传感器论文.doc

目录摘要1第一章 绪论211课题背景212课题意义213研究内容2第二章 无线传感器网络的理论基础321 WSN的介绍322 WSN的构成4第三章 由协议的分析531路由协议的分类532路由协议的分析533对典型路由协议的比较6第四章无线传感网络的设计实现741 V-USSN-WR24B无线数据收集器74.2 V-WSN-01-MODULE模块743组建网络844管理网络845数据变化波形846数据列表947主窗口布局948报警与显示10第五章 总结与展望11参考文献12附录13硬件连接图1313摘要温室大棚的环境检测与控制是当前农业自动化的热点问题之一,基于ZigBee技术的无线大棚环境监控系统能够满足大棚环境监控系统所提出的低功耗、低成本以及方便后期规模扩展等要求,实现了真正意义上的无人值守,能够对各大棚的环境进行自动监控与调整,具有一定的工程实际意义和市场价值。关键字：温室大棚 环境监控第一章 绪论11课题背景农业现场数据信息的及时获取是进行现代化精准管理的重要基础，如何速、有效地获取农业现场各类数据成为目前信息农业研究的重要领域。农业具有对象多样、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区、通信条件落后等特点，凶此在很多情况下，农业数据信息的获取更加闲难。要解决这个问题，其根本的途径就是能实现数据信息的自动获取，以及数据的远程传输与交换。网络技术、无线通信术的迅速发展，为农业数据信息监控提供了发展机遇，特别是随着GPRSCDMA无线移动网络技术的发展与成熟，为农业解决“最后一公里”的信息传输提供了有效的途径。目前基于GPRSCDMA远程数据信息传输技术已在一些相关领域有不少典型应用案。12课题意义低成本设备无线组网要求的ZigBee技术，它是一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的双向无线传输技术，主要适用于自动控制、远程控制共至家用设备联网的需要，也成为近年来数字农业研究中的热点之一。但总体上仍然处丁二探索和发展阶段，特别是在农业上的应用研究和实用技术产品仍鲜有报道。针对数据信息获取技术发展的需要，本研究在前期已有研究的基础上提出了一种基于ZigBee网络的远程脏控系统集成解决方案，旨在实现农业环境数据采集“最后一百米”距离的无线传输。在本项研究的早期设计方案中，现场数据采集器是通过RS-485总线实现每个传感器的连接，采集数据通过GPRsCDMA和INTERNET传输到远程数据监控中心。显而易见，采用上述解决方案虽然手要解决了数据远程传输技术问题，但需要安装大量传感器和终端设备时，或监测范围比较大的情况下，现场布线和设备安装搬移都面临很大凼难。新的解决方案主要是针对早期方案存在的不足，通过ZigBee网络技术实现传感器节点与数据汇集中心节点的无线通信，并可以充当路由进行信息交换，更加符合农业监测过程中对多测点、多要素、移动性、便捷性等方面的要求，在农业环境监控中具有十分广阔的应用前景。13研究内容为了达到对农业现场进行远程诊断与管理的目的，系统必须具备数据自动采集、远程传输、存储管理、网络发布、分析处理等功能。从逻辑结构上将系统划分为三大子系统：安装在现场的数据采集与远程传输子系统、服务器端数据接收与存储子系统、基于WEB的数据管理与应用子系统。通过对传感器的应用来实现对温室大棚环境监控网络设计，对温室大棚进行时时监控。第二章 无线传感器网络的理论基础21 WSN的介绍WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。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的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。WSN Wireless Sensor Networks（无线传感器网络）是由多个节点组成的面向任务的无线网络，它综合了传感器技术、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多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。WSN通讯有以下特点： （1）低功耗：通讯节点功耗远远低于无线电台及GPRS通讯方式，非常适合使用太阳能供电。 （2）自动组网：WSN通讯各节点自动注册到网络通报自己的节点类型，做到类似计算机的即插即用功能。 （3）多跳通讯：WSN通讯各个节点都可以成为数据中转节点，这样个别偏远的节点就可以通过其邻居节点将数据传输到中心节点。自动路由：WSN通讯中每个节点都具有自动路由功能，它们可以自主选择最佳通讯路由。在某条通讯路径故障的情况下，节点可以选择另外的通讯路径与中心节点连接，使得网络故障弱化，提高了网络的可靠性。 便捷的网关连接：WSN网关节点可以和传统的通讯方式实现便捷的连接。例如可以和大功率无线电台或GPRS通讯模块实现互连，增加了WSN通讯的灵活性。