第10卷第4期2010年12月
南京工业职业技术学院学报Jour nal o fNan ji n g Institute o f I ndustry Techno logy
V o.l 10,N o .4D ec .,2010
收稿日期:2010 09 27
基金项目:南京工业职业技术学院2010年度科研基金立项项目(编号:YK10-04-10)
作者简介:倪瑛(1979 ),女,江苏丹徒人,南京工业职业技术学院讲师;傅大梅(1967 ),女,江苏海安人,南京工业职业技术学院副教授。
基于无线传感器网络的温室监测系统的设计
倪 瑛,傅大梅
(南京工业职业技术学院 电气与电子工程学院,江苏 南京 210046)
摘 要:提出了一种基于无线传感器网络的温室监测系统,对温室的温度、湿度、光照及二氧化碳的浓度进行实时监测,并给出了系统的硬件结构、通信协议及软件流程。该系统利用无线通信的传输方式取代了传统的有线通信传输方
式,具有配置灵活、组网方便的优点。关键词:无线传感器网络;温室监测;射频通信中图分类号:S625.5+1 文献标识码:A 文章编号:1671 4644(2010)04 0039 03
引言
随着温室大棚技术的进一步发展和推广,温室大棚在蔬菜和水果的种植中得到越来越广泛的应用。而温室大棚培育的关键是对温室大棚内温度、湿度、光照、CO 2等因素的控制。在最初的温室大棚种植过程中,基本上是依靠人力定期到大棚中去测量和观测各种因素和参数。随着近几年自动化控制技术和电子技术的发展,现代大棚中也具有控制温湿度、光照等条件的设备,并实现用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件,但是在信息传输的关键技术中采用有线技术。本论文提出了一个基于无线传感器网络的温室监测系统的设计方案,提出在温室大棚的监测系统中采用无线通信技术。
1 系统的组成结构
无线传感器网络[1]通过部署大量廉价的具有无线通信和自组织组网能力的传感器节点,相互协作地进行监测、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息,并通过无线方式传送信息到监测中心或终端用户。由于W S N 监测系统无需布线、安装简单,具有可靠性高、抗打击能力强、易于扩充等特点,弥补了传统监测系统的弊端。在本设计中,在需要监测的区域布放传感器节点,节点将采集到的数据传送给汇聚节点,汇聚节点再将数据送至监控主机。
本文提出了单层结构的基于无线通信的温室环境监测系统,结构如图1所示。图中有5个传感器节点,这些节点位于被监测的区域中,带有射频收发器,主要完成数据的采集,如温度、湿度、CO 2浓度以及光照等。为了节约能耗,传感器节点工作在睡眠 侦听模式,只有收到汇聚节点的数据请求命令才传送数据。传感器节点将收集的参数通过无线通信方式传送给汇聚节点。系统的汇聚节点主要负责收集和协调各个传感器节点的数据,并将其处理后上传给监控主机,以便温室管理人员随时查看温室的环境参数。
图1 系统的组成结构
2 系统的硬件设计
传感器节点在系统中负责完成两方面的工作:一是接收分析用户的监测指令,并根据指令中的参数要求对环境数据进行检测采集;二是通过无线系统将采集的数据发送到汇聚节点。一个传感器节点主要有三部分组成,分别为传感器模块、处理器模块、射频模块、电源模块,结构如图2所示。其中传感器模块负责数据的采集,处理器模块负责对传感器采集到的数据进行处理,并传递给射频模块进行发送。电源模块负责给其他模块供电。汇聚节点主要负责接收传感节点传来的数据,调度传感节点的运行,实现采集数据的上传和用户指令。汇聚节点的结构如图3所示。
图2 传感器节点的硬件结构
南京工业职业技术学院学报第10卷第4
期
图3 汇聚节点的硬件结构
温度传感器采用D S18B20[2]
