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
图、表清单
图1.1 无线传感器网络结构图 (2)
图2.1 系统体系结构 (6)
图2.2 传感器节点体系结构 (8)
图2.3 汇聚节点设计框图 (8)
图3.1 CC2430核心板电路图 (13)
图3.2 SHT10硬件原理图 (14)
图3.3 能量供应模块原理图 (14)
图3.4 SHT10启动传输时序 (15)
图3.5 SHT10湿度测量时序图 (16)
图3.6 SHT10通讯复位时序图 (16)
图3.7 SHT10温湿度采集流程图 (18)
图3.8 TinyOS体系结构 (21)
图3.9 TinyOS组件图 (21)
图3.10 传感器节点工作流程图 (23)
图3.11 节点数据发送流程图 (24)
图3.12 节点数据接收中断服务程序流程图 (25)
图4.1 交叉编译调试示意图 (26)
图4.2 U-Boot启动代码流程图 (27)
图5.1 内核启动流程图 (36)
图5.2 head.S执行流程图 (37)
图5.3 Linux内核配置示意图 (42)
图5.4 内核配置原理 (42)
图6.1 Linux网络驱动程序的层次 (48)
图6.2 将模块连接到Linux内核示意图 (49)
图6.3 LAN91C111内部结构 (49)
图6.4 LAN91C111接口电路原理框图 (52)
图6.5 以太网发送数据包流程图 (57)
图6.6 以太网接收数据包流程图 (59)
图7.1 节点实物图 (61)
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图7.2 传感器节点测试连接图 (62)
图7.3 通过串口输出的节点B接收到的数据 (62)
图7.4 温湿度表HC520测得的数据 (63)
图7.5 汇聚节点电路板实物图 (63)
图7.6 超级终端新建串口连接 (64)
图7.7 超级终端选择端口 (64)
图7.8 超级终端设置通信端口属性 (64)
图7.9 通过超级终端输出的系统启动画面 (65)
图7.10 地理信息系统 (65)
图7.11 节点数据显示 (66)
图7.12 节点数据曲线图 (66)
图7.13 节点数据图表 (66)
表2.1 典型无线传感器网络节点配置 (7)
表3.1 SHT10引脚说明 (13)
表3.2 SHT10命令编码表 (15)
表3.3 温度转换系数d1取值列表 (17)
表3.4 温度转换系数d2取值列表 (17)
表3.5 湿度转换系数t1取值列表 (17)
表3.6 湿度转换系数t2取值列表 (17)
表4.1 汇聚节点板级寄存器 (29)
表4.2 汇聚节点地址空间分配 (29)
表4.3 U-Boot头文件主要配置参数 (31)
表4.4 GPIO配置相关寄存器 (32)
表4.5 nCS0配置清单 (33)
表4.6 MDCNFG配置选项 (33)
表6.1 LAN91C111 MAC寄存器I/O空间映射表 (50)
表6.2 LAN91C111 PHY MII寄存器列表 (51)
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注释表
WSN 无线传感器网络d1,d2温度转换系数
SO T实际测得的温度数据C1,C2,C3湿度转换线性补偿系数SO RH相对湿度测量值RH linear线性补偿后的湿度值RH true线性、温度补偿后的湿度值t1,t2温度补偿系数
承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
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第一章绪论
20世纪90年代以来，随着无线通信技术、嵌入式计算技术、现代网络、MEMS微电子机械系统和传感器技术的飞速发展，具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器及由其构成的无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）已经引起了人们的极大关注[1]。无线传感器网络能够克服单一传感器在用户信息需求方面的不足，能够智能地获取用户所需信息，并且可以部署和工作在人员难以到达的区域，是一种网络化、智能化的全新的信息获取和处理技术。美国《商业周刊》认为WSN是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一[2]。
1.1研究背景和意义
无线传感器网络是由随机分布的集成有微型电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件（包括嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等）的一簇同类或异类的传感器节点与网关节点构成的网络[3]。无线传感器网络能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送到需要这些信息的用户[4]。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，极大的扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。传感器网络将逐渐引领人类步入“网络即传感器”的传感时代[5]。
微型传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景[6]。无线传感器网络的应用领域包括：军事侦查、环境监测、医疗和建筑监测等。随着传感器技术、无线通信技术和计算机技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布生活的各个层面，特别是在环境监测等领域。
当前的环境监测系统多采用有线监测方式。这类系统存在两方面缺陷：一方面有线监测系统对于线路的依赖性较强，系统布置会受到布线的影响。另一方面有线方式结点分布固定，分布密度不高，当某些结点发生故障时，会使局部区域失去监测功能。本文采用无线传感器网络来采集环境的温度和湿度信息，并把这些信息及时传递到监控中心。与传统的监控手段相比，使用无线传感器网络进行监控有三个显著的优势[7] [8]：
(1)传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以监测到局部环境的详细信息并汇
总到数据中心，因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点。
(2)传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对所监控的
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环境的人为影响很小。
(3)无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行
较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。
本课题以辅助森林中的火灾监控为目标，突破传统的环境监测方法和思路，利用无线传感器网络在环境监测中的优势，为环境监测提供可靠的监测数据。本文设计的环境监测系统具有成本低、易扩展和可靠性高等特点，不但可以应用于户外环境等需要大范围监控的领域，也可应用于个人家居等其他小型监控领域，具有广泛的应用前景。