WSN通讯在传感器网络中应用应该是以后的一个趋势。1 环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州大鸭岛上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以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。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。1 医疗护理 无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。 2 军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。22 WSN的构成无线传感器网络是由传感器网络节点构成的, 应用和监测物理信号的不同决定了传感器的类型, 另外节点的功能和性能也不尽相同传感器网络节点大多由数据采集、 数据处理、数据传输和电源等4部分组成一般来讲. 传感器网络节点是一个典型的嵌入式系统处理器通常选用嵌入式torola的68HC 16 A RM 公司的A RM 7 A RM g和Intel的80x86等;数据传输单元主要由低功耗 短距离的无线通信模块组成比如日FM 公司的丁R I000等:因为需要进行较复杂的任务调度与管理. 系统需要一个微型化的操作系统,有这些单元组装成一个火柴盒大小甚至更小的模块各模块相互协作以完成一项共同的任务。第三章 由协议的分析31路由协议的分类路由分为静态路由和动态路由，其相应的路由表称为静态路由表和动态路由表。静态路由表由网络管理员在系统安装时根据网络的配置情况预先设定，网络结构发生变化后由网络管理员手工修改路由表。动态路由随网络运行情况的变化而变化，路由器根据路由协议提供的功能自动计算数据传输的最佳路径，由此得到动态路由表。1静态路由静态路由表在开始选择路由之前就被网络管理员建立，并且只能由网络管理员更改，所以只适于网络传输状态比较简单的环境。静态路由具有以下特点： 静态路由无需进行路由交换，因此节省网络的带宽、CPU的利用率和路由器的内存。静态路由具有更高的安全性。在使用静态路由的网络中，所有要连到网络上的路由器都需在邻接路由器上设置其相应的路由。因此，在某种程度上提高了网络的安全性。 有的情况下必须使用静态路由，如DDR、使用NAT技术的网络环境。 静态路由也有以下局限性： 管理者必须真正理解网络的拓扑并正确配置路由。 网络的扩展性能差。如果要在网络上增加一个网络，管理者必须在所有路由器上加一条路由。 配置烦琐，特别是当需要跨越几台路由器通信时，其路由配置更为复杂。 2动态路由动态路由根据路由算法，动态路由协议可分为距离向量路由协议（Distance Vector Routing Protocol）和链路状态路由协议（Link State Routing Protocol）。距离向量路由协议基于Bellman-Ford算法，主要有RIP、IGRP（IGRP为 Cisco公司的私有协议）；链路状态路由协议基于图论中非常著名的Dijkstra算法，即最短优先路径（Shortest Path First， SPF）算法，如OSPF。在距离向量路由协议中，路由器将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器；而在链路状态路由协议中，路由器将链路状态信息传递给在同一区域内的所有路由器。根据路由器在自治系统（AS）中的位置，可将路由协议分为内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）和外部网关协议（External Gateway Protocol，EGP，也叫域间路由协议）。域间路由协议有两种：外部网关协议（EGP）和边界网关协议（BGP）。EGP是为一个简单的树型拓扑结构而设计的，在处理选路循环和设置 选路策略时，具有明显的缺点，目前已被BGP代替。32路由协议的分析传统计算机网络对路由协议要求如下：正确性，健壮性，稳定性，公平性，最优性。除此之外，无线传感器网络对路由协议更注重以下特殊要求：能源有效性，简单性，多路性。S P I N （ S e n s o r P r o t o c o l f o r I n f o r m a t i o n v i aNegotiation）是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决扩散法存在的不足。SPIN有三种数据包类型，即ADV、RED和DATA。节点用ADV宣布有数据发送，用REQ请求接收数据，用DATA封装数据，这三种包都包含了元数据。在发送一个DATA数据包之前，传感器节点首先向邻居节点广播ADV数据包；邻居节点在收到ADV后，通过元数据判断是否需要完整的DATA数据包，若需要则向该邻居节点发送一个REQ数据包，接着发送DATA数据包。