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玄钾雷李硕士研究生学位论文题目温室无线传感器网络学号姓名专导业师学院年月日 !硕玄士研钾究生雷学位论文净题目温室无线传感器网络监测系统研究与实现学号姓名王琳专业信号与信息处理导师别红霞学院信息工程学院年月日 独创性或创新性声明本人声明所呈交的论文是本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,除了文中特别加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,也不包含为获得北京邮电大学或其他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作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,本人承担一切相关责任。本人竿名三对衣日期洲一弓一讨关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅学校可以公布学位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、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。本人签名三琳日期一二迎仁鱼卫上”师签“业粤解一日期,欢闪一一 温室无线传感器网络监测系统研究与实现摘要微机电系统、无线通信和计算机网络等学科的进步孕育了一种新型的测控网络—无线传感器网络。通过大量部署于目标区域的传感器节点采集环境信息、建立自组网络、以多跳方式传输数据,获得感兴趣区域的各种物理信息。从军事侦察、工农业生产、环境检测到空间探索,的潜在应用将远远超出人们的想象。温室农业种类多、分布地域广,测控设施安装、维护工作量大,采用有线通信方式传输信号存在诸多不便,把无线传感器网络技术引入到温室生产中,建立温室无线网络监测系统,实现温室信息自动采集、自组织传输和智能控制,对于实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。论文研究无线传感器网络监测系统所涉及的关键技术,设计和实现了基于无线传感器网络的温室监测系统。主要包括以下内容路由协议的研究与实现。路由协议的研究不仅需要考虑到转发数据需要的总能量,更要从整个网络系统的角度,考虑网络系统能量的均衡使用,延长整个网络的生存时间。论文分析了目前典型的路由协议,采用了上下行通信不对称的路由方式,结合最小能耗和跳数路由与剩余电量和定位辅助路由法,有效提高了传感器网络的能量效率,均衡了网络能量消耗,延长了网络寿命。集中式的路由辅助策略有效解决了传感器节点计算能力弱的瓶颈问题。无线传感器节点系统的开发。论文设计并实现了温室监测系统的无线传感器节点系统,硬件平台分为传感器板和处理器板,节点的处理器和无线通信模块分别由和实现软件平台基于操作系统,利用语言实现了传感器数据采集、液晶显示、无线收发、多跳路由、智能电源管理等功能。定位技术的研究。在综合考虑邻居节点的定位精度与测距误差的基础上,本文采用了一种基于相对误差的分布式多维尺度分析定位算法,该算法通过选择相对误差较小的邻居来参与定位算法的迭代优化,对相对误差越低的节点赋予越大权值,从而提高算法的定位精度。仿真结果显示,该算法具有良好的定位精度和算法收敛性。 客户端数据分析与管理软件系统设计。本软件系统实现了对传感器网络的控制,如数据的采集、传输方式,环境信息的图表显示,查询、统计分析等功能。关键词无线传感器网络节点路由协议定位 RESEARCHONWIRELESSSENSORNETWORKTECHINOLOGYANDIMPLEMENTATIONOFGREENHOUSEMONITORINGSYSTEMABSTRACTWiththeraPiddeveloPmentofinformationteehnologiessuehasmiero一一,,一一,一一,,,,,,,,奸 communication,,,,,,,,,,,一,一,,,,,,,, 目录全……课题背景……无线传感器网络概述……传感器网络体系结构……无线传感器网络的应用……传感器网络的特点……,……的国内外研究现状……,,……无线传感器网络面临的挑战及发展趋势……论文的主要工作第二章传感器网络路由协议研究……路由协议概述……,二,……路由协议面临的挑战……路由协议的分类……,……几种典型的路由协议……,……本系统的路由协议……上行多跳通信……最小能耗和跳数路径,……辅助路由策略……本章小结……第三章传感器节点的硬件和软件设计……硬件设计……硬件结构框架……传感器模块……处理器模块……无线通信模块……电源管理模块……串口通信模块……软件设计……,……操作系统概述……,……软件结构框架……任务控制模块的实现……电源管理模块的实现……本章小结……第四章节点定位算法研究……,……的定位技术概述……定位系统概述……,……,定位性能标准……,……定位技术研究现状……多维尺度分析定位算法……概述……,……名 4.2.2MDS定位算法相关研究……,……,,……,……基于相对误差的分布式定位算法……仿真结果……,……测距模型……仿真与结果分析……本章小结……,……第五章客户端数据分析与管理系统……概述……`……系统结构……,……,查询处理技术……本系统特点……,,……,……,……系统结构与实现……,……系统配置说明……,……本章小结……,……,……,,,…,,,,…,,,二,……,…,二第六章结论与展望……,……,主要成果与结论……不足及下一步研究方向……前景展望……、……参考文献……,……致谢……,……硕士期间发表的学术论文,……,……, 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现第一章绪论课题背景随着微电子技术、信息采集和处理技术、网络和无线通信技术的飞速发展,普适计算逐渐成为由理论变为现实,并作为世纪的计算模式,日益受到人们的关注和重视,国内外研究机构目前都投入大量的人力、物力和财力进行研究工作。