。DS18B20是DA LLA S 公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO -92小体积封装形式,温度测量范围为-55 ~+125 ,可编程为9位~12位A /D 转换精度,测温分辨率可达0.0625 ,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。湿度传感器采用RY -DS 型土壤湿度传感器,用来测量土壤的体积含水量,可应用于土壤墒情监测、节水灌溉、温室控制、精准农业等领域。光照传感器采用西门子光照强度传感Q LS60,用于测量太阳光照强度。二氧化碳(C O 2)传感器采用TG S4160,该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外,同时还具有耐高湿和耐低温等特点,因而可广泛用于CO 2气体的长期监测等应用场合。
射频发送和接收模块采用CC2420[3]。CC2420是Chip con A s 公司推出的首款符合2.4GH z IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能,是第一款适用于Z igBee 产品的RF 器件。它基于Ch i pcon 公司的Sma rt RF 03技术,以0.18um C M OS 工艺制成只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps 可以实现多点对多点的快速组网。
微处理器模块是网络节点硬件设计的核心,所有的设备控制,数据采集和处理,通信协议和数据收发等都在该模块的支持下完成,所以微处理器的选择在网络节点的设计中至关重要。本系统中采用单片机ATm ega 16L ,它是A t m el 公司基于AVR 的增强型R ISC 结构的极低功耗的8位C M OS 微控制器。A t m egal6L 数据吞吐率高达1M IPS /MH z ,从而缓解了系统在功耗和处理速度之间的矛盾,有六种睡眠模式,适合传感器节点的低功耗要求。
3 通信协议的设计
设计无线传感器网络MA C 协议时,应当考虑的属性有:节省能量、网络的可扩展性和网络效率。系统中所有的节点都工作在同一信道,同一时刻只能有两个节点通讯,并且只有在主节点对某一节点有数据要求时通信才会连接,其他时间双方都处于未连接状态,通讯协议的实现有效避免了数据的冲突,降低了系统功耗。具体的通信过程描述如下:(1)汇聚节点采用轮询数据请求工作方式,按顺序对每一个传感器节点发送请求数据命令,之后进入信道侦听状态,在一定的时间间隙T 内汇聚节点一直处于侦听信道状态。在时间间隙T 内如果接收不到传感器节点发送的数据帧,则认为发送的请求数据命令帧丢失,则重新发送命令帧。
(2)传感器节点侦听信道,接收来自汇聚节点的数据请
求命令,收到命令后,结束侦听,发送采集到的数据信息,等
待汇聚节点返回应答帧。如果时间T 后未收到应答帧,则重新发送数据。
(3)汇聚节点收到传感器节点发送的数据,回送应答帧。
(4)汇聚节点接收到数据后,与监控主机通信,传送各个传感器节点采集到的数据。
4 软件设计
本系统的软件设计主要包括汇聚节点的软件设计和传感器节点的软件设计。在系统中,汇聚节点主要负责接收监控主机的查询命令,并发送数据查询命令给传感器节点,在收到传感器节点发送到的数据帧后,将数据传送给监控主机,具体的软件流程如图4所示。传感器节点的流程相对较简单,如图5所示。
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第10卷第4期 倪 瑛,傅大梅:基于无线传感器网络的温室监测系统的设计
5 结束语
在本设计中利用了无线监测技术,与有线技术相比,有成本低、携带方便、搭建网络简单快捷等特点,特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下,使用无线通信技术进行温室监测显得更加实用、快捷。由于无线射频模块通信距离的限制,本设计适用于小型面积的温室系统。为了扩大监测的面积,在系统中可以采用两层结构的通信模型,通信的过程与本设计类似。由于无线传感器网络具有配置灵活和组网方便等优势[4],在军事、环境保护、家庭和医疗护理、灾难拯救等方面都显示了广阔的应用前景,在今后将逐渐深入到人类生活的各个领域,因此,对无线传感器网络的研究具有极大的价值。
参考文献:
[1]曹明毅.无线传感器网络发展与应用[J].计算机光盘软
件与应用,2010(6):113.
