基于无线传感网络的空气质量监测系统设计

1、摘要空气品质对人的影响至关重要, 利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法, 本 文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用及监控系统的网络设计。本系统采用无线传感器网络来实现数据的采集与发送。 无线传感器网络是由部署在监 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感知对象的信息, 并发送给观 察者。本设计系统采用 CC2430无线通信模块、温湿度传感器 DHT90、空气质量传感器 QS-01、电源模块构建无线传感器网络,通过 RS -232串口和监控中心通信,使用软件开 发平台 IAR Embe

2、dded Workbench开发 ZigBee 协议栈,基于 ZigBee 的无线网络技术以低 功耗、 低成本、 低复杂度等特点受到越来越多企业和个人的青睐。 空气质量监测系统特别 适合于数据吞吐量小、 网络建设投资少、 网络安全要求较高、 不便频繁更换电池或充电的 场合。预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域 获得广泛应用 , 利用 ZigBee 技术完成传感器节点和汇聚节点的应用程序, 最终能够实现空 气质量的监测。关键字:无线传感器; cc2430; DTH90; zigbee 技术;空气质量检测ABSTRACTAir quality impact on

3、 people is very important, using sensors to detect air quality is now a popular method, this paper introduces the sensor in air quality testing principle, analyzes the advantages and disadvantages of gas sensor, and gas sensor development trend and prospects. The system uses wireless sensor networks

4、 to achieve data s collection and transmission. Wireless sensor networks are composed of a large number of low-cost micro-sensor nodes which are deployed in the monitoring region, uses wireless communication means to form a multi-hops self-organizing network, with the aim of perception, collection a

5、nd processing of perceived target information in the network coverage region, and send them to observers. This system uses CC2430 wireless communication module ,temperature and humidity sensor DHT90, air quality sensor QS-01,power module to build wireless sensor networks, and uses RS -232 serial por

6、t to communicate with monitoring center .Use the software development platform IAR Embedded Workbench to develop ZigBee protocol stack.Based on the ZigBee wireless networking by low characteristics and so on power loss, low cost, low complexity receives more and more many enterprises and individual

7、favor.The ZigBee technology suits specially in the data volume of goods handled small, the network construction invests few, the network security request is high, inconvenient replaces the battery or the charge situation frequently.The estimate in the expense class electronic installation, the famil

8、y intellectualization, the labor will control, medical domains and so on device control, agricultural automation obtains the widespread application These can definitively achieve the purpose of air quality monitoring.Keywords:wireless sensor;CC2430;DTH90;ZigBee technology;air quality testing目录摘要 . .

9、 I ABSTRACT . II 1 绪论 . . 1 1.1 引言 . . 1 1.2 课题背景和研究意义 . . 1 1.3 无线传感器网络的研究进展 . . 21.4 论文的研究内容与组织结构 . . 42 无线传感器网络概述 . . 6 2.1 无线传感器网络简介 . . 6 2.2 无线传感器网络体系结构概述 . . 6 2.3 无线传感器网络特点 . . 7 2.4 无线传感器网络应用 . . 10 2.5无线传感器网络关键技术 . 102.6 无线传感器网络拓扑结构 . . 124空气质量监测系统软件设计 . . 29 4.1 ZigBee协议 . 29 4.2 IAR开发环境介

10、绍 . 30 4.3 传感器节点应用程序设计 . . 314.4 汇聚节点应用程序设计 . . 33兰州工业学院毕业设计(论文1 绪论1.1 引言由于环境问题的严重性使得全社会环保意识的提高 , 对于环境信息的需求也越来越 大。与传统的空气质量监测系统相比,使用传感器网络进行环境监测具有如下优点:传 感器网络对被监测环境影响小;传感器网络采集数据量大、精度高;传感器节点还具有 无线通信能力,可以使得节点协同监控。无线传感器网络常适用于无人监守的远程监测, 该文采用无线传感器网络来监测空气质量 , 在城市内选择一些监测点 , 放置传感器节点, 并 通过 ZigBee 无 线 技 术 传输数据 ,