“普适计算”是指“无论何时何地,人们可以通过某种设备访问到所需的信息”。无线传感器网络技术作为普适计算思想大系统中的一个典型的应用,成为当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境数据或监测对象的信息。嵌入式系统对信息进行处理,通过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,从而真正实现“无处不在的计算”。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,改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界,从而极大地扩展现有网络地功能和人类认识世界的能力。传感器网络在国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域具有十分广阔的应用前景,已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视,并成为进入年以来公认的新兴前沿热点研究领域,被认为是改变世界的大技术之一。温室生产能够显著增强农业的抗灾、减灾与反季节生产能力,在系统掌握植物生长发育规律及其与环境条件的关系基础上对温室生产进行监控,对蔬菜、花卉等作物的周年均衡供应和大田作物的优质高产具有重要作用。以荷兰为代表的欧美国家温室测控系统开始向网络化、无线化方向发展。我国目前温室生产存在着结构简陋、综合环境调控能力差、管理技术水平落后等缺点,同时由于我国温室农业种类多、分布地域广,测控设施安装、维护工作量大,采用有线通信方式传输信号存在诸多不便,因此把无线传感器网络技术引入到温室生产中来,建立温室无线网络监测系统,实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制,对于大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、减少自然环境恶化对农业生产带来的不良影响,实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现在此背景下,本文探讨了温室无线传感器网络的特点,研究并实现了基于无线传感器网络的温室监测系统,为温室生产的智能监控与自动化管理提供了支持。无线传感器网络概述传感器网络体系结构传感器网络结构传感器网络结构如图一所示,传感器网络系统节点通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布检测任务以及检测数据。任务管理节点图一传感器网络体系结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看,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,还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时与其它节点协作完成一些特定任务。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强,它连接传感器网络 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现与等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布管理节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点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更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。传感器节点硬件结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无限通信模块和能量供应模块四部分组成,如图一所示,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它节点发来的数据无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信,交换控制消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,通常采用微型电池。传感器计算存储无线收发能量供应模块图一传感器节点体系结构传感器网络协议栈结构如图一所示,传感器网络的协议栈根据研究内容的不同分为三个层次,自下而上分别是通信与组网、管理与基础服务、应用系统。通信与组网负责传感器网络中节点间点到点、点到多点的无线通信以及自组网络,并向管理与基础服务层提供服务支持。目前主要研究内容包括无线传感器网络通信协议,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层。物理层负责信号调制和无线收发数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制网络层负责路由生成和路由选择传输层负责数据流的传输控制和保障。理与基础服务使用通信与组网部分提供的服务,并向应用系统提供服务支持。主要研究内容包括系统管理、时间同步和定位等。系统管理负责对各项网络性能指标进行实时监测,对节点功能失效、能量耗尽等不正常情况进行早期预警,从而为计时排出网络故障或追加布设节点提供帮助时间同步是节点合作的基础,提供系统内事件发生的逻辑顺序或物理时间节点定位依靠有限的位置已知节点确定其它节点的位置,是许多目标定位与跟踪应用系统研 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现究的基础。