以此类推，DATA数据包可被传输到方汇节点或基站。SPIN协议簇有4种不同的形式：SPIN-PP（A 3-StageHandshake Protocol for Point-to-Point Media）、SPINEC（SPIN-PP with a Low-EnergyThreshold）、SPIN-BC（A 3-Stage Handshake Protocol for Broadcast Media）、SPIN-RL（SPIN-BC for Lossy Network）。层次路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网关通信，网关可以是首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发。33对典型路由协议的比较无线传感器网络的路由协议不同于传统网络的协议，它具有能量优先、基于局部的拓扑信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，从四个方面衡量路由协议的优劣。（1）能量高效传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量问题。由于无线传感器网络中节点的能量有限，传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，更要能量均衡消耗，实现简单而且高效的传输，尽可能地延长整个网络的生存期。（2）可扩展性无线传感器网络的应用决定了它的网络规模不是一成不变的，而且很容易造成拓扑结构动态发生变化，因而要求路由协议有可扩展性，能够适应结构的变化。具体体现在传感器的数量、网络覆盖区域、网络生命周期、网络时间延迟和网络感知精度等方面。（3）鲁棒性无线传感器网络中，由于环境和节点的能量耗尽造成传感器的失效、通信质量的降低使网络变得不可靠，所以在路由协议的设计过程中必须考虑软硬件的容错性，保障网络的健壮性。 4）快速收敛性由于网络拓扑结构的动态变化，要求路由协议能够快速收敛，以适应拓扑的动态变化，提高带宽和节点能量等有限资源的利用率和消息传输效率。第四章无线传感网络的设计实现41 V-USSN-WR24B无线数据收集器 V-USSN 无线温湿度采集系统是一种可用于高可靠性环境的实时监测网络系统，适用于各种需要对环境参数有监测要求的场合，尤其是不方便布线的应用场合，能对大范围内多点的温度/湿度进行联网监测并记录，见图4.1。V-USSN-WR24B 无线数据收集器技术参数：供电电压： +5VDC工作温度： -2085工作电流： 50mA通讯接口： RS-232接口波特率：38400BPS无线工作频段： 2.4GHz发射功率： 0dBm（1mW）接收灵敏度：-92dBm图4.1 V-USSN-WR24B无线数据收集器硬件连接图见附录4.2 V-WSN-01-MODULE模块利用V-WSN-01-MODULE模块来实现功能，模块如图4.2所示。图4.2 V-WSN-01-MODULE模块43组建网络 USSN 无线温湿度采集系统软件是基于Windows 2000/xp/vista 操作系统开发的用户与收集器之间的人机交互图形化界面（GUI 界面）软件，负责采集器节点的认证、采集网络的建立与维护、网络参数的获取与修改、温湿度数据的收集与管理、节点分布平面图的管理等功能的可视化操作。USSN 无线温湿度采集系统软件的可实现功能有： 无线温湿度采集网络的连接与断开控制 采集数据的显示与储存 分布式监测显示：采集器命名，位置任意摆放，导入平面图 即时生成温湿度曲线图，可对多个采集器的数据进行比较 无线温湿度采集器电池电量显示 设置数据采集间隔、工作周期 超限自动报警设置 显示网络的拓扑关系、连接质量、维护状态信息 无线温湿度采集器的认证和加密 添加/删除指定的无线温湿度采集器44管理网络 利用计算机对整个网络进行管理，实现功能。45数据变化波形数据变化波形如图4.3所示。图4.3数据变化波形46数据列表在菜单式栏的“窗口”下拉菜单中选择“数据列表”进入数据列表界面。如图 4.4 所示。在数据列表界面中，界面左侧为节点列表，界面左下角为参数显示时间段，界面右侧为节点数据列表。在节点数据列表中显示采集器节点的地址，数据收集时间，温度、湿度、电压的参数值，以及节点的类型。图4.4数据列表47主窗口布局主窗口组成如下：主菜单栏。位于窗口的最上方，主菜单包括：- 通信 / 文件- 数据库 / 编辑- 查看- 窗口- 帮助工具栏。位于主菜单下方。如图4.5所示。图4.5主窗口布局48报警与显示在报警显示列表中显示采集器节点的地址，当前温度、湿度、电压参数，报警参数值域，节点类型以及报警指示，如图4.6 所示。节点在报警显示列表中有三种形式表示节点的报警状态。图4.6报警与显示列表第五章 总结与展望通过这次的课程设计对“温室大棚环境监控网络设计”的制作让我对无线传感网络的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想