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算机应用,2010(1):69 73.
[3]余永辉.基于CC2420的无线传感器网络节点低功耗研究
[J].电视技术,2009(5):73 75.
[4]温庭俊.浅析无线传感器网络的特点[J].管理&决策,
2010(3):167.
The Desi gn of G reenhouseM onitori ng Syste m B ased onW S N
N I Y i n g,FU D a m ei
(Nanjing Institute of Indu stry Technology,N anjing210046,China)
Abstrac t:Th i s paper br i ng s f o r w ard a greenhouse mon i to ri ng sy stem based on W S N,wh ich can realize t he rea l ti m e m easure m ents of the te m pe rature,hu m i d ity,li ght,thickness of CO
2
i n the greenhouse,and presents the hard w are structure,co mm un i ca tion protoco,l and soft fl ow s of the system.Th is syste m has the advantages on flex ible confi gura ti on and easy net worki ng,substituti ng w ire comm un i ca ti on w ith the w i re l ess co mmunicati on techn i ques.
K ey word s:W S N;greenhouse m onito ri ng;R F communicati on
(责任编辑 陈晓润)
(上接第35页)
R esearch on Tunnel L i ghti ng Control Syste m U si ng LED
Z HANG L i n g,HAO Cu i x ia
(Nanjing Institute of Indu stry Technology,N anjing210046,China)
Abstrac t:T his pape r designs a tunnel li ghti ng syste m based on LED,from the aspec ts of syste m framewo rk,contro l strategy,communi ca tion net wo rk and soft w are.T he syste m can au t om atica ll y coll ec t outside the t unne,l ti m e,tra ffi c and o ther i nfor m a tion,ad j ust t he br i ghtness o f the tunne l li ghti ng to reduce energy consu m pti on to m ax i m u m,i m prove t he effecti veness o f the tunne l opera ti on and m an agement,and has a w i de range of app licati on value.
K ey word s:t unne l li ghti ng;LED contro;l contro l strategy;ene rgy sav i ng
(责任编辑 陈晓润)
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智能家居系统中无线传感器网络的设计 智能家居系统中无线传感器网络的设计 随着时代的发展，人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，从而 出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制，利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，进行集中管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。本文以ZigBee技术对智能家居内部进行无线网络组网，通 过ZigBee无线传感器网络节点的设计，实现节点对各种传感器信息的采集、传输和控制功能。1Zigbee技术ZigBee技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，遵循IEEE802．15.4标准。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供数据完整性检查， 加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭环境，通信频率采用2．4GHz 免执照频段。ZigBee是一组基于IEEE802．15．