应用系统包括一系列基于监测任务的应用层软件,负责为用户提供通用网络服务和面向各个不同领域的增强网络服务。目前研究的热点是对大量传感器采集信息的分布式处理策略。分布式信息处理础服务基`橇一一丁几、`气犷雨一一厂一长一一减遥污控制路由物理层图一传感器网络协议栈结构图无线传感器网络的应用传感器网络有着巨大的应用前景,已有和潜在的传感器应用领域包括军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善,各种传感器网络将遍布我们的生活环境。下面简要介绍传感器网络的一些应用。军事应用监测人员、装备等情况以及单兵系统通过在人员、装备上附带各种传感器,可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器,可以了解敌方武器部署情况,为己方确定进攻目标和进攻路线提供依据。监测敌军进攻在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器,从而及时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现评估战果在进攻前后,在攻击目标附近部署传感器网络,从而收集目标被破坏程度的数据。核能、生物、化学攻击的侦察借助于传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、化污染,提供快速反应时间从而减少损失。环境应用传感器网络在环境科学的应用中,可以用来跟踪鸟类、小动物和昆虫等,监控影响农作物和家畜的环境状况对大范围的土壤成分和行星表面进行测量化学生物检测森林火灾的预报山洪爆发的检测环境生态图的绘制污染研究等等方面。医疗应用传感器网络在医疗方面可以远程监控人体状况并提供诊断。每一个病人可以随身携带若干体积微小的传感器节点,这些节点可对病人的心跳速率、血压等进行实时检测,如果发现异常医生可尽快抢救。传感器网络还可用于医院里的药品管理,将传感器节点按药品种类分别放置,计算机系统即可帮助辨认所开的药品,从而减少病人用错药的可能性。建筑物及城市管理智能家居通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器,感知居室不同部分的微观状况,从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制。建筑安全通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器,发现异常事件及时报警,自动启动应急措施。智能交通通过布置于道路上的速度、识别传感器,监测交通流量等信息,为出行者提供信息服务,发现违章能及时报警和记录。反恐和公共安全通过特殊用途的传感器,特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息,最大限度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。传感器网络的特点与目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、无线个域网、无线自组网等相比,无线传感器网络具有以下特点硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制,其计算能力、存储能力比较弱,这一点决定了在节点操作系统设计中,协议层次不能太复杂。电源能量有限。节点由能量有限的电池供电,在特殊应用领域中由于部署区域广、环境复杂,不能给电池充电或更换电池。因此节能是传感器网络面临的首要问题。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心,所有结点地位平等,是一个对等式网络。结点可以随时加入或离开网络,任何结点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。多跳路由。网络中节点通信距离有限,节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现,而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的,没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者,也是信息的转发者。动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络,节点可以随处移动一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此网络应该具有动态拓扑组织功能。节点数量众多,分布密集。为了对一个区域执行监测任务,往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集,利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。的国内外研究现状无线传感器网络的研究起始于世纪年代末期,从世纪开始,传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作,早期研究工作主要由美国国防部支持和大学联合的关于无线自组传感器网络的项目水、、群、等展开。最具代表性的是大学和联合成立的被称为智能尘埃实验室。气的实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问能力进行了大量研究,提供了在同一个系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低功耗低成本无线网络等技术的解决方案。