1.2无线传感器网络概述
1.2.1无线传感器网络的系统结构
无线传感器网络的系统结构如图1.1[8]所示，一般包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点（management node）。大量传感器节点随机部署在被监测区域内或非常靠近被监测区域的地方，通过自组织方式构成网络，传感器节点将监测的数据经过多跳后路由传输到汇聚节点，汇聚节点通过公共通信网络（如互联网、卫星等）将数据发送到管理节点。监测者通过管理节点对传感器网络进行管理和配置、发布检测任务、收集监测数据。
图1.1 无线传感器网络结构图
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统[9]，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力和通信能力较弱，通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据，通过携带能量有限的电池供电。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证采集到的数据信息能够通过多跳送到汇聚节点，节点的分布要相当密集。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其他节点协作完成一些特定任务。
汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信
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接口的特殊网关设备[10]。汇聚节点连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种网络之间的通信协议转换，同时发送管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
1.2.2无线传感器网络的特点
无线传感器网络是一种“智能”网络，与目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等有相似之处，但同时也存在很大的差别[11][12]。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效的带宽利用，其次才考虑节约能源，而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用。无线传感器网络具有以下主要特点[8][13]：
(1)传感器节点数目大，密度高
为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。
(2)传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限
随着传感器的微型化，在设计中大部分节点的能量靠电池供电，其能量有限，而由于条件限制，难以在使用中给节点更换电池，所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网络的工作寿命；另一方面，传感器节点的计算能力和存储能力都较低，使得其不能进行复杂的计算和数据存储。
(3)无线传感器网络具有自组织能力
在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理。
(4)传感器节点具有数据融合能力
在无线传感器网络中，由于传感器节点的数目大，很多节点会采集到具有相同类型的数据，因而通常要求其中的一些节点具有数据融合能力，能对来自多个传感器节点采集的数据进行融合，再送给信息处理中心。数据融合可以减少冗余数据，从而可以减少在传送数据过程中的能量消耗，延长网络的寿命。
(5)动态的的网络
传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
1.3国内外研究现状
传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期[14]，从21世纪开始，传感器网络引起了学
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术界、军事界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究，从而使无线传感器网络研究发展取得了很大的进步。
无线传感器网络方面的研究大致可划分为两个阶段[15]：第一个阶段主要偏重于利用MEMS技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目是智能微尘（Smart Dust）；第二个阶段主要是对网络技术和通信协议的关注和研究以及相应仿真平台和实现平台的研究。
从国外的研究状况看，美国在无线传感器方面进行了较深入的研究[13]。早在上世纪90年代，美国就着手对具有现代意义的无线传感器网络展开研究，美国军方的远景研究计划局陆续支持了WINS、μAMPS、Smart Dust、WEBS、SCADDS等一系列重要的无线传感器网络项目，随着无线传感器网络研究的不断进展，一些大公司（如Rockwell、Intel、HP、TI等）也开始通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作。在美国自然科学基金委员会（Natural Science Foundation, NSF）的推动下，加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学等大学研究了无线传感器网络的基础理论和关键技术[16]。加州大学伯克利分校提出了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及重构传感器节点位置的方法等，并研制了一个基于无线传感器网络的操作系统TinyOS[8][10]。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络模拟系统用于研究无线传感器网络中出现的问题。麻省理工学院已经开始研究用于超低功耗无线传感器网络的方法和技术。针对无线传感器网络通信协议的特殊性，康奈尔大学等高校展开了相关研究，先后提出了基于谈判类协议、定向发布类协议、能量敏感类协议、多路径协议、传播路由协议等新的路由协议。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少这方面的研究工作[17]。
国内方面，关于无线传感器网络的研究才刚刚开始，主要是由一些高等院校和研究机构牵头，目前浙江大学成立了一个无线传感器网络试验小组专门从事无线传感器网络硬件实现方面的研究；电子科技大学、东南大学、西北工业大学最近也在从事无线传感器网络路由协议等方面的研究；另外还有一些研究所诸如中科院计算机所、中科院自动化研究所等也开始从事无线传感器网络技术的研究，北京邮电大学也参与了无线传感器网络的研究。从国内公开发表的学术文章看，主要是从事一些计算机网络及传感器技术研究，从无线传感器网络体系结构等知识点角度对无线传感器网络技术进行分析和综述。尽管国内已经开始这方面的研究，但目前基本上还处于起步阶段[18]。
