控中心管理软件 本论文内容结构安排如下 第一章绪论 介绍课题的研究背景和发展现状 简要分析了常用的几种无线 组网技术 提出课题设计方案并对课题的可行性进行论证 6 基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 第二章环境远程监测系统总体设计方案 在研究z i g b e e 无线传感器网络和 c d m a 组网原理的基础上 详细介绍环境远程监测系统的总体设计方案和各模块 的主要功能 第三章环境远程监测系统硬件平台设计 介绍关于z i g b e e 无线通信模块 外围扩展电路 存储电路和c d m a 无线模块的设计原理及硬件连接图 第四章z i g b e e 协议栈配置和应用软件设计 在研究z i g b e e 协议栈的基础上 配置z i g b e e 协议栈 定制应用层通信协议 最后设计传感器节点和监测站网关的 工作流程 以满足系统需求 第五章环境监控中心管理软件设计 研究分析环境数据的特点 利用s q l s e r v e r 数据库设计环境数据库 并根据系统需求介绍网络通信模块 工作人员管 理模块和环境数据管理模块的设计与实现 第六章结论与展望 对所做的工作做出总结 概括实验所得到的结论 并指 出需要改进的地方和系统的应用前景 第二章环境远程监测系统总体设计方案 第二章环境远程监测系统总体设计方案 进行环境远程监测系统的研究和设计 必须了解相关背景知识才能够在总体 上把握系统 为顺利完成课题设计 实现预期功能奠定坚实的技术基础 本章首 先分析论述关于环境远程监测系统中涉及到的关键技术 无线传感器网络 z i g b e e 技术和c d m a 网络技术 根据无线传感器网络的工作原理 z i g b e e 和c d m a 技 术的特点 给出无线传感器网络和c d m a 技术相结合实现多参数环境远程监测的 设计方案 并阐述系统构成和工作原理 2 1 无线传感器网络 无线传感器网络是一个由多学科高度交叉的新兴研究热点 它综合了传感器 技术 嵌入式计算技术 无线通信技术及分布式信息处理技术 能够对各种环境 参数或监测对象的信息进行实时监测 感知 采集和处理 通过随机自组织无线 通信网络 以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端 5 j 在无线传感器网络中 传感器节点通过飞机布撒 人工布置等方式大量部署 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 以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要 较高的传输带宽 但却需要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 目前迫切需要一种符合低端的 面向控制的 应用简单的专用标准 而z i g b e e 的出现正好解决了这一问题 z i g b e e 有着高通信 效率 低复杂度 低功耗 低成本 高安全性以及全数字化等诸多优点 这些优 点使得z i g b e e 和无线传感器网络完美地结合在一起 目前 基于z i g b e e 技术的 无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注 2 2 z i g b e e 技术研究 z i g b e e 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术 其物理层和介 质接入控制层由i e e e8 0 2 15 4 协议标准规范 网络层由z i g b e e 技术联盟指定 应用层的开发根据用户自己的需要对其进行设计 因此该技术能够为用户提供机 动 灵活的组网方式 8基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 2 2 1 z i g b e e 设备类型和网络拓扑结构 在z i g b e e 网络中存在三种逻辑设备类型 6 协调器 路由器和终端设备 1 协调器 协调器包含所有的网络消息 是3 种设备类型中最复杂的一种 也是该网络 的第一个设备 协调器具有存储容量大 计算能力强的特点 其主要任务包括发 送网络信标 建立一个网络 管理网络节点 存储网络节点信息 寻找一对节点 间的路由消息和不断地接收信息 2 路由器 路由器的功能主要有允许其他设备加入网络 多跳路由和协助自己的由电池 供电的终端设备的通讯 3 终端设备 终端设备没有特定的维持网络结构的责任 它可以处于睡眠或者唤醒状态 