11、 终端工作人员可以通过监控中心对监测系统进行管理 和配置、发布监测任务或是收集回传数据。1.2 课题背景和研究意义课题背景:当今 , 人类正面临“煤烟污染” 、 “光化学烟雾污染”之后 , 又出现了“室内 空气污染”为主的第三次环境污染 1。大量触目惊心的事实证实 , 室内空气污染已成为危 害人类健康的“隐形杀手” , 也成为全世界各国共同关注的问题。据统计 , 全球近一半的人 处于室内空气污染中 , 室内环境问题对我们来讲,就显得尤为重要。然而对于室内环境问 题,我们又往往忽视其重要性。但如今,各种疾病给我们敲响了警钟,再一次提醒我们, 改善室内环境,杜绝和防止室内污染, 不仅是为了提高我们

12、的生活质量,而且,它也关系 到身体健康和生命安全。自然环境有包括空气环境、声音环境、温湿环境和光环境 2。人 工环境又分为绿化环境、 装饰环境、 改造后的自然环境等。 我们通常所提到的环境污染只 是提到空气环境污染, 因为它对人的危害最大、 最直接, 从而忽视了其他环境的利用和改 造。其实,其他的室内环境污染一样对我们的生活、学习、工作、娱乐等等方面产生了各 种危害和影响。 美国专家研究表明, 室内空气的污染程度要比室外空气严重二至五倍, 在 特殊情况下可达 100倍。 室内空气中可检测出 500多种挥发性有机物, 某些有害气体浓度 可高出户外十倍乃至几十倍,其中 20多种是致癌物。所以美国已

13、将室内空气污染归为危 害公共健康的 5大环境因素之一。加拿大的一个卫生组织的调查也显示,当前人们 68 的疾病都与室内空气污染有关室内环境污染已经引起 35.7%的呼吸道疾病 ,22%的慢性肺 病和 15%的气管炎、支气管炎和肺癌,所以检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段 3。而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获 取、传输与处理的一种重要工具,并且在空气质量检测方面发挥重要作用。研究意义:人类生存离不开空气,而人的一生约 80%的时间是在室内度过的,特别是 老、弱、病、残、幼、孕等体弱者在室内活动时间更长,室内环境质量的好坏对他们的身 心健康更加重要。 因

14、此加强室内环境的监测与治理, 对保证人民的健康, 提高国民的整体 素质十分重要。 尤其像我国这样人口众多, 而医疗保健水平又跟不上的国家, 加强室内环 境监测,维持一个绿色的居住、 办公场所,让广大人民都拥有一个健康的体魄, 显得尤为 重要。国外大量研究结果也表明,室内空气污染会引起“致病建筑综合症” (BBS ,症状 包括头痛、眼、鼻和喉部不适,干咳,皮肤干燥发痒,头晕恶心注意力难于集中和对气味 敏感等 4。建筑关联病(BRI ,症状有咳嗽,胸部发紧,发烧寒颤和肌肉疼痛等,所以任 何一个场所包括室内、 室外都有必要进行空气检测, 给家人朋友一个舒适健康的生活环境。 环境保护,监测先行,自动化

15、、信息化是做好环境监测的前提和保障,多年来在地方 经济迅速发展的同时, 各地区不断出现不同程度的水、 气、噪声等环境污染事件, 严重影 响了人们的生活质量, 阻碍了当地经济的持续发展 5。 随着国家制定的各种环境保护政策 及法规的颁布实施, 各级地方政府在对辖区内的环境治理日益重视的同时, 加大了对环境 监测及应急监测的投资力度,各地区陆续规划安装了空气质量监测站。1.3 无线传感器网络的研究进展在西方和一些发达国家如加拿大、 英国、 德国、 意大利和日本等国家的研究机构也加 入了无线传感器网络的研究。 欧盟的 Philips 、 France Telecom、 Siemens 、 Erics