4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅定义了MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟则对其网络层和应用层进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。2系统结构设计无线传感器网络系统主要由传感器、CC2430无线模块构成，结构图。 无线传感器网络采用树状结构，网络中有一个协调器，负责整个网络中数据的处理、转发以及网络的管理。终端节点(传感器节点)上电复位后，会搜索协调器节点，当能够搜索到协调器时，直接申请加入网络。当终端节点搜索不到协调器时，这时就会通过路由器节点找到协调器来加入网络。加入网络后保持待机状态，当有数据需要发送时，按照组网时的路径来收发数据信息。协调器通过串口与PC机相连，利用超级终端实现发送命令或者显示数据。3硬件电路设计本文设计的无线传感器网络系统的硬件结构主要由协调器模块，路由器模块，传感器模块，串口转换模块，供电模块以及PC机等组成。其中协调器、路由器、传感器3个模块作为主要的无线通信模块，由主控芯片CC2430作为数据处理以及无线收发器。其系统硬件电路结构示意图。3．1主控芯片选用CC2430芯片作为无线收发器和数据处理及控制器。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它采用增强型8051MCU、32／64／128kB 闪存、8kBSRAM等高性能模块，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器。32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I／O引脚。3．2无线模块设计1)协调器模块协调器节点由电压转换模块、按键模块、LCD模块、LED指示灯、时钟、处理器CC2430、天线等部分组成。CC2430的工作电压为3～3．3V，所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3．3V左右；LED指示灯用来显示协调器节点网络状态信息(如是否组网成功)；LCD模块是用户和传感器网络的交互界面，用来显示功最长能菜单，用户通过按键来选择功能菜单。其电路图。 2)传感器模块与路由器模块传感器模块亦即是终端节点模块，由传感器、处理器CC2430、天线、LED指示灯、时钟等部分组成。LED指示灯由P1．0、P1．1口控制。传感器模块就是在协调器模块的基础上去掉了LCD，而加入了传感器。传感器选用了DHT11温湿度传感器，与P0．0口相连，来负责数据采集。路由器模块与传感器模块的硬件电路相同，只是在编程实现功能上有所不同。4无线网络系统软件设计在ZigBee网络中，只有那些可以成为ZigBee协调器的设备才能建立新网络。协调器首先执行信道扫描，如果发现了一个合适的
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
0引言 农业生产具有季节性的特点，温室大棚可以帮助克服农业生产的季节性，提高农业生产效率。温室大棚内影响农作物生长的多方面因素，如温度、湿度、光照和空气流通情况等。为了达到农业生产的优质高效，对上述各种环境参数的量化控制很重要。无线网络技术的出现满足了农业生产技术的信息化、网络化的要求，因为其自主性组网、分布式监测等特点在温室大棚中进行实时数据采集提供了保障，例如农作物生长的土壤pH值、湿度、温度等环境参数。以无线传感器网络技术为主要特点的温室大棚信息化监测系统可以实时反馈温室大棚中各个不同地点的环境信息，将这些数据传送到监控中心并与最佳农作物生长的环境信息进行比较，有效并及时地处理温室大棚的各项环境参数信息，尽可能地为促进温室大棚中农作物的生长提供良好的环境，进一步提高农作物的质量和产量。 无线传感器网络是是部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成一个多跳的自组织网络系统，主要是更好的感知、采集和处理网络覆区域被监测的对象的环境参数信息，可以使人们实时获取大量详实而可靠的信息。随着无线传感器网络中的数据融合、路由协议、时间同步、节点定位、能耗等问题的进一步的解决，无线传感器网络以其较高的科技性、高效性和实用性可以直接推动其在各个领域的广泛应用。 1ZigBee无线传感器网络 智能温室大棚是一个庞大的系统，本文设计的无线传感器网络是针对智能温室大棚的环境监测而设计的。整个无线传感器网络由温度、湿度、感光度等传感器子节点构成，不同的子节点采集不同的环境数据，采集到的环境数据通过无线射频模块发送到主控制器或者其他节点。主控制器根据接收到的环境数据，结合控制策略，将控制指令通过无线传感器传输到终端控制器。如某个温室大棚检测温度A1℃通过无线传感器网络传输到主控制器，而控制策略的期望值是A2℃，于是主控制器就将调节空调温度数据的指令发送到终端控制器。无线传感器网络主要完成环境数据的采集、处理以及传输等功能。 在温室大棚传感器网络中，对如温度、亮度以及湿度等环境数据的传输速率要求不是很高，而对控制设备的功耗要求比较高。目前常用的几种短距离无线通讯技术主要有Bluetooth技术和ZigBee技术。通过对比对这几种通讯技术，由于ZigBee协议具有低功耗、低数据传输速率、低成本等特点，智能温室大棚采用ZigBee协议。 ZigBee是一种新兴的低速率短距离的无线通信技术，是ZigBee 技术联盟（ZigBee Alliance）所主导的无线传感网络技术标准之一。Zigbee主要用于近距离无线连接，通信速率要求低于蓝牙，由电池供电节点设备提供无线通信功能，并希望在不换供电设备的情况下能正常工作。