无线传感器网络存在着巨大的商业前景,也开始成为商家争相投资的对象,并且涌出了很多专门从事无线传感器网络及相关产业的公司。公司和公司,都是由技术发展而来,前者主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案,后者主要提供了可靠的、可管理的和易于安装的 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现传感器互联方案,该网络方案被组织评为年度发明奖。公司提供了与巧兼容的射频芯片及相应的软件和开发工具服务。其他类似、、、争等,另外、等公司也开始进行了相关的理论研究和产品开发。在学术界,美国自然科学基金委员会在年制定了无线传感器网络的计划,以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制,支持相关的基础理论研究,这也是美国国情咨文中有关最主要的远景规划之一。加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。目前主要研究一下关键技术有网络拓扑生成、路由协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、无线通信技术、嵌入式操作系统、应用层技术等。农业一般需要覆盖的区域很大,因此需要由大量的传感器节点构成监控网络,通过各种传感器采集诸如土壤湿度、氮元素浓度、值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息,以帮助农业生产者及时发现问题,并且准确地确定发生问题的位置,这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式,从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落,每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长,进而获得大丰收他们甚至计划在家畜如狗上使用,以便在其巡逻时搜集必要信息。这些信息将有助于开展有效的灌溉和喷洒农药,进而降低成本和确保农场获的高收益澳大利亚的将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况脉搏、血压等和外界环境进行监测,研制成完善的草地放牧与动物模型巴西监测公顷大面积农田灌溉的基于无线传感器网络的中央远程控制与监测系统养猪场监测母猪行为与个体健康状况的无线传感器网络系统,为防疫控制的动物运输与运动过程无线实时跟踪监测系统传感器网络也可应用在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。国内在无线传感器网络领域的研究也很快跟进,已经在很多研究所和高校中广泛开展。中科院上海微系统与信息技术研究所已经通过系统继承的方式完成了一些终端节点和基站的开发中科院电子研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手,他们专注于传感或控制执行部分浙江大学现代控制工程研究研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”,联合相 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究,另外中科院软件所、自动化所、国防科技大学、清华大学,中国科技大学、哈尔滨工业大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作。在市场上推广应用比较多的是模块,北京公司,深圳金图旭昂公司、成都无线龙公司、中科院计算所宁波分所都有相关产品,对无线传感器网络的研究推广做出一定的贡献。浙江大学研制的蓝牙数据采集系统,并成功的应用于温室环境监测中。但整体而言,从研究的深度和投入的力量来说,国内的水平相对落后,从问题的点上研究较多,缺少对整个系统的创新性研究,具有自主知识产权较少,这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称,因此有很多工作要做。无线传感器网络面临的挑战及发展趋势低能耗无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作,为大量的传感器节点频繁更换电池是不现实的,因此要求每个节点都要最小化自身的能量消耗,获得最长的工作时间。低成本无线传感器网络一般由成千上万的节点构成,单个节点的价格极大地影响系统的成本。因此需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。此外,降低系统成本的另一个因素是减少系统管理与维护的开销。通用性无线行李标牌、集装箱定位系统等无线传感器网络的许多应用需要系统能够在世界范围内正常工作。此外通用的标准使不同厂商互联组网和大批量生产的基础,因此需要采用一种被各国政府允许的通用设计。于加年制定了两个无线传感器网络相关标准,是低速无线个域网标准是关于无线智能变送器的接口标准。网络协议的标准有待于进一步的研究。网络拓扑无线传感器网络系统中,节点规模很大,节点间以一种对等、多跳的方式通信,系统的动态性很强,需要设计一种适合无线传感器网络通信特点、低开销、便于维护的网络拓扑结构。安全性无线传感器网络系统由于资源限制,其通信协议开销低,同时带来严重的安全问题。一方面入侵者可以比较容易地进行服务拒绝 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现另一方面,系统地节点间自组织协调工作地特点使其难以实现严密地安全防护,迫切需要提供符合无线传感器网络特点地简捷有效的安全机制。旬实时性对于一些给予无线传感器网络的监控系统,时间约束非常重要。而无线传感器网络的超大规模、动态变化以及易于受干扰等特点给实时设计提出了很大的挑战。