16、son 等公司, 日本的 NEC 、欧姆龙、 OKI 、 Sky2等开展了无线传感器网络的研究美国科学基金委员会 2003年制定了无线传感器网络研究计划, 研究领域涉及能感知有毒化学物、 生物攻击等的 传感器节点、 分布环境下传感器网络的特性等问题 6。 美国著名院校几乎都有研究小组在 从事无线传感器网络相关技术的研究。在我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动, 首次正式出现于 1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中。 国内的一些科研单位和著名大学, 如中国科学院自动化所、 软件所及清华大学、 哈尔滨工 业大学从 2002年开始在时间同步

17、与定位、 传感器数据管理系统方面开展了研究工作。 2005年, 将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划; 2006年, 将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网 (CNGI示范工程中,也部署了无 线传感器网络相关的课题,国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发 展,开始推出针对无线传感器网络及 ZigBee 的解决方案,而无线网络应用在生活中的研 究也是刚刚起步 7。目前 ZigBee 网络的应用范围非常广泛, 很多我们想象不到的地方也在使用 ZigBee 技 术。例如,在工业领域, ZigBee 技术不仅用来控制照明灯的开关,它还有一个用途是检

18、查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉 了,需要维修,但因为车速较快,不能记下所有要检修灯的编号,但通过 ZigBee 网络, 工程师只需坐在计算机, 就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况, 这是目 前的一个热点应用。再如, ZigBee 技术用于进出的控制,可以记录汽车的进出,也可以 在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据,进行身份认证。此外,通过 ZigBee 网络的 路由器功能, 它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况, 防止事故的发生。 在加油站, 一些客户不希望布线,他们正在考虑采用 ZigBee 无线技术来传输相关数据。在消费类电

19、 子方面, ZigBee 技术可以替现在的红外遥控,于红外遥控相比, ZigBee 的优势在于每一 个操作都会有反馈信息,告诉他们是否实现了相关操作。现今我们也可以看到 ZigBee 用 于家庭保安,消费者在家中的门和窗上都安装了 ZigBee 网络,当有人闯入时, ZigBee 可 以控制开启室内摄像装置,这些数据再通过 Internet 或 WLAN 网络反馈给主人,从而实 现报警 8。当在家电产品如空调,热水器等安装 ZigBee 模块后,用户可以通过 ZigBee 无 线网络来控制这些产品的开启。 在建筑智能化领域, 各种灯光的控制, 气体的感应与监测, 如煤气泄漏的感应和报警都可以应

20、用 ZigBee 技术。 ZigBee 在未来的几年里将在工业控制, 工业无线定位,家庭网络,汽车自动化,楼宇自动化,消费电子,医用设备控制等多个领 域具有广泛的应用前景,特别是家庭自动化和工业控制,将成为今后 ZigBee 芯片的主要 应用领域。在工业领域,利用传感器和 ZigBee 网络,使得数据的自动采集,分析和处理 变得更加容易, 可以作为决策辅助系统的重要组成部分。 在汽车领域, 主要是传递信息的 通用传感器。 由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中, 比如轮胎压力监测系 统, 这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命, 同时应该克服嘈杂的环境和金 属结构对电磁波的屏蔽

21、效应。 在精确农业领域, 传统农业主要使用孤立的, 没有通信能力 的机械设备,主要是依靠人力监测作物的生产状况,采用了传感器和 ZigBee 网络后,农 业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式, 使用更多的自动化, 网络化, 职能 化和远程控制的设备来耕种。 在家庭和楼宇自动化领域, 家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展, 易于进入, 简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家, 建筑 开发和应用无线技术的主要动因 8。在医学领域,将借助于各种传感器和 ZigBee 网络准 确而且实时地监测病人的血压, 体温和心跳速度等信息, 从而减轻医生的查房的工作负担, 有助于医生做出快