Zigbee依据IEEE802.15.4标准，在一定的频段上用（全球2.4GHz，美国915MHz，欧洲868MHz）数千个传感器来构建无线传感器网络，利用WSN分布式等特点相互合作实现网络的整体通信。多个传感器节点只需要相对很少的供电能量，通过无线电波将数据从一个传感器节点按照一定的网络协议传到另一个传感器节点，所以通信效率较高。由于ZigBee技术具有通信范围较小及低数据速率的特点，决定了其技术适合于承载数据流量相对较小的业务领域。随着各种传感设备的复杂度、通信距离的加大，其能量消耗以及网络的系统成本都在进一步加剧，当然这也是我们所要研究的问题这一。 2无线节点设计 2.1硬件实现 智能温室大棚的网络系统包含一个主控节点及温度、湿度等采集节点、其他控制节点。主控节点是整个网络的核心，用于监控各个节点的状态，从各个监测节点获取信息，根据这些信息自动采取操作，或通过用户对主控设备的操作，向各个节点发出控制指令，控制灌溉、调温等设备的开闭及调节等。负责采集居室内的温度，湿度等各种环境参数，将数据反馈到主控，进而可能采取自动调节居室环境的控制操作。其它控制节点负责控制采光、通风等设施的各种操作。 根据不同的应用场合，无线传感器节点的组成也不相同，其硬件主要是由数据采集、数据收发、数据处理和电源4个部分构成：（1）数据采集负责对环境的温度、湿度、光照等参数的采集，采集到的数据交由微控制器处理； （2）数据收发负责与其他节点的数据通讯，由CC2480无线射频模块构成； （3）数据处理负责对传感器模块采集到的各种数据以及数据收发模块收到的数据进行处理； （4）电源负责单片机、无线射频模块以及传感器等器件的供电。 主控制器MSP430系列单片机最大特点是超低功耗和功能集成。其工作电压为1.8~3.6V，待机电流小于1μA，通过控制位可以设定1种活动模式和5种低功耗模式，同时内部集成有丰富的片内外设，包括JTAG调试接口。本设计中数据收发模块采用TI公司的CC2480,其内部结合有ZigBee射频前端和内存，4个通用的I/O扩展接口，2路7~12位的ADC，上电复位和掉电复位电路，与处理器联接可以采用SPI接口或者UART接口。CC2480可以配置的ZigBee设备有协调器、路由器和终端设备。当配置成终端设备的时候，在闲置时期，它自动进入低功耗模式（小于0.5μA）。在本设计中所用的CC2480和MSP430单片机之间通过SPI方式通讯。用于对外显示的LED指示灯在测试时用来指示数据的传输、节点的发现以及节点休眠等状态。串口通讯模块在协调器中与家庭网关进行数据通讯。节点通过数据采集模块采集到温度、湿度、光照等数据，再经微控制器对数据进行处理，通过CC2480无线收发器将数据传送到主控制器。主控制器查询各种环境参数，通过CC2480将命令传送到传感器节点或终端控制器来改变环境的温度、湿度和光照等参数。 2.2软件实现 节点的软件部分是基于嵌入式μC/OS-Ⅱ平台设计的。μC/OS-Ⅱ占用很少的系统资源，它的最小化内核能编译到2K，非常适用于无线传感器网络节点。μC/OS-Ⅱ操作系统移植后，在其应用平台上编写应用程序任务。在μC/OS-Ⅱ操作系统中，主函数的功能主要有初始化操作系统，创建起始任务，开始多任务调度，主要任务如下： （1）起始任务：使能端口（CC2480控制端口、UART端口、I/O端口等）初始化；CC2480初始化；节点根据应用场合创建数据采集、数据收发、控制等任务；执行起始任务主体，包括:构建整个网络、查询有无增减节点；终端节点的任务主体是：查询网络，加入网络。 （2）数据采集任务：初始化传感器；通过传感器检测温度、湿度、光照等环境参数。（下转第327页） 无线传感器网络在温室大棚中的应用 潘蓉 （江苏农林职业技术学院，江苏句容212400） 【摘要】本文介绍了无线传感器网络ZigBee协议在温室大棚中的实现与应用。根据温室大棚的特点而设计了无线自动控制系统。详细说明了系统体系结构的设计和控制节点的硬件设计以及软件的控制过程。 【关键词】无线传感器网络；ZigBee；温室大棚 The Application of Wireless Sensor Network in Greenhouse PAN Rong （Jiangsu Polytechnic College of Agriculture and Forestry，Jurong Jiangsu，212400）【Abstract】This paper introduced the application and Realization of ZigBee protocol of wireless sensor network in greenhouse.Designed the Wireless Automatic Control System according to the characteristics of greenhouse.Illustrated the design of system architecture,the hardware design of control node and the software control process. 【Key words】Wireless sensor networks；ZigBee protocol；Greenhouse
无线传感器网络 实验指导书 信息工程学院