因此它可以是一个电池供电设备 z i g b e e 网络有三种网络拓扑结构 星型 树状和网状拓扑结构 在星型拓扑 结构中 整个网络由一个称为z i g b e e 协调器的设备来控制 z i g b e e 协调器负责 发起和维持网络正常工作 保持同网络终端设备通信 在网状型和树型拓扑结构 中 z i g b e e 协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数 同时 也可以使用 z i g b e e 路由器来扩展网络结构 在树型网络中 路由器采用分级路由策略来传送 数据和控制信息 树型网络可以采用基于信标的方式进行通信 网状型网络中 设备之间使用完全对等的通信方式 z i g b e e 路由器不发送通信信标 z i g b e e 以一个个独立的工作节点为依托 通过无线通信组成星型 树状或网 状网络 无论是哪一种网络拓扑结构 每个独立的网络都有一个唯一的标识符 即网络号 p a n 标识符 利用p a n 标识符采用1 6 位的短地址码进行网络设备 间的通信 并可激活网络设备之间的通信 2 2 2 z i g b e e 协议解析 z i g b e e 协议由i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的物理层 介质接入控制子层 m a c 和z i g b e e 联盟定义的网络层 应用层框架 a p s 等四组子层构成 z i g b e e 协议 结构体系如图2 1 所示 协议栈的每一个子层为其上层提供一组特定的服务 一 个数据实体提供数据传输服务 一个管理实体提供全部其他服务 每个服务实体 通过一个服务接入点为其上层提供服务接1 2 1 n 第二章环境远程监测系统总体设计方案 9 安 全 管 理 端点2 4 0 a p s 层数据实 体服务接入点 a p s 安全管理 端点1 a p s 层数据实 体服务接入点 应用层 z d 0 z i g b e e 设备对象 公共i z o o 接口i 端点0 1 ia p s 层数据实卜 i 体服务接入点 i a p s 管 理实体 服务接 入点 网络层 网络层数据实体 服务接入点 网 理 j 网络安 全管理 陌函习 i 垦 望i m a c 数据实体 服务接入点 物理层数据服 务接入点 m a c 层管理实 体服务接入点 m a c 层 数据实 体服务 接入点 z d o 管 理 物理层臣囤 图2 1z i g b e e 协议体系结构 1 物理层 z i g b e e 协议直接使用了i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的物理层和介质接入控制子 层 i e e e8 0 2 1 5 4 标准工作在工业 科学 医疗频段 在物理层定义了两个工作 频段 2 4 g h z 频段和8 6 8 9 1 5 m h z 频段 在i e e e8 0 2 1 5 4 中 总共分配了2 7 个具有3 种速率的信道 2 4 g h z 频段有1 6 个速率为2 5 0 k b s 的信道 信道间隔 为5 m h z 9 1 5 m h z 频段有1 0 个4 0 k b s 的信道 信道间隔2 m h z 8 6 8 m h z 频段 有1 个2 0 k b s 的信道 z i g b e e 使用的无线信道由表2 1 确定 表2 1z i g b e e 无线信道的组成 信道编号中心频率 m h z信道间隔频率上限频率下线 k 08 6 8 38 6 8 6m h z8 6 8 0m h z k 1 2 31 0 9 0 6 2 k 1 29 2 8 0m h z9 0 2 0m h z k 11 1 2 1 3 2 624 0 5 5 k 1l 52 4 8 3 5m h z24 0 0 0m h z 1 0 基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 8 6 8 m h z 9 1 5 删z 物理层 9 0 2 f l l z 图2 2z i g j 3 e e 频率和信道分布 z i g b e e 根据国家和地区的不同为其提供不同的工作频率范围 频率和信道分 布如图2 2 所示 z i g b e e 使用的两个物理层 2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理 层 都基于直接序列扩频技术 使用相同的物理层数据包格式 其区别在于工作 频率 调制技术 扩频码长度和传输速率的不同 在选择z i g b e e 设备时 应根据 