22、速的反应, 特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 在消费和家用自动 化市场,可以联网的家用设备有电视,录像机,无线耳机, PC 外设,运动与休闲器械, 儿童玩具,游戏机,窗户和窗帘,照明设备,空调系统和其它家用电器。1.4 论文的研究内容与组织结构研究内容:本论文研究了如何利用传感器检测空气质量及介绍了传感器在空气质量检 测方面的原理应用 , 分析了当前气体传感器的特点 , 以及气体传感器的发展趋势和前景本包 括系统的软硬、件设计及其具体实现,主要研究内容如下。一是, 目前我国采用的空气质量监测方法的研究, 基于无线传感器网络的空气质量监 测系统的研究意义和无线传感器网络的概述, 概述包括基本

23、概念、 结构、 体系结构、 特点、 应用、关键技术和网络拓扑结构。第 1章:绪论。介绍了目前的空气质量监测方法,课题的研究背景及研究意义,无线传感器网络的研究进展和论文的主要研究内容和组织框架。第 2章:无线传感器网络概述。 介绍了无线传感器网络的基本构架、 体系结构、 特点、 应用和关键技术。第 3章:空气质量监测系统硬件设计。介绍了 ZigBee 技术,系统的总体结构设计, 传感器节点和汇聚节点的硬件设计。第 4章:空气质量监测系统软件设计。介绍了 ZigBee 协议栈, IAR 集成开发环境, 传感器节点和汇聚节点的应用程序设计。第 5章:总结与展望。 总结本论文所做的工作,提出现有方案

24、的不足之处,并对下一 步工作进行了展望。2 无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络简介无线传感器网络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,其目的是协作地感知, 采集,处理和网络传输覆盖地理区域感知对象的检测信息, 并 报告给用户。它的英文是 Wireless Sensor Network 简称 WSN 。大量的传感器节点将探测 数据,通过汇聚节点经其他网络发送给了用户 9。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。 无线传感器网络是 新一代的传感器网络, 具有非常广泛

25、的应用前景, 其发展和应用, 将会给人类的生活和生 产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国,非常重视无线传感器网络的发展, IEEE 正在努力推进无线传感器网络的应用和发展。 波士顿大学, 还于最近创办了传感器网络协 会,期望能促进传感器联网技术开发。 美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术 时,更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术, 商业周刊预测的未来四大新技 术中,无线传感器网络也被列入其中 10。可以预计,无线传感器网络的广泛应用是一种 必然趋势,它的出现将会给人类社会带来极大的变革。2.2 无线传感器网络体系结构概述近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统(MEMS

26、 等技术的飞速发 展,使得低成本、低功耗、 多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能, 这些微型无线 传感器具有无线通信、 数据采集和处理、 协同合作等功能,无线传感器网络(以下简称传 感器网络 就是由许多这些传感器节点协同组织起来的。 传感器网络的节点可以随机或者 特定地布置在目标环境中, 它们之间通过特定的协议自组织起来, 能够获取周围环境的信 息并且相互协同工作完成特定任务。传感器网络被认为是 21世纪最重要的技术之一, 它将会对人类未来的生活方式产生深 远影响 11。 2003年 2月份的美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十 大新兴技术,传感器网络被列为第一。传感器网络最

27、初来源于美国先进国防研究项目局 (DARPA-Defense Advanced ResearchProjects Agency的一个研究项目,当时处于冷战时期,为了监测敌方潜艇的活动情况, 需 要在海洋中布置大量的传感器, 使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行 动。 但是由于当时技术条件的限制, 使得传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中, 难以得到推广和发展。 近年来随着无线通信、 微处理器、微电机系统等技术的发展,使得 传感器网络的理想蓝图能够得以实现, 其应用前景越来越广, 国外各个研究机构对它的研 究也正方兴未艾。在传感器网络中, 每个节点的功能都是相同的, 大量传感