智能性无线传感器网络系统需要感知环境变化,通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于其与物理世界密切相关,其高出错概率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用,需要为其设计新的工作模式。论文的主要工作本文来源于北京市科技计划课题蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用。课题研究的内容之一是温室无线传感器网络监测系统。在温室大棚内部署的无线传感器节点能够采集多种环境数据,建立多跳自组网,把监测数据发送到远程监控终端。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析等。课题要求引入了本文的研究。第一章为绪论部分,介绍课题背景,无线传感器网络技术的概述、发展现状和面临的挑战。第二章阐述了无线传感器网络的路由技术,包括路由协议的特点、典型的路由协议以及本系统采用的路由协议。第三章详细介绍了低功耗无线传感器网络节点的硬件和软件系统的实现,以及其中用到的关键技术。第四章阐述了无线传感器网络的定位技术,分析了基于和多维尺度分析的节点定位算法,并通过仿真进行性能的验证。第五章详细介绍客户端数据管理与分析软件系统的实现。第六章是结论和展望。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现第二章传感器网络路由协议研究路由协议概述无线传感器网络的协议栈从底层到高层依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,是无线传感器网络的重要因素。它主要包括两个方面的功能寻找源节点和目的节点间的优化路径,将数据分组沿着优化路径正确转发。传统的无线网络,像蜂窝网络、移动自组织网络,水以及蓝牙短距离无线网络中的路由算法的首要目标是为了实现高服务质量和高带宽利用率,能耗问题不是考虑的重点。无线传感器网络中节点的能量资源、计算能力、通信带宽、存储容量都非常有限,而且无线传感器网络通常由大量密集的传感器节点构成,这就决定了无线传感器路由算法的设计必须以能源有效性为首要的设计要素。此外,传感器网络具有很强的应用相关性,不同应用中的路由协议可能差别很大,没有一个通用的路由协议。因此,传统的无线网络路由协议不适应用于无线传感器网络,无线传感器网络的路由协议作为一项关键技术已成为目前研究的热点。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。传统路由协议在选择最优路径时,很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限,延长整个网络的生存期成为传感器网络路由协议设计的重要目标,因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。基于局部拓扑信息。由于节点的存储资源和计算资源有限,节点不能存储大量的路由信息,不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下,如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据,而无线传感器网络中大量节点随机部署,所关注的是监测区域的感知数据,而不是具体哪个节点获取的信息,不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流,按照对感知数据的需求,数据通信模式和流向等,以数据为中心形成消息的转发路径。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现应用相关。传感器网络的应用环境千差万别,数据通信模式不通,没有一个路由机制适合所有的应用,这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。针对传感器网络路由机制的上述特点,在根据具体应用设计路由机制时,要满足下面的传感器网络路由机制的要求能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗笑的消息传输路径,而且要从整个网络的角度考虑,选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限,传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。可扩展性。在无线传感器网络中,检测区域范围或节点密度不通,造成网络规模大小不通节点失败、新节点加入以及节点移动等,都会使得网络拓扑结构动态发生变化,这就要求路由机制具有可扩展性,能够适应网络结构的变化。鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败,周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等,这些无线传感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化,节点能量和通信带宽等资源有限,因此要求路由机制能够快速收敛,以适应网络拓扑的动态变化,以减少通信协议开销,提高消息传输的效率。路由协议面临的挑战目前路由协议的研究都是在节省能源的基础上多方位、多角度开展的。路由机制不仅考虑到转发数据需要的总的能量,更能从整个网络系统的角度,考虑网络系统能量的均衡使用,延长整个网络的生存时间'。尽管路由协议的研究取得了很多进展,但还有一些根本性的问题有待于进一步的研究在不维护全局信息的前提下,构建能源有效的全局最优路由策略。由于无线传感器网络受到能量约束、处理能力有限和无线通信带宽窄等限制,传感器节点难以获得整个网络的拓扑信息,无法采用传统的全局中心控制式路由算法精确计算优化路由以达到全局最优。