当地无线管理委员会的规定 选用当地所允许使用频段条件的设备 我国规定 z i g b e e 的使用频段为2 4 g h z z i g b e e 技术的发射功率为0 4 1 0 d b m 通信距离 范围通常为1 0 m 可扩大到约3 0 0 m 其发射功率可根据需要 利用设置相应的 服务原语进行控制 z i g b e e 接收天线端的接收灵敏度通常要求为 8 5 d b m 其测量 条件为在无干扰条件下 传送长度为2 0 个字节的物理层数据包 其误码率小于 l z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线 信道的接口 在物理层包含一个物理层管理实体 该实体通过调用物理层的管理 功能函数 为物理层管理服务提供接口 同时还负责维护由物理层所管理的目标 数据库 该数据库包含有物理层个域网络的基本信息 z i g b e e 物理层的结构及接 口如图2 3 所示 物理层 无线射频一服务接入点 图2 3 物理层参考模型 从图2 3 可以看出 在物理层存在有数据服务接入点和物理层管理实体服务 耥且一 第二章环境远程监测系统总体设计方案 l l 接入点 通过这两个服务接入点提供如下两种服务 通过物理层数据服务接入点 为物理层数据提供数据服务 通过物理层管理实体服务接入点为物理层管理提供 服务 物理层数据服务接入点支持在对等连接m a c 层的实体之间传输m a c 层 协议数据单元 物理层管理实体服务接入点在m a c 层管理实体和物理层管理实 体之间传送管理命令原语 在物理无线信道上接收和发送的物理层数据包为z i g b e e 物理层协议数据单 元 其格式如图2 4 所示 4 字节1 字节1 字节 变量 前同步帧定界帧长度预留位 p s 叫 码 符 7 位 1 位 同步包头物理层包头物理层净荷 图2 4 物理层数据包格式 z i g b e e 物理层数据包由同步包头 物理层包头和物理层净荷 p s d u 三部 分组成 同步包头由前同步码和帧定界符组成 用于获取符号同步 扩频码同步 和帧同步 物理层包头指示净荷部分的长度 物理层净荷部分含有m a c 层数据 包 净荷部分的最大长度是1 2 7 字节 2 介质接入控制子层 m a c z i g b e e 的m a c 层在服务协议汇聚层和物理层之间提供了一个接口 m a c 层有两个不同的服务接入点提供两种不同的m a c 层服务 即m a c 层通过它的 公共部分子层接入点为它提供数据服务 通过它的管理实体服务接入点为它提供 管理服务 同时 该管理实体还负责维护m a c 层固有的管理对象的数据库 该 数据库包含了m a c 层的个域网信息数据库信息 m a c 子层的参考模型如图2 5 所示 图2 5m a c 层参考模型 1 2 基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 m a c 层公共子层服务接入点支持在对等的服务协议汇聚层实体之间传输服 务协议汇聚层的协议数据单元 m a c 层管理实体的服务接入点允许上层与m a c 层管理实体之间传输管理指令 其功能为设备通信链路的连接与断开管理 信标 管理 个域网信息库管理 孤点管理 复位管理 接收管理 信道扫描管理 通 信状态管理 设备的状态设置 启动 网络同步 轮询管理等 m a c 层协议数据单元格式如图2 6 所示 每一个m a c 层数据包由m a c 层 帧头 m a c 层载荷和m a c 层帧尾组成 m a c 层帧头的子域顺序是固定的 由 2 字节的帧控制域 1 字节的帧序号域和最多2 0 字节的地址域组成 帧控制域指 明了m a c 帧的类型 地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息 帧序 号域包含了发送方对帧的顺序编号 用于匹配确认帧 实现m a c 子层的可靠传 输 地址域采用的寻址方式可以是6 4 位的i e e em a c 地址 也可以是8 位的 z i g b e e 网络地址 2 字节1 字节0 2 字节0 2 8 字节0 2 字节0 2 8 字节可变2 字节 目的p a n 标源p a n 标帧载 帧控制序列号目的地址 源地址f c s 识符识符荷 m a c 载 m h r 姒c 层帧头 m f r 荷 图2 6 m a c 层数据包格式 3 z i g b e e 网络层 z i g b e e 网络层提供建立 加入和离开网络 进行路由转发数据的功能 为了 向应用层提供接口 网络层提供了两个必须的功能服务实体 数据服务实体和管 理服务实体 网络层数据实体为数据提供服务 