28、器节点被布置在整个被观测 区域中, 各个传感器节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后 传送给用户, 数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站, 然后再通过 基站以卫星信道或有线网络连接的方式传送给最终用户。2.3 无线传感器网络特点传感器网络是由大量体积小、 成本低、 具有无线通信、传感、 数据处理的传感器节点 (sensor node组成的,传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等 功能模块组成(如图 2-1所示 。除此之外根据具体应用的需要,可能还会有定位系统、电 源再生单元和移动单元等 12。其中电源单元是最重要的模块之一,有的系统可能

29、采用太 阳能电池等方式来补充能量, 但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。 定位系 统对传感器网络的路由是很重要的, 有些传感器节点采用全球定位系统 (GPS 进行定位, 但是 GPS 模块价格昂贵且体积难以减少,所以不可能全部节点都使用 GPS 来进行定位。 此外, GPS 定位还受到其他限制,如部分应用于建筑物内部等。通常情况下是在整个网 络中会有某些传感器节点配有 GPS 系统,其他节点通过局部定位算法得到它们与配有 GPS 的节点之间的相对位置,这样所有节点都能知道各自的具体位置了。除借助 GPS 的 定位方式外,还有离散梯度法等间接定位方式。 图 2-1 传感器网络节点的组成

30、模块Fig 2-1 node module of Sensor network传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点, 正是由于这些特点使得传感器网络存 在很多新问题,提出了很多新的挑战 13。传感器网络的主要特点有:1 传感器网络的节点数量大、密度高由于传感器网络节点的微型化, 每个节点的通信和传感半径很有限, 一般为十几米范 围之内, 而且为了节能, 传感器节点大部分时间处于睡眠状态, 所以往往通过铺设大量的 传感器节点来保证网络的质量。 传感器网络的节点数量和密度都要比一般网络高几个数量 级,可能达到每平方米上百个节点的密度 , 甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地 址。这会带来一系

31、列问题, 如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、 大量节点之间如何 协同工作等。2 传感器网络的节点有一定的故障率由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中, 网络中的节点可能会由于各种不可 预料的原因而失效, 为了保证网络的正常工作, 要求传感器网络必须设计成具有一定的容 错能力,允许传感器节点具有一定的故障率。3 传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制由于传感器节点的微型化, 节点的电池能量有限, 而且由于物理限制难以给节点更换 电池, 所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一, 它直接 决定了网络的工作寿命。 另一方面, 传感器节点的计算和存储能

32、力有限, 使得其不能进行 复杂的计算,传统 Internet 网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大,难以使 用,必须重新设计简单有效的协议及算法 14。4 传感器网络的拓扑结构变化很快由于传感器网络自身的特点, 传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点 随时可能由于各种原因发生故障而失效, 或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质 量, 这些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化很快, 这对网络各种算法 (如路由算法和 链路质量控制协议等 的有效性提出了挑战。 此外,如果节点具备移动能力,也有可能带 来网络的拓扑变化。5 以数据为中心在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指

33、标的值, 而不会去关心具体某个节 点的观测数据,比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少” ,而不会 关心“节点 N 所探测到的温度值是多少” 。这就是传感器网络的以数据为中心的特点。而 传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的, 以数据为中心的特点要求传感器网 络能够脱离传统网络的寻址过程, 快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信 息直接传送给用户 15。现在已经有一些致力于传感器网络的公司,如美国的 Crossbow 公司和 Dust 公司等, 其中 Crossbow 公司已经推出了 Mica 系列传感器网络产品, 到现在已经有了 Mica , Mica2,

34、Mica2Dot 三种产品。他们还为 Mica 开发了一套微型的操作系统 TinyOS 。 Mica2Dot 的大 小和一枚硬币差不多, 每个 Mica2可以分为两个模块, 一个是基本的射频和处理模块 MPR (Mote Processor Radio Board ,另一个是可选的传感模块 MDA (Mote Data Acquisition Board 。 Mica2工作在 915MHz 的 ISM 频段上,有两个可调的工作频率:914.007MHz 和 915.998MHz 16。以 AA 电池或钮扣电池作为能源, Atmel Atmega 微控制器的工作频率为 4MHz ,无线通信的最大