针对这个问题,提出了一类特殊的分布式算法,要求网络中的每个节点只与一跳范围内的邻节点交互,即本地化算法。本地化算法具有简捷、鲁棒、可扩展等优点,但由于只能获取局部信息,因此大部分路由只能达到局部优化,不能实现全局最优的目标。路由算法的支持。无线传感器网络中的支持问题是如何动态 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现地配置网络资源使数据传输速率更高。与无线自组网络不同的是,不仅要考虑在拓扑结构喝信道状态频繁变化的环境中实现,还要考虑在降低能耗和间达到平衡的问题。目前为保障网络的通常采用的方法有沿着特定应用数据流所经过的路径,预留端到端的资源,如为不同的服务设定等级,对不同等级的数据流高作不同的处理,如。这两种方法均没有考虑到能量受限、拓扑结构动态变化、无线多跳通信的特点,因此需要予以改进。路由算法的安全与认证机制。路由协议通过广播多跳方式实现数据交换。没有受到保护的路由信息容易遭受多种形式的攻击。目前很少有路由协议考虑到这个问题。虽然人们对结构与相似的无线自组网络安全问题进行了深入的研究,并设计了多种加密和认证机制,但这些机制大多基于公钥密码。由于公钥密码的通信开销较大,因此不适合在资源受限的中使用。另外,由于本身在安全方面的弱点和应用环境的多样性,使得在设计它的安全机制时面临很多困难。在节点能量分布不均衡的前提下,构造能源有效的路由策略。作为一个数据采集网络,绝大部分信息是由各个传感器流向汇聚点的。因此,流量分布极不均匀,具体表现为源节点与目的节点的数量不对称,源节点众多而目的节点单一传输方向不对称,以汇聚点为目的的数据流远远超过以它为源的控制流。这种流量分布特点造成的结果时节点功耗分布不均匀,越接近汇聚点,链路的流量越高,相应节点的负载越重,寿命就越短。因此,针对网络流量分布不均衡现象,构建节能的路由协议,以延长网络的生存时间还需要进一步的研究。路由协议的分类针对的节点能量受限,网络拓扑动态变化等特点,从年起,国内外研究人员设计了多种面向的路由协议。根据路由协议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式等策略,路由协议具有多种分类方式。由于研究人员组合多种策略来实现路由机制,同一路由协议可属于不同类别。根据传输过程中采用路径的多少,可分为单路径路由协议和多路径路由协议单路径路由节约存储空间,数据通信量少多路径路由容错性强,健壮性好,且可从众多路由中选择一条最优路由。根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异,可分为平面路由协议和层次路由协议。平面路由简单,健壮性好,但建立、维护路由的 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现开销大,数据传输跳数多,适合小规模网络层次路由扩展性好,适合大规模网络,但簇的维护开销大,且簇头是路由的关键节点,其失效将导致路由失败。根据路由建立时机与数据发送的关系,可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。主动路由建立、维护路由的开销大,资源要求高按需路由在传输前需计算路由,时延大混合路由则综合利用这两种方式。根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息,可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议有大量应用需要知道突发事件的地理位置,这是基于位置的路由协议的应用基础,但需要定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。根据是否以数据来标识目的地,可分为基于数据的路由协议和非基于数据的路由协议。有大量应用要求查询或上报具有某种类型的数据,这是基于数据的路由协议的应用基础,但需要分类机制对数据类型进行命名。根据节点是否编址、是否以地址标识目的地,可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。基于地址的路由在传统路由协议中较常见,而在中一般不单独使用而与其他策略结合使用。根据路由选择是否考虑约束,可分为保证的路由协议和不保证的路由协议保证的路由协议是指在路由建立时,考虑时延、丢包率等参数,从众多可行路由中选择一条最适合应用要求的路由。根据数据在传输过程中是否进行聚合处理,可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路由协议。数据聚合能减少通信量,但需要时间同步技术的支持,并使传输时延增加。根据路由是否由源节点指定,可分为源站路由协议和非源站路由协议。源站路由协议节点无须建立、维护路由信息,从而节约存储空间,减少通信开销。但如果网络规模较大,数据包头的路由信息开销也大,而且如果网络拓扑变化频繁,将导致路由失败。根据路由建立时机是否与查询有关,可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间,但数据时延较大,且不适合环境监测等需紧急上报的应用。几种典型的路由协议通过对当前路由协议的研究,本文将对以下几种比较典型的路由协议进行分析,包括其核心路由机制、特点和优缺点。泛洪算法比较简单,接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点,直到数据包到达目的地或者预先设定的最大跳数己经达到。其缺点在于容 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现易出现信息内爆、重叠和能量过度消耗等问题。笋牛渭图一路由的信息内爆问题算法使用随机性原则,节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据分组,但是仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资源问题,同时经常产生数据重发现象,可能增加端到端的数据平均传输延时,传输速度变慢。