在两个或多个设备之间传送数据时 它将 按照应用协议数据单元的格式进行传送 并且这些设备必须在同一个内部个域网 中 网络层数据实体可提供如下服务 生成网络层协议数据单元 n p d u 网络层数据实体通过增加一个适当 的协议头 从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元 指定拓扑传输路由 网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单 元到一个合适的设备 该设备可能是最终目的通信设备 也可能是在通 信链路中的一个中间通信设备 网络层管理实体提供网络管理服务 允许应用与堆栈相互作用 网络层管理 实体应该提供如下服务 配置一个新的设备 初始化一个网络 链接和断丌网络 寻址 邻居设备发现 路由发现 接收控制 第二章环境远程监测系统总体设计方案 网络层通用帧结构如图2 7 所示 网络协议数据单元由两个基本组成部分 网络层帧报头 包含帧控制 地址和序列信息 网络层帧的可变长有效载荷 包 含帧类型所指定的信息 字节 2 22ll 0 80 8o 1变长变长 目的源地 广播半广播序i e e e 目i e e e 源多点传源路帧的有效 帧控制 地址址径域列号的地址地址送控制由帧 载荷 网络层的 m h r m a c 层帧头 有效载荷 图2 7 网络层数据帧格式 4 z i g b e e 应用层 z i g b e e 应用层框架由三个部分组成 应用支持子层 a p s z i g b e e 设备对 象 z d o 和制造商所定义的应用对象 应用支持子层的功能包括 维持绑定表 在绑定的设备之间传送消息 应用 支持子层的功能包括维持绑定表 在绑定表的设备之间传送信息 应用支持子层 给网络层和应用层通过z i g b e e 设备对象和制造商定义的应用对象使用的一组服 务提供了接口 a p s 子层通过两个实体提供这些服务 数据服务和管理服务 a p s 数据实体通过与之连接的服务接入点提供数据传输服务 a p s 管理实体通过与之 连接的服务接入点提供管理服务 并且维护一个管理实体数据库 即a p s 信息库 a p s 层的数据帧格式如图2 8 所示 每一个a p s 帧包含两个基本组成部分 a p s 头 a p s 有效载荷 a p s 头由帧控制域和地址信息组成 a p s 有效载荷为变 长的 包含帧类型指定信息 字节 10 10 20 20 20 1 1 变长变长 目的集团串地 模式源地 帧控制 地址地址址标志址 a p s 扩展帧有效载 计数报头 荷 地址域 应用层有 删r m a c 层帧头 效裁荷 图2 8 a p s 帧格式 z i g b e e 设备对象的功能包括 定义设备在网络中的角色 发起和响应绑定请 求 在网络设备之间建立安全机制 z i g b e e 设备对象还负责发现网络中的设备 并决定向他们提供何种应用服务 z i g b e e 设备对象包括5 个对象 设备和服务发 现 网络管理 绑定管理 安全管理 节点管理 1 4 基于无线传感器网络和c d m a 的环境远程监测系统设计 2 3 环境远程监测系统设计思想及功能模块划分 环境问题是现代社会普遍关注的一个热门话题 目前 环境监测中遇到的挑 战是用何种解决方案才能够对监测区域内的环境参数进行快速采集 实时上传和 处理 以便于制定高效的对策防灾减灾 降低生命财产的损失 因此设计开发新 型的环境远程监测系统具有重大的时代意义 鉴于目前偏远地区环境恶劣 布线 困难 需要人工值守等问题 本文提出一种应用于环境远程监测的z i g b e e 无线传 感器网络和c d m a 技术相结合的设计方案 在本节中将系统的阐述环境远程监测 系统的设计思想 并详细介绍环境远程监测系统的组成结构和各模块的功能 2 3 1系统组网方案和系统结构 综上所述 基于实时性 便捷性和运行成本的考虑 本系统前端采用基于 z i g b e e 技术的无线传感器网络实现环境数据的采集和上传 采用c d m a 通信网 络作为上层的数据传输方式将环境数据传输到环境监控中心 构成一个复合式的 数据传输网络 在无线传感器网络内部存在传感器节点 路由器和监测站网关 传感器节点通过人工布置或飞机分撒等方式分布在监测区域内 并且通过自组织 形式形成无线多跳网络 采集环境数据后直接或经路由器间接的将环境数据上传 到监测站网关 监测站网关通过串口控制内嵌t c p i p 协议的c d m a 无线数据终 端 使环境数据经c d m a 网络和i n t e m e t 网络远程传输到环境监控中心进行环境 数据分析 存储和预警 