环境监测是无线传感器网络的一个重要应用领域，国内外的研究者对此展开了大量研究与实践。2002年Intel实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测项目是无线传感器网络应用的一个著名实例。大鸭岛是一个对外来监测设备非常敏感的生态环境，该实验在大鸭岛上部署了传感器网络，并进行了9个月左右的监控，得到了大量第一手资料。实验表明传感器网络
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在这样的生态环境中有非常明显的优势，传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态监测提供了一个全新的手段。2007年11月，在中国第24次南极科学考察活动中，由中国科学院主办的名为“基于无线传感器网络技术的冰雪环境连续测量系统”的科学研究计划正在实施，目的是布设一个能在北京遥控监测冰雪变化的无线传感器网络，将南极冰雪表面数据与天空中的遥感卫星监测数据相结合，对南极冰穹A地区开展“天地一体”的监测研究。
1.4本文的内容安排
本文共分为七章，章节安排如下：
第一章绪论，介绍了课题的研究背景、意义和相关技术的研究现状，从无线传感器网络的结构、特点两个方面介绍了无线传感器网络的概况，说明了课题的研究内容和具体安排。
第二章系统总体方案设计，首先阐述了该系统的设计目标，然后给出了系统的结构体系，确定了传感器节点和汇聚节点模块的设计方案，最后对操作系统从成本、可移植性等几个方面进行了选择。
第三章传感器节点设计，首先论述了节点的设计原则，然后给出了节点的三个模块：CC2430模块、传感器模块和能量供应模块的硬件设计，最后分析了节点软件的实现。
第四章汇聚节点引导加载程序的构建，从U-Boot的启动分析，目标支持文件的建立到相关代码的修改，将U-Boot移植到了目标板上，并分析了使用U-Boot引导内核的方法。
第五章汇聚节点嵌入式Linux的移植，首先将内核裁减、移植到了目标板上，然后实现了JFFS2格式的根文件系统，搭建起了汇聚节点系统软件平台。
第六章网络设备驱动程序的实现，分析了网络驱动程序的实现过程。
第七章系统测试，分别对传感器节点、汇聚节点和整个系统进行了测试。
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第二章系统总体方案设计
本系统的目标是设计一个基于无线传感器网络的环境监测系统，用于森林火灾的辅助监控。传感器节点部署在检测区域内，能正确的采集监测范围内的温度和湿度信息。要求测温范围-40℃~+100℃,分辨率为0.1℃，精度0.5℃；测湿范围0～100％RH，分辩率1％RH，精度5％RH。并且各个节点能在检测区域内以自主网的方式构成网络，将采集到的数据信息经过简单的处理，以多跳的方式传输到数据中心，用户能够通过Internet查询需要的数据，并可以给传感器网络发送命令，重新部署传感器网络参数。
2.1系统结构体系
系统的总体设计框图如图2.1所示。监测系统由传感器节点、汇聚节点、数据服务中心和用户四部分组成。传感器节点部署在监测区域内，以自组织的方式构成网络。节点监测数据沿着传感器节点逐跳的进行传输，经多跳后路由到汇聚节点，汇聚节点负责处理所有节点的信息，并能通过网络将数据传送到服务器进行集中处理。
图2.1 系统体系结构
传感器节点部署在监测区域内，搜集周围环境的温度和湿度信息。由于节点就处于监测环境中，大量部署功能稍弱但非常廉价的节点，即使每个节点传感器的功能稍弱，得到的监测数据也能够满足一定的精度要求，这使得系统的成本十分低。另一方面，即使有几个节点损坏，系统能够通过改变拓扑，重新组网，大大提高了系统的鲁棒性。传感器节点还具有一定的数据
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处理能力和通信能力，因此可以在传感器网络中对采集的数据进行初步的数据融合处理，从而减少通信量，节省能耗。与传统的单一传感器设备相比，传感器网络可以根据研究人员的兴趣变换监测目标和监测内容。用户可以通过Internet向汇聚节点发送命令，汇聚节点可以将这些命令发布到传感器网络中，改变网络中节点的行为，因此具有很大的灵活性。
传感器网络通过汇聚节点与Internet相连。汇聚节点负责搜集所有的采集数据，发送到Internet，并将传感器采集数据保存到数据库中。数据库提供远程数据服务，用户可以接入Internet 查看数据信息。
2.2技术方案的确定
2.2.1传感器节点设计方案
根据应用背景的不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台，一些典型无线传感器网络节点的配置如表2.1[19]所示。
表2.1 典型无线传感器网络节点配置
节点名称处理器无线芯片电池类型
WeC AT90S8535(Atmel) TR1000(RF) 锂电池
AA电池
Renee Atmega163(Atmel) TR1000(RF)
AA电池
Mica Atmega128L(Atmel) TR1000(RF)
Mica2 Atmega128L(Atmel) CC1000(RF) AA电池
Micaz Atmega128L(Atmel) CC2420(ZigBee)AA电池
CC2420(ZigBee)AA电池
Toles MSP430F194(TI)
Plantform1 PLC16LF877(Microchip)Bluetooth&RF AA电池
Plantform2 TMS320C55xx(TI) UWB 锂电池
Tmote Sky MSP4301611(TI) CC2420(ZigBee)AA电池
CC2430 8051核+CC2420(ZigBee) AA电池这些平台的组成部分是类似的，只是其应用背景不同，对节点性能的要求也不同，因此所采用的硬件组件有很大差异。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同传感器。常用的通信协议有802.11b、Bluetooth、802.15.4（ZigBee）以及用户自定义协议，处理器从四位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用，还有一类采用的是集成了无线模块的单片机CC2430[20]。相对于其他处理器芯片加无线射频模块的方案，采用CC2430为核心构造无线传感器网络节点，不仅能够满足整个系统的数据采集、无线通信等功能的需求，而且具有功耗低，电路简单，节点体积小及成本低廉等优势。因此，
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在本文中，我们的传感器节点采用了CC2430为硬件的核心。
传感器节点由传感器模块、CC2430模块和能量供应模块三部分组成，CC2430模块内部集成了处理器模块和无线通信模块，节点体系结构框图如图2.2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块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以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，采用电池供电。
图2.2 传感器节点体系结构
2.2.2汇聚节点设计方案
汇聚节点的功能就是负责对节点采集的数据进行分析、汇总和预处理，因此汇聚节点应该是一个功能强大的嵌入式系统，有足够的能量供给、大容量的内存和较强的计算能力。汇聚节点主要由处理器、存储器模块、通信模块和电源模块组成。根据汇聚节点的需求分析可以得出汇聚节点的具体设计方案，如图2.3所示。
PXA270
FLASH
SDRAM 电源模块