35、速率为 40Kbps ,单个节点之间最大的通信距离为 200英尺(约 60米 。现在关于传感器网络的大多数科研和演示系统都是以 Mica 为平台的。由于传感器网络需要大规模铺设, 要求每个传感器节点的成本很低, 要达到实用化要 求每个节点的价格控制在 1美元以下,现在每个传感器节点的造价大约在 80美元左右,但 是相信随着集成技术的进一步提高和大规模生产带来的经济效益, 传感器节点的成本将会 很快下降。另一方面由于节点的微型化要求每个节点的体积越来越小, Dust 公司已经开 始设计最终能够悬浮于空气中的“灵巧微尘” (smart dust传感器,现已设计出的最小全 功能“灵巧微尘”的直径只有

36、 5mm 左右,他们计划将在 1年之内最终设计出体积不大于 1mm 3的产品。2.4 无线传感器网络应用传感器网络在军事领域的应用十分重要, 军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散 布大量微型廉价的传感器节点, 通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化, 并将监测 到的数据通过卫星信道等方式发送回基地 17。这样就可以方便地监控我军布防的阵地是 否有敌军入侵, 也可以将网络布置在敌方阵地上, 以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动 情况。 现代战争越来越表现出信息战的特点, 战争中信息的及时获取和反应对整个战局的 影响至关重要, 利用传感器网络的特点可以给指挥部门提供及时准确的信息, 这对增强国

37、家的国防军事力量是非常重要的。虽然传感器网络最初主要应用于军事领域, 但是随着技术的发展, 传感器节点的成本 越来越低, 而功能却日益强大, 使得以前造价昂贵的传感器网络现在已经能够进入民用领 域。 现在传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用, 越来越多的可能的应用领域也不 断展现在人们的面前, 毫无疑问在传感器网络中隐藏着巨大的商机。 传感器网络在民用方 面的应用主要有:生态环境监测;基础设施安全;先进制造;物流管理;医疗健康;工业 传感;智能交通控制;智能能源等。传感器网络还有很多其他方面的应用,前景无限,这 里就不一一列举了 18。可以肯定的是,随着技术的进步和经济的发展,传感器网络必

38、将 会越来越多的应用到社会生活的各个方面。2.5无线传感器网络关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点, 有非常多的关键技术有待发现和研 究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说,是两个最重要的性能指标,所以 WSN 的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。 下面介绍网络拓扑控制、 数据融 合等部分关键技术。1 网络拓扑控制对于自组织的传感器网络而言, 网络拓扑控制具有特别重要的意义。 通过拓扑控制自 动生成的良好的网络拓扑结构,能够提高路由协议和 MAC 协议的效率,可为数据融合、 目标定位等很多方面奠定基础, 有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。 所以, 拓扑 控

39、制是 WSN 研究的核心技术之一 19。 WSN 拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络 覆盖度和连通度的前提下, 通过功率控制和骨干网节点选择, 剔除节点之间不必要的无线通信链路, 生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。 拓扑控制分为节点功率控制和层次 型拓扑结构控制两个方面。 功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率, 在满足网络连 通度的前提下, 减少节点的发送功率, 均衡节点单跳可达的邻居数目; 目前已经提出了以 邻居节点度为参考依据的算法,以及利用邻近图思想生成拓扑结构的 DRNG 和 DLSS 算 法。 层次型的拓扑控制利用分簇机制, 让一些节点作为簇头, 由簇头形成一个处理并转发