整个系统由无线传感器网络 监测站网关 c d m a 网络 i n t e m e t 网络和环境监控中心五部分组成 其组成框图如图2 9 所示 无线传感器喇络 图2 9 环境远程监测系统组成 无线传感器网络是整个系统的核心 也是本课题设计的重点 它主要由一个 第二章环境远程监测系统总体设计方案 1 5 监测站网关和多个传感器节点构成 主要功能是利用传感器技术采集环境数据 采用z i g b e e 技术形成无线网络 实现环境数据在无线传感器网络中的传输 传感器节点是系统的数据源 它主要由多路传感器采集模块 信号调理电路 和z i g b e e 无线收发模块组成 它的主要功能是接收监测站网关转发的监控中心命 令 完成采集过程 然后将采集到的环境数据以规定的数据格式上传到监测站网 关 其结构框图如图2 1 0 所示 图2 1 0 传感器节点结构框图 监测站网关是一个监测区域内数据采集的核心节点 它主要实现无线传感器 网络和c d m a 网络通信协议转换功能 监测站网关的硬件基本组成包括z i g b e e 无线收发模块 内嵌t c p i p 协议的c d m a 无线数据终端以及扩展电路 另外根 据用户的需求 还可以扩展l c d 显示器触摸屏和s d 卡存储器 它主要负责维护 使用z i g b e e 组成的无线传感器采集网络 接收转发无线传感器网络和c d m a 网 络之间的命令及数据 其结构框图如图2 1 1 所示 图2 1 1 监测站网关结构框图 1 6基于无线传感器网络和c d m a 的环境远科监测系统设计 由传感器节点采集上传的环境数据和来自于监控中心的控制命令在监测站网 关进行解析 预处理后转发 环境监控中心主要由p c 机和运行在上面的环境数据库 环境监测软件组成 在该系统运行过程中 环境监控中心计算机可以发送控制指令 控制环境监测终 端设备的工作模式以及接收采集回来的环境数据 并将采集到的环境参数按要求 进行存储 分析和汇总 便于工作人员对监测点的环境信息进行实时预警和控制 2 3 2 系统特点 本系统在分析了z i g b e e 无线传感器网络和c d m a 网络技术特点的基础上 有效地结合两者的优势 组建复合式数据传输网络 实现环境信息的远程监测 该系统的主要特点如下 1 低功耗 无需人工值守 传感器节点的主要耗能电路长时间处于睡眠模 式 只有在接收到周期采集命令和发生异常中断时 节点的全部电路才 正常工作 传感器节点采用电池供电 在低耗电待机模式下 两节普通5 号干电池可使用6 个月到两年 2 覆盖范围广 传输距离远 在c d m a 网络无法覆盖的区域内分撒多个传 感器节点实现数据的短距离无线传输 然后通过安置在c d m a 覆盖区域 内的监测站网关实现数据的远程传输 弥补了无线传感器网络的传输距 离短和c d m a 网络覆盖面积受限的不足 3 成本低 z i g b e e 数据传输速率低 协议简单 目前 z i g b e e 芯片的成本 在3 美元左右 z i g b e e 设备成本的最终目标是在l 美元以下 大大降低 了成本 由上述分析可知 该系统的实现可有效的改善远程环境参数的采集 传输和 处理手段 缩短数据采集所需的时间 提高环境数据采集和传输的效率和可靠性 提高环境预警和监控的能力 2 4 本章小结 本章对无线传感器网络和c d m a 网络的组成与特点进行了分析 并且详细介 绍了z i g b e e 设备逻辑类型 网络拓扑结构和z i g b e e 协议栈结构 在此基础上提 出了z i g b e e 无线传感器网络和c d m a 相结合的系统设计方案 并且分析了系统 的组网方案 工作原理和功能模块划分 证明系统的可行性和实用价值 第三章环境远程监测系统硬件平台设计 1 7 第三章环境远程监测系统硬件平台设计 良好的硬件环境是系统设计顺利进行的保障 可以很好的平衡系统性能和成 本之间的关系 前一章中已经介绍了传感器节点和监测站网关的组成结构 在本 章中将具体阐述系统硬件平台设计的核心部分 即无线传感器网络通信模块 多 种传感器采集电路 关键外围电路的设计思想和实现细节 最后介绍一下系统中 使用到的实验室设计开发的c d m a 无线数据终端模块的工作原理 3 1 无线传感器网络通信模块 无线传感器网络节点是无线传感器网络的基本组成部分 本系统要求能够在 环境恶劣 无人值守 分布广等特定应用背景下组建一个高效 节能 可靠的无 线传感器网络 节点的设计必须满足低成本 低功耗 小型化和多传感器接口等 特殊要求 3 1 1 无线传感器网络通信模块选型 目前市场上针对z i g b e e 标准研制的芯片已经有很多种 比较典型的产品有 t i 公司的