串口网络LAN91C111
JTAG 调试接口
射频收发模块（由接口扩展）
图2.3 汇聚节点设计框图
处理器是系统的核心，主要用来处理从传感器采集到的数据以及完成一些控制功能，在无线传感器网络中，数据收发要比数据处理消耗大得多的能量，一般先将数据进行处理，然后再传送，因此对处理器计算能力的要求很高。从汇聚节点功能分析结果考虑，处理器应该具有较高的工作频率；大量的I/O 接口满足扩充性要求；片内集成众多外设控制器，实现外设连接而
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不增加其他外部控制器；要具有很好的电源管理功能，达到最小的功耗控制。综合上述几点，我们选择了Intel公司的PXA270[21]作为中央处理器。
汇聚节点还要配备大容量的FLASH存储器来安装应用程序和保存数据，以及SDRAM存储器来运行程序。汇聚节点同时叠加与传感器节点相同的射频收发模块，用于接收传感器节点发送的数据。为了方便调试和与外界通信，汇聚节点还配置了通信模块。
2.2.3操作系统的选择
为了降低开发难度，同时提高软件的可重用性，需要在硬件平台上引入操作系统。由于传感器网络的特殊性，使得传感器网络对操作系统的需求相对于传统操作系统有较大的差异。操作系统的选择是一个很重要的决定，因为这会影响到工程后期的发布以及软件的维护，在选择过程中主要考虑以下几个因素：可移植性、系统定制能力、成本和可利用资源。
(1)传感器节点操作系统选择
传感器节点有两个突出的特点[22]：一是并发性强，可能存在多个需要同时执行的逻辑控制；二是节点模块化程度高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，而且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够比较方便的进行重新组合。针对这些特点，加州大学伯克利分校开发了适于无线传感器网络的微型操作系统TinyOS，能基本上满足上述要求，实现了数据采集、节点间通信、路由的建立与维护三部分功能。
(2)汇聚节点操作系统选择
由于汇聚节点任务较多，必须选择一种能出色的完成多任务调度的操作系统。目前市场上比较有代表性的嵌入式操作系统有：VxWorks、Windows CE、uC/OS-II和嵌入式Linux。
VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持POSIX 1003.1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。然而由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高，而且支持的硬件数量有限。
Windows CE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是Windows CE推广的一大优势。它能在多种处理器体系结构上运行，它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。从技术角度上讲，Windows CE作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和Windows一样占用过多的系统内存；版权许可费也是不得不考虑的因素。
uC/OS-II是一个典型的实时操作系统。它的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰明了；注释详细；组织有条理；可移植性好；可裁剪；可固化；内核属于抢占式，最多可以管理60个任务。尽管uC/OS-II是一种很优秀的嵌入式教学操作系统，但它的一些局
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限性让它在具体工程应用中能胜任的角色不多。首先，是它的文件系统。相对uC/OS-II出色的任务调度功能来说，它的文件管理能力显得太差，它能支持的文件名不超过12个字符（这12个还包括扩展名）。其次，它定义的一些API或数据结构和标准C库里的有冲突，以至于许多标准C函数无法应用。
嵌入式Linux由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，遵从GPL，无须为每例应用交纳许可证费[23]。有大量的应用软件可用，有大量免费的优秀开发工具，且都遵从GPL，是开放源代码的。优秀的网络功能，这在Internet时代尤其重要。稳定，这是Linux 本身具备的一个很大优点。内核精悍，运行所需资源少，支持的硬件数量庞大，十分适合嵌入式应用。综上所述，我们选择嵌入式Linux作为汇聚节点的操作系统。
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第三章传感器节点设计
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，是构成无线传感器网络的基础支持平台[24]。大量的传感器节点被随机部署在感知区域内部或者附近，通过自组织方式构成网络。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合等处理，并转发路由到汇聚节点。传感器节点在整个网络体系中处于重要地位。
3.1传感器节点的设计原则
为使得设计的无线传感器节点能够组成工作寿命长、稳定可靠、性能优越的无线传感器网络，节点设计必须考虑以下几个方面[19][25]：
(1) 微型化。微型化是传感器网络追求的终极目标。只有节点本身体积足够小，才能保证不影响目标系统环境或者造成的影响可以忽略不计，另外在某些特殊的场合甚至要求目标系统能够小到不容易被人察觉的程度。
(2) 低功耗。由于无线传感器网络应用环境的特殊性，电源更换困难，对节点功耗要求非常严格。正常工作时，无线收发器的功耗是节点功耗的主要部分，所以必须尽可能采用先进的算法和协议缩短无线收发器工作状态的持续时间。
(3) 高稳定性。为了满足应用中工作寿命的要求，每个节点都必须具有较高的稳定性。模块化系统设计的方法可以减少电路互相干扰，提高节点的稳定性。因为要与其他无线系统共存，无线传感器网络节点还必须能适应来自外部的干扰。提高节点抗干扰性能的方法就是采用多通道的无线收发器。这种无线收发器可以使系统工作在多个频段，以避免多种无线系统因共用某一段频率而相互干扰的情况发生。
(4) 低成本。成本的高低是衡量传感器网络节点好坏的重要指标，只有成本低才能大量的部署在目标区域中，表现出无线传感器网络的各种优点。
(5) 可扩展性和灵活性。可扩展性也是传感器节点设计中必须考虑的问题，需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，而不需要开发新的节点，即传感器节点应当在具备通用处理器和通信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口，以适应不同的组件。
3.2传感器节点的硬件设计
传感器节点由传感器模块、CC2430模块和能量供应模块三部分组成，CC2430模块内部集
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成了处理器模块和无线通信模块。处理器模块是传感器节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务。无线收发模块用于传感器节点之间、节点与汇聚节点之间的数据通信，是节点非常重要的组成部分之一，是传感器节点中最主要的耗能模块。传感器模块是节点硬件平台中完成外部信号采集的功能模块，本课题选用瑞士SENSIRION公司SHT系列的温湿度传感器，它支持低功耗模式，采集完数据后自动转入休眠模式。能量供应模块为整个节点提供运行所需要的能量。