40、 数据的骨干网,其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块,进入休眠状态以节省能量。 2 数据融合在无线传感器网络中, 节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。 但是在数据的采 集和传输过程中, 总要对采集的数据进行处理, 因此存在如何对采集的数据进行处理、 融 合的问题。如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果,可以降低传输数据 的功耗, 但增加了本地节点处理器的功耗; 如果传输原始采集的数据, 可以降低节点处理 器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。 因此, 如何对采集的数据进行处理与融合对降低 节点能耗起到相当大的作用。 通常网络中的传感器数量很多, 传感器采集的数据具有一定 的冗

41、余度, 因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传 输量,有效降低系统功耗,问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。 3 定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分, 没有位置信息的监测消息通常毫 无意义。 为了提供有效位置信息, 随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。 由于传感器节点存在资源有限、 随机部署、 通信易受环境干扰甚至节点失效等特点, 定位 机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有的 WSN 定位算法 根据定位机制的不同, 可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。 基于测距的定 位机制利用到达时

42、间延迟、 信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向, 然后使 用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。 而不基于测距的定位机制无需距离 或角度信息,或者不用直接测量这些信息,仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。 距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小, 虽然定位误差相应有所增加, 但定位 精度能够满足多数传感器网络应用的需求,是目前大家重点关注的定位机制 20。4 无线通信技术标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处, 因此很多研究机构把它作为无线传 感器网络的无线通信平台。另外,超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本 等诸多优势,已成为室内短距离无线网

43、络的首选方案,这为 WSN 的数据传输开辟了一种 崭新的方案。5 时间同步传感器网络中由于节能策略 , 节点在大部分时间是休眠的 , 所以要求解决通信同步问题 , 即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外 , 传感器网络是一个分布式网络 , 所有节点在 通信上地位对等 , 没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态 , 往往需要做到 全网或者一定范围内所有节点的同步 , 而不是通信双方的简单同步。2.6 无线传感器网络拓扑结构从无线传感器组网形态和方法来看,有集中式、分布式和混合式。集中式类似于移动 通信的蜂窝结构,可以集中管理;分布式结构类似于 Ad-hoc 网络结构,可自组织网络接

44、 入连接, 可以分步管理; 混合式结构是集中式和分布式结构的组合。 其中无线传感器按节 点功能及结构层次来看, 有可分为平面网络结构、 分级网络结构、 混合网络结构以及 Mesh 网络结构 21。1 平面网络:结构如下图 2-2所示,是无线传感器网络中最简单的拓扑结构,每个 节点都为对等结构, 具有完全一致的功能特性, 也就是每个节点包含相同的 MAC 、 路由、 管理和安全等协议。但是由于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 无线传感器网络平面网络结构Fig 2-2 level network structure of Wireless sensor network2

45、 分级网络结构(层次网络结构 :如下图 2-3所示,分级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。 骨干节点之间或者一般传感器节点 间采用的是平面网络结构, 然而骨干节点和一般节点之间采用的是分级网络结构。 一般传 感器节点没有路由、管理及汇聚处理等功能。 图 2-3 无线传感器网络分级网络结构Fig 2-3 hierarchical network structure of wireless sensor network3 混合网络结构:如下图 2-4所示,混合网络结构时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。 这种结构和分级网络结构不同的

46、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, 但是对所需硬件成本更高 22。 图 2-4无线传感器网络的混合网络结构Fig 2-4 hybrid network structure of Wireless sensor network4 Mesh网络结构:如下图 2-5所示,这是新型的网络拓扑结构,这是种规则分步的 网络, 不同于完全连接的网络结构。 通常只允许和节点最近的邻居通信。 网络内部的节点 一般也是相同的,因此 Mesh 网络也称为对等网。由于通常 Mesh 网络结构节点之间存在多条路由路径, 网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力。 其中优点就是

47、尽管所 有节点都是对等的地位 23,且具有相同的计算和通信传输功能,某个节点可被指定为簇 首节点, 而且可执行额外的功能, 一旦簇首节点失效, 另外一个节点可以立刻补充并接管 原簇首那些额外执行的功能。 图 2-5无线传感器网络的 Mesh 网络结构Fig 2-5 Mesh network structure of Wireless sensor network从技术上看,基于 Mesh 网络结构的无线传感器具有以下特点:a. 由无线节点构成网络:这种类型的网络节点是由一个传感器或执行器构成且连接到 一个双向无线收发器。b. 节点按照 Mesh 拓扑结构部署:网内每个节点至少可以和一个其他节点