实验一 质心算法 一、实验目的 掌握合并质心算法的基本思想； 学会利用MATLAB 实现质心算法； 学会利用数学计算软件解决实际问题。 二、实验容和原理 无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息。定位精度相对较低，不过可以满足某些应用的需要。 在计算几何学里多边形的几何中心称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。 假设多边形定点位置的坐标向量表示为p i = (x i ，y i )T ，则这个多边形的质心坐标为： 例如，如果四边形 ABCD 的顶点坐标分别为 (x 1, y 1)，(x 2, y 2), (x 3, y 3) 和(x 4,y 4)，则它的质心坐标计算如下： 这种方法的计算与实现都非常简单，根据网络的连通性确定出目标节点周围的信标参考节点，直接求解信标参考节点构成的多边形的质心。 锚点周期性地向临近节点广播分组信息，该信息包含了锚点的标识和位置。当未知结点接收到来自不同锚点的分组信息数量超过某一门限或在一定接收时间之后，就可以计算这些锚点所组成的多边形的质心，作为确定出自身位置。由于质心算法完全基于网络连通性，无需锚点和未知结点之间的协作和交互式通信协调，因而易于实现。 三、实验容及步骤 该程序在Matlab 环境下完成无线传感器中的质心算法的实现。在长为100米的正方形区域，信标节点（锚点）为90个，随机生成50个网络节点。节点的通信距离为30米。 需完成： 分别画出不同通信半径，不同未知节点数目下的误差图，并讨论得到的结果 所用到的函数： 1. M = min(A)返回A 最小的元素. 如果A 是一个向量，然后min(A)返回A 的最小元素. 如果A 是一个矩阵，然后min(A)是一个包含每一列的最小值的行向量。 2. rand X = rand 返回一个单一均匀分布随机数在区间 (0，1)。 X = rand(n)返回n--n 矩阵的随机数字。 ()12341234,,44x x x x y y y y x y ++++++??= ???
无线传感器网络系统的设计思路 一、无线传感器网络技术应用广泛，百花齐放 无线传感器和传感器网络，是具有非常广泛的市场前景，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响的新技术。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，无线传感器网络也列入其中。 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。图一是无线传感器应用示意。 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，所以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。 目前正在开发中的各种无线传感器技术，从这个图我们可以看到，不同的无线传感器网络，最终都是希望实现和互联网的通讯，这可能是这些传感器网络最终交汇的通道。 二、如何选择合适的无线传感器技术 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。 实现一个典型的无线传感器网络节点和路由器，可以采用多芯片方案，，由一个无线收发芯片和一个微控制器(单片机)组成，微处理器可以采用低功耗的MSP430，无线芯片可以采用CC2520/CC2420等。 随着技术不断发展，已经有越来越多的公司，将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统(SoC)，例如TI公司采用8051内核的CC2430/CC2431等ZigBee无线单片机，随着无线传感器网络对计算能力提高要求，最近Freescale公司也推出了ARM内核的32位ZigBee无线单片机。使用这些SoC无线单片机设计无线传感器网络，将使无线传感器节点具有更小的体积，更低的功耗和更低的价格；TI公司在国内的技术合作伙伴无线龙科技公司等，也同时提供这些芯片，开发工具的相关技术支持。 无线传感器网络构架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，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，确保信息可靠高效地通过各种网络拓扑(星状/网状等等)从源节点(如果现有，可以通过成百上千路由节点)发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。 ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟。 该组织从ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不断发展，目前提供的两个网络栈是：ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰，而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性。 无线传感器网络构架第三部分应用软件，这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码，
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
无线传感器网络 课程设计报告 （2018-2019学年第一学期） 题目安全的无线传感器网络数据传输系统的设计指导老师 班级