3.2.1 CC2430模块
(1)CC2430简介
CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括一个高性能的2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430芯片沿用了以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它使用一个8位的MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模数转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、漏电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装，共48个引脚，分为I/O引脚、电源线引脚和控制线引脚。
CC2430有21个可编程的I/O端口引脚，P0、P1口是完全的8位端口，P2端口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR特殊功能寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O 端口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O端口使用。
I/O端口有以下关键特性：
?可设置为通常的I/O端口，也可设置为外围I/O端口使用。
?在输入时有上拉和下拉能力。
?全部21个I/O端口引脚都具有响应外部中断的能力。如果需要外部设备，可对I/O引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
(2)CC2430模块电路设计
CC2430芯片只需要外接少量晶振、电容、电阻等无源器件，大大简化了电路的设计。CC2430 模块的电路如图3.1所示，CC2430通过插座连接到能量供应模块，也是通过插座与传感器模块连接。
南京航空航天大学硕士学位论文
图3.1 CC2430核心板电路图
3.2.2传感器模块
温湿度检测离不开温湿度传感器，良好的传感器是系统性能保证的基础。SHT系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温度和湿度复合传感器，SHT系列传感器应用了工业CMOS工艺和微机械加工专利（CMOSens技术），保证了高可靠性和长时间工作的稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。在实际的应用中，我们选择了SHT系列的SHT10，其引脚说明如表3.1所示。
表3.1 SHT10引脚说明
引脚名称注释
1 GND地
2 DATA串行数据，双向
3 SCK串行时钟，输入
4 VDD供电 2.4～5.5V
5~8 NC 剩余引脚不用连接
SHT10系列为贴片型温湿度传感器芯片，湿度测量范围：0～100%RH；温度测量范围：-40～
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
唐山师范学院本科毕业论文 题目无线环境监测系统的设计 学生 22222 指导教师姜丽飞讲师 年级 2008级 专业电子信息科学与技术 系别物理系 唐山师范学院物理系 2012年5月
郑重声明 本人的毕业论文（设计）是在指导教师姜丽飞的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。 毕业论文（设计）作者（签名）： 年月日
目录 标题 (1) 中文摘要 (1) 1 引言 (1) 2 系统硬件设计 (1) 2.1 设计目标 (1) 2.2 方案选择 (1) 2.3 系统结构 (2) 2.4 电路设计 (3) 3 系统软件设计 (6) 3.1 通信协议 (6) 3.2 系统软件 (7) 4 系统性能测试方法及测试结果 (7) 4.1 温度测量 (7) 4.2 光照测试...................................... (7) 4.3 主机与各从机通信距离及响应时间测试 (8) 5 结束语........................................... . (8) 参考文献................................. . (9) 致谢....................................... ...... .. (10) 附录.................................................................................................... (11) 外文页........................................... .. (12)
无线传感器网络的安全性研究 0 引言 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是一种自组织网络，由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的节点协同组织构成。WSN在军事、环境、工控和交通等方面有着广阔的应用前景。由于大多数用户对WSN的安全性有较高要求，而WSN有着与传统的Ad hoc网络不同的特点，大多数传统的安全机制和安全协议难以直接应用于WSN，因此有必要设计适合WSN的安全性方案。 无线传感器网络与传统的ad hoc网络相比有如下独有的特点[1]： （1）传感器节点数量巨大，网络规模庞大； （2）节点密集分布在目标区域； （3）节点的能量、存储空间及计算能力受限，容易失效； （4）动态的网络拓扑结构； （5）通常节点不具有统一的身份（ID）。 1 WSN的安全性问题 WSN中，最小的资源消耗和最大的安全性能之间的矛盾，是传感器网络安全性的首要问题。通常两者之间的平衡需要考虑到有限的能量、有限的存储空间、有限的计算能力、有限的通信带宽和通信距离这五个方面的问题。 WSN在空间上的开放性，使得攻击者可以很容易地窃听、拦截、篡改、重播数据包。网络中的节点能量有限，使得WSN易受到资源消耗型攻击。而且由于节点部署区域的特殊性，攻击者可能捕获节点并对节点本身进行破坏或破解。 另外，WSN是以数据通信为中心的，将相邻节点采集到的相同或相近的数据发送至基站前要进行数据融合，中间节点要能访问数据包的内容，因此不适合使用传统端到端的安全机制。通常采用链路层的安全机制来满足WSN的要求。 2 常见的攻击和解决方案 在WSN协议栈的不同层次上，会受到不同的攻击，需要不同的防御措施和安全机制。 2．1 物理层 物理层完成频率选择、载波生成、信号检测和数据加密的功能。所受到的攻击通常有： 1）拥塞攻击：攻击节点在WSN的工作频段上不断的发送无用信号，可以使在攻击节点通信半径内的节点不能正常工作。如这种攻击节点达到一定的密度，整个网络将面临瘫痪。 拥塞攻击对单频点无线通信网络影响很大，采用扩频和跳频的方法可很好地解决它。 2）物理破坏：WSN节点分布在一个很大的区域内，很难保证每个节点都是物理安全的。攻击者可能俘获一些节点，对它进行物理上的分析和修改，并利用它干扰网络的正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制，破坏网络的安全性。 