48、通信,这种 方式可以实现比传统的集线式或星型拓扑更好地网络连接性。具有自我形成、自愈功能, 以确保存在一条更加可靠的通信路径。c. 支持多跳路由:来自一个节点的数据在其到达一个主机网关或控制器前,可以通过 多个其余节点转发。通过 Mesh 方式的网络连接,只需短距离的通信链路,经受较少的干 扰,因而可以为网络提供较高的吞吐率及较高的频谱复用效率。d. 功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点:通常基站或汇聚节点移动性较 低,感应节点可移动性较高。基站不受电源限制,而感应节点通常由电池供电。e. 存在多种网络接入方式:可以通过新型、 Mesh 等节点方式和其他网络集成。 无线传感器节点结构:如

49、下图 2-6所示,无线传感器由传感器模块、处理器模块、无 线通信模块和能量供应模块这四部分组成。 其中, 传感器模块(传感器和模数转换器 负 责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块(CPU 、存储器、嵌入式操作系统等 负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据;无线通信模块(网络、MAC 、收发器负责与其他传感器节点进行无线通信;能量供应模块为传感器节点提供 运行所需的能量,通常采用微型电池。 图 2-6无线传感器节点结构Fig 2-6 Wireless sensor node structure除了这四个模块外, 传感器节点还可以包括其他辅助单元, 如移动系统、 定位系统和

50、 自供电系统等。 由于传感器节点采用电池供电, 因此尽量采用低功耗器件, 以获得更高的 电源效率。3 空气质量监测系统硬件设计3.1 ZigBee技术ZigBee 是一种无线连接,可工作在 2.4GHz(全球流行 、 868MHz(欧洲流行 和 915MHz(美国流行 3个频段上 , 分别具有最高 250kbit/s、 20kbit/s和 40kbit/s的传输速率, 它的传输距离在 10-75m 的范围内 , 但可以继续增加。作为一种无线通信技术, ZigBee 具 有如下特点:1 低功耗:由于 ZigBee 的传输速率低 , 发射功率仅为 1mW, 而且采用了休眠模式,功 耗低 , 因此

51、ZigBee 设备非常省电。 据估算, ZigBee 设备仅靠两节 5号电池就可以维持长达 6个月到 2年左右的使用时间 , 这是其它无线设备望尘莫及的。2 成本低:ZigBee 模块的初始成本在 6美元左右, 估计很快就能降到 1.5 2.5美元 , 并且 ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素。3 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的搜索设备时延 30ms, 休眠激活的时延是 15ms, 活动设备信道接入的时延为 15ms 。因此 ZigBee 技术适用于对时 延要求苛刻的无线控制 (如工业控制场合等 应用。4 网络容量大:一个星型

52、结构的 Zigbee 网络最多可以容纳 254个从设备和一个主设 备,一个区域内可以同时存在最多 100个 ZigBee 网络 , 而且网络组成灵活。5 可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 , 避 开了发送数据的竞争和冲突。 MAC 层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数 据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。6 安全:ZigBee 提供了基于循环冗余校验 (CRC的数据包完整性检查功能 , 支持鉴权 和认证,采用了 AES-128的加密算法 , 各个应用可以灵活确定其安全属性。3.2 系统总体结构设计 图 3-1 Zigbee的三种网络拓扑结构Fig 3-1 Three kinds network topology structure of ZigBee在网状网络和簇树型网络中, ZigBee 协调器负责网络的建立和初始参数设定,网络都 可以通过 ZigBee 路由器进行扩展。但是,在簇树型网络中,路由器采用分级路由策略传 送数据