目录1需求分析 2传感器网络概述 2.1传感器网络体系结构 2.2传感器网络协议栈 3数据传输方式 4设计 4.1主要数据结构 4.2 课程设计的条件 5测试 6使用说明 6.1应用程序功能的详细说明 6.2应用程序运行环境要求 6.3输入数据类型、格式和内容限制 6.4各模块程序段说明 7总结提高 7.1课程设计总结 7.2课程设计评价
1 需求分析 1.1 功能与技术需求 随着信息时代的逐渐来临,物联网的建设也越来越完善,为信息的存储和传输提供了完善的路径,而无线传感网是物联网的重要组成部分,它的建设成为物联网建设的关键。无线传感器网络是由大量微型传感器节点以自组织和多跳的方式构成的网络。它具有资源非常受限、无线通信链路质量不稳定和网络拓扑动态变化等诸多显著特点,与现有的互联网和其它无线网络存在较大差别,向可靠数据传输提出新的挑战和要求。在数据传输可靠性保障方面，采用了加密算法保证在传输过程中的安全性。 2 传感器网络概述 2.1传感器网络体系结构 典型的传感器网络结构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。随即部署在监测区域内的大量传感器节点通过自组织方式构成网络。传感器节点的监测数据沿着其他节点逐跳传输，监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后被路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达管理节点和用户。管理节点对传感器网络进行配置和管理。传感器网络体系结构如图所示
2.2传感器网络协议栈 与互联网协议栈(TCP/IP)的五层相对应，传感器网络协议栈包括:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外协议栈还包括时间同步、节点定位、网络管理、QoS保障、移动管理、任务管理、能量管理和安全机制等。物理层提供信号调制、无线收发和相应的密码服务:数据链路层负责信道接入、拓扑生成、差错控制、介质访何控制、数据成帧以及数据帧监测等;网络层主要负责路由生成，路由选择和拓扑管理等;传输层负责数据流的传输控制，网络的协同工作等:时间同步、节点定位、网络管理、QoS 保障、移动管理、任务管理、能量管理和安全机制等通常跨越多个网络协议栈层次
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
无线传感器网络课程设计 ------远程数据采集系统设计 学生姓名： 指导教师：峰斌 专业：电子信息工程 班级：D0745 学号： 设计时间：2011年1月3日至 2011年1月20日 实验地点：新实验楼524
随着无线网络技术的飞速发展和同益普及，低速、低功耗、低成本的ZigBee 无线网络技术，己成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ZigBee技术进行广泛深入的分析和研究，使用ZigBee协议设计应用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下： (1)介绍了ZigBee相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、ZigBee网络的基本框架、功能、特点等内容。 (2)对ZigBee网络层、应用层及ZigBee应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了ZigBee协议栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口，展示了整个系统的应用程序编写过程。 (3)分析了ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍JN5121处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。 (4)讨论了ZigBee网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了https://www.doczj.com/doc/014923073.html,嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。 (5)组建基于ZigBee技术的无线数据采集系统，以JN5121单片机和数字式温湿度传感器SHT10设计出了传感器网络节点，S3C2440控制器作为ZigBee网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送到ZigBee网关。ZigBee网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。 该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能，良好的可移植性和扩展性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。 关键词：ZigBee技术，IEEE802.15.4，无线网络，https://www.doczj.com/doc/014923073.html,
文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009