对抗物理破坏可在节点设计时采用抗窜改硬件，同时增加物理损害感知机制。另外，可对敏感信息采用轻量级的对称加密算法进行加密存储。 2．2 MAC层 MAC层为相邻节点提供可靠的通信通道。MAC协议分3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。其中随机访问模式比较适合无线传感网络的节能要求。 随机访问模式中，节点通过载波监听的方式来确定自身是否能访问信道，因此易遭到拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service，DOS)[2]。一旦信道发生冲突，节点使用二进指数倒退算法确定重发数据的时机。攻击者只需产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送，这时接收者回送数据冲突的应答ACK，发送节点则倒退并重新选择发送时机。如此这般反复冲突，节点不断倒退，导致信道阻塞，且很快耗尽节点有限的能量。
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X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 puter 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 prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点
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。
无线环境监测模拟装置无线环境监测模拟装置 全国一等奖全国一等奖 电子科技大学电子科技大学 王康王康王康 胡航宇胡航宇 耿东晛耿东晛 摘要摘要 本作品以MSP430单片机为核心， 利用数字温度传感器以及光敏电阻采集温度和光照信息；通过ASK 调制和调谐式解调（Tone Decoder）进行数据通讯，并采用CSMA 方式解决了多个节点公用同一信道的问题；采用存储转发机制以及对被转发的数据包赋予生命周期的方法，实现了自动转发功能以及对新节点加入和离开的自动识别。探测节点全部采用通用器件，以60mW 左右的平均功耗实现了节点间0.7m 以及转发方式下1.4m 的通讯距离，在达到指标要求的前提下降低了功耗和成本。 关键词：ASK 调制，Tone Decoder， CSMA，存储转发； 一、 方案论证与比较 1.1调制方案选择调制方案选择：： 方案1：采用FSK 调制，优点是具有较强的抗干扰能力。缺点是解调部分的硬 件较为复杂。 方案2：采用ASK 调制，优点是调制和解调的电路都相对简单，缺点是抗干扰 能力较差。通过在干扰较小的频段选择合适的载频，并通过窄带滤波能够消除大部分干扰，所以本作品选择了ASK 调制方式。 1.2解调方案选择解调方案选择：： 方案1：对ASK 信号放大与窄带滤波后，进行包络检波，再通过门限判决的方 法解调。该方案的成本低，缺点是抗干扰能力很差，窄带滤波器容易偏频，难以调试。 方案2：对ASK 信号放大后，采用调谐式解调器（Tone-Decoder）进行解调， 解调器本身是个窄带锁相环，能够省去窄带滤波器，且本身抗干扰能力较强；本作品中采用该方案。 1.3多点通讯方案选择多点通讯方案选择：： 多个节点间共用了同一个通信信道，因此在主机以及多节点之间涉及到信道复用问题。我们对比了以下方案： 方案1：采用时间分隔机制的信道复用，如主-从式的轮询点名或令牌环网络。 考虑到数据转发功能的实现必然要有多台主机，主-从式网络只允许一台主机显然不合适，而令牌环网络在节点随机离开后也会出现令牌无法传递的问题。并且，当节点编号未知时，依次搜索255个节点耗时很长。 方案2：基于碰撞侦测机制的信道复用，如A LOH A 、CSMA 等方式。优点是网络 中每个节点都可以作为主机，随时可以主动发送数据到任何其他节点。缺点是数据包可能因随机碰撞而丢失，且通讯延迟不可预计。但题目中要求5秒较为宽裕，而被传输的信息都是缓变量，允许进行多次重发。其中CSMA 方式在发送前进行载波侦听，不会出现A LOH A 在信道拥挤时将信道完全阻塞的现象，所以选择了CSMA 方式进行信道复用。 系统整体框图如图1，每个节点都采用低功耗的MSP430单片机对环境参数
智能家居环境监测系统设计与实现 智能家居是指在智能化、自动化、信息化的基础上利用传感器网络等进行数据传输，实现家居电器的智能控制，随着4G网络的快速发展，智能家居的及时出现为人们享受生活提供了一个更好的选择。 一、智能家居环境监测系统总体设计 基于ZigBee无线通信技术构建的室内环境监测系统主要实现室内温度、氧气、一氧化碳、二氧化硫、湿度、甲烷和二氧化碳含量等家居环境的检测，其次是监测生活用水、用电和用气的安全性和用量，三是监测室内各种生活家电的状态等。系统设计中，基于ZigBee的传感器节点将室内环境信息发送到无线传感器网络的汇聚节点，通过ARM微处理器实现嵌入式编程，然手通过ARM微处理器和ZigBee汇聚节点实现有效的网络串行通信。通过该系统，采集室内环境信息、输入操作命令、输出操作结果、集中控制室内环境、远程控制家用电器、联动控制室内安防系统等功能。 二、智能家居环境监测系统详细设计 2.1室内环境信息采集功能 通过部署在室内的传感器节点，实现无线传感器网络的室内环境信息采集，以便能够将室内温度、湿度、氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、甲烷及生活用水和生活电气等相关信息传递到系统中。信息采集和感知是室内环境系统最基本的功能，需要将传感器节点进行良好的部署和优化，以便在最小能量耗费下实现节点的全方位覆盖。 2.2 室内环境信息传输功能 传感器节点采集相关的网络信息后，通过4G网络传输到ZigBee汇聚节点，汇聚节点将多个传感器节点信息传输到室内监测系统的服务器，以便服务器进行处理。信息传输过程中，为了实现高效数据传输和分发，需要将数据进行压缩和存储，实现传感器网络的聚簇作用，同时为了降低传感器网络的通信开销、平衡节点间负载，需要对传感器网络节点和传输节点进行设计。 2.3 室内环境信息处理功能 数据传输到服务器后，环境监测装置负责处理采集到的数据信息，发现相关的信息超过用户设置的预警值，则传感器检测装置通过4G通信网络以短信或数据通信的方式通知用户，同时将收集的信息存储到服务器数据库中。逻辑业务处理将数据统计分析和预测结果发送到相关界面，以便用户查看和分析。 三、Zigbee无线传感网络系统硬件设计
一、填空 1.无线传感器网络系统通常包含汇聚节点、传感器节点、管理节点。 2.传感器节点一般由通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块 组成。 3.无线传感器节点的基本功能是：采集数据、数据处理、控制和通 信。 4.传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 5.无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制 技术和扩频技术。 6.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为四种：直接序列扩频、 跳频、跳时和宽带线性调频扩频。 7.目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电波、光纤、 红外线等。 8.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz、915MHz、和5GHz。 9.传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合。 10.根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为一下三类： 决策级融合、特征级融合、数据级融合。 11.根据融合前后数据的信息含量分类（无损失融合和有损失融合） 12.根据数据融合与应用层数据语义的关系分类（依赖于应用的数据 融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合）13.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散、梯度建立、路 径加强。
14.无线传感器网络的关键技术主要包括：时间同步机制、数据融合、 路由选择、定位技术、安全机制等。 15.无线传感器网络通信安全需求主要包括结点的安全保证、被动抵 御的入侵能力、主动反击入侵的能力。 16.标准用于无线局域网，标准用于低速无线个域网。 17.规定三种帧间间隔：SIFS、PIFS、DIFS。 18.标准为低速个域网制定了物理层和MAC子层协议。 19.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支 持三种拓扑结构：网状网络、树形网络、星型网络。 20.传感器网络中常用的测距方法有：接收信号强度指示、到达时间 差、到达角。 21.ZigBee网络分4层分别为：物理层、网络层、应用层、数据链路 层。 22.与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以 下特点：能量优先、基于局部拓扑、以数据为中心、应用相关。 23.数据融合的内容主要包括：目标探测、数据关联、跟踪与识别、 情况评估与预测。 24.无线传感器网络信息安全需求主要包括数据的机密性、数据鉴别、 数据的完整性、数据的实效性。 25.传感器结点的限制条件是电源能量有限、通信能力有限、计算和 存储能力有限。
智能环境监测系统的设计 Design on the intelligent system of monitoring environment
摘要 系统主要由数据采集端和移动监控终端两部分组成。采用16位单片机SPCE061A为处理核心，在数据采集端，利用两片CD4067BE分别挂接16只DHT11温湿度传感器和16只光照强度传感器；采用10位ADC实现对环境声音的实时录制，加入OV7670摄像头进行实时拍照监控，最后把所采集到的数据帧通过NRF905无线传输模块传送到移动监控终端。在移动监控终端，通过NRF905接收数据，将处理后的环境参数数据进行显示，接收到的语音压缩编码通过10位DAC进行解码播放，通过按键切换进入全屏环境参数显示模式或全屏监控照片显示模式，并将接受到的环境参数、声音、照片存储到SD卡中。本文以SPCE061A超低功耗单片机为核心，设计了通用智能终端和智能温湿度传感器，重点介绍了该终端和传感器的任务、硬件、软件以及控制算法的设计与实现。硬件方面，介绍了系统各个部分的设计思想、原理电路以及，并给出了系统总硬件原理图；另外，为了实现系统的低成本和低功耗，在满足设计要求的前提下，尽可能选用了价格低廉和低功耗的元器件。软件方面，采用了时间触发的混合调度器模式设计，对系统各个任务进行了设计，并给出了系统软件低功耗设计方法。 关键词：SPCE061A；多节点；无线传输；HMI Abstract The system is designed for two parts of data acquisition terminal and mobile monitoring terminal. Its processing core is SPCE061A which is a 16 bits mcu. In the data acquisition terminal, 16 DHT11 of single bus temperature, humidity sensor and 16 light intensity sensor are hung on two CD4067BE. The environmental sound is recorded to coding and compression with 10 bits ADC which is built in the mcu at any time. Add OV7670 which is a camera module to monitor at anytime. ALL collected data is transmitted to the mobile monitoring terminal through NRF905 of wireless transmission module. In the mobile monitoring terminal, the data is received through NRF905.The environmental parameter data is displayed after dealing with and the compression coding of speech is decoded to play with 10 bits DAC.We can switch to full-screen environment parameter display mode or full-screen picture display mode with the keys. At last, the environmental parameter, sound and photos are stored to the SD card.Based on the SPCE061A ultra low power microcontroller as the core, a general intelligent terminal and intelligent temperature and
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：
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
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络，Ad-hoc等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以采用图3-1所示的流程来进行。 图3-1安全定位方法研究流程图
Figure 3-1 Flowchart of security positioning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2 安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类：其一，节点失效（如节点被破坏、电量耗尽）、环境毁坏（通信干扰）等引起的定位误差；其二，恶意攻击[30]，攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法，系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为：基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段，攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差，达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种：（1）通过移动、隔离信标节点来
环境保护信息系统总体设计方案 环境监测信息系统 总体设计方案 - 1 -
目录 环境监测信息系统总体设计方案 -------------------------------------- 错误!未定义书签。 1 引言------------------------------------------------------------------------------------------------ - 5 - 1.1设计思想 -------------------------------------------------------------------------------------5- 1.2设计背景 -------------------------------------------------------------------------------------5- 1.3参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------6- 2 系统概述 ----------------------------------------------------------------------------------------- - 6 - 2.1系统设计原则 -------------------------------------------------------------------------------6- 2.2系统目标与运行环境 ---------------------------------------------------------------------7- 2.3需求分析 -------------------------------------------------------------------------------------8- 3 系统总体设计---------------------------------------------------------------------------------- - 10 - 3.1 系统物理结构 ------------------------------------------------------------------------------- - 11 - 3.1.1 系统流程图 -------------------------------------------------------------------------------- - 11 - 3.1.2 技术要求 ---------------------------------------------------------------------------- - 13 - 3.1.3 系统体系结构---------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.2子系统功能描述及实现---------------------------------------------------------------- -14- 3.2.1 系统总体结构---------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.2.2 子系统结构 ------------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.3各子系统功能模块的实现 ------------------------------------------------------------ -21- 3.3.1信息输入模块 ---------------------------------------------------------------------- - 21 - 3.3.2 信息修改模块---------------------------------------------------------------------- - 21 - 3.3.3 信息查询功能---------------------------------------------------------------------- - 21 - 3.3.4 信息分析功能---------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.3.5 信息输出功能---------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.3.6 其它功能 ---------------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.4软件结构图 ----------------------------------------------------------------------------------- - 24 - 3.4.1应用软件的设计思想 -------------------------------------------------------------- - 24 - 3.4.2软件系统总体架构 ---------------------------------------------------------------- - 25 - 4 开发过程--------------------------------------------------------------------------------------- - 26 - 4.1系统开发环境----------------------------------------------------------------------------- -26- 4.2总体进度计划 ----------------------------------------------------------------------------- -26- 4.3经费预算 ----------------------------------------------------------------------------------- -27- 5 软件设计标准 -------------------------------------------------------------------------------- - 27 - 5.1 用户界面-------------------------------------------------------------------------------------- - 27 - 5.2 硬件接口-------------------------------------------------------------------------------------- - 28 -