伪算法通过节点间的协商机制和资源自适应机制来解决泛洪算法中的“内爆”和“重叠”问题。传感器节点仅广播采集数据的描述信息,当有相应的请求时,才`有目的地发送数据信息。算法在每次发送数据包前都需要发送检测数据包,因而数据传输延迟较大。日三万曰丁巴图一协议的协商机制算法的主要思想是对网络中的数据用一组属性对命名,数据的传输路径由节点同其相邻节点交互决定,同时引入“梯度”的概念来处理对传感器网络的查询。它是一种高能源有效性的算法,但是一定程度上依赖节点的定位信息,在进行数据匹配时,要对全网进行遍历,因此引入了一定的传输延迟各个节点要维持和更新其它节点的属性值,这也需要一些额外开销。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现一︸一气了︺叫一丫节点厂源、︶汇聚节点君于卜一几侧`一汁一一一叫气、兴趣传播梯度建立加强路径图一算法的信息传播方式协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。当节点监测到事件后将其保存,并按一条或多条随机路径在网络中转发,汇聚节点的查询请求也沿着一条随机路径转发,当两路径交叉时则路由建立。协议适合于在多点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况。一,一算法`与利用多路径技术实现了能源有效的故障恢复,解决了为了提高协议的健壮性,采用周期低速率扩散数据而带来的能源浪费问题。汇聚点矿一截一﹄减气么一一、卜`。夕、、﹃﹄﹄娜心︸详尸」。一十一一一一别一了泛,成己卜传感器节点碑毕⑧︺、一级簇首一二级簇首仁沪图一分簇网络结构一是一个层次路由协议`',采用随机选举簇头的方式避免簇头过分消耗能量,提高了网络生存时间数据聚合能有效减少通信量。但协议层次化的目的在于数据聚合,仍采用一跳通信,虽然传输时延小,但要求节点具有较大功率通信能力,扩展性差,不适合大规模网络。一算法也采用动态选举簇头的思想`,但采用无通信量的簇头选举方法,且网络中所有节点只形成一个簇,称为链,节点采用小功率与最近距离邻节点通信,极大地减少了数据传输次数和通信量。缺点是簇头成为关键点,其失效会导致路由失败链过长,数据传输时延将会增大要求邻居节点位置信息。化算法也 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现是一个层次路由协议`】,通过利用软、硬门限减少了数据传输量,且层次型簇头结构不要求节点具有大功率通信能力。但由于门限设置阻止了某些数据上报,不适合需周期性上报数据的应用。协议`是基于节点定位的路由协议,通过构建具有最小能量属性的子图来降低传输数据所消耗的能量,适用于拓扑变化不太频繁的传感器网络中。有序分配路由协议`,是第一个具有意识的路由协议。该协议通过构建以的单跳邻居节点为根节点的多播树实现传感器节点到的多跳路径。的能量消耗较少。但是不适用于大型的和拓扑频繁变化的网络。是一种基于位置的协议`,利用地理信息将查询发布到合适区域,比更加节省能量。由于与应用高度相关,路由协议众多,其他路由协议在此不再一一赘述。大体上说,理想的路由协议首先应充分考虑节点能量受限的特点,注重能量使用效率的问题,此外应根据应用的具体特点,尽量满足以下方面的性能要求以数据为中心,支持数据融合,基于节点定位,具有可扩展性、鲁棒性和安全性,提供支持。本系统的路由协议在本温室监测系统中,若干个传感器节点部署在温室内,采集环境信息,并以无线方式发送到汇聚节点汇聚节点通过串行接口与机相连,接收传感器网络的环境信息,发送到机的串口,并接收机的命令信息,以无线方式发送到监测区域的传感器网络中去。汇聚节点和传感器节点的区别在于电源供应方式的不同,传感器节点采用铿电池供电,需要考虑能耗问题,以尽量延长电池使用时间汇聚节点采用固定电源供电,不需要考虑能耗问题。无线通信能力的不同,汇聚节点的无线发射功率、无线通信距离比传感器节点大得多。任务不同,传感器节点主要负责采集环境信息,汇聚节点作为一个网关设备,实现机与的双向通信,不需要传感模块。考虑到传感器节点与汇聚节点的上述差异,在本系统的网络传输中,上下行通信采用非对称路由。传感器节点到汇聚节点的通信上行通信采用多跳方式`,而汇聚节点到传感器节点的通信下行通信采用单跳广播方式,下行通信无需传感器节点做中继通信,节省了传感器节点的能量,也简单实现了 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现全网时钟同步。上行多跳通信无线汇聚节点一竺竺竺竺二虾产,口,口,,口,口甲,,'无线传感器节点上行信道二巾卜下行信道一图一上下行通信非对称路由无线电磁波的能量传播模型为。。。一,式一其中衰减因子,是发射端和接收端之间的距离,只是节点正确接收信号所需要的接收功率门限值,是包括了收发天线增益和发射功率等因素的系数。对于节点各模块的能耗,无线发射电路能耗与天线辐射能量、一。'之和大于无线电接收电路能耗,也远大于处理能耗其中。是凡。对应的接收门限能量。传感器节点间单跳通信的能量消耗为卜。。一,。。式一因此只要朴。、、、。和每跳的距离选择适当,多跳通信比单跳通信节省能量。',印。。盖,二。互。式一式一左边对应多跳通信的能耗,包括发射节点、转发节点和接收节点的能耗,右边对应单跳通信的能耗。最小能耗和跳数路径首先对每个传感器节点按照自然数进行编址,汇聚节点编址为。假定每个传感器节点有个邻居节点,能耗列表可以表示为 北京邮电大学硕卜论文温室无线传感器网络监测系统侧究,,实现月卜…月卜月卜卜闷月卜、图一邻居节点的能耗列表其中,表示侦听到的邻居节点地址,表示按照此邻居节点提供的路径到达汇聚节点的最小跳数,表示本节点与该邻居节点通信所需的能耗,表示按照此邻居节点提供的路径到达汇聚节点的总能耗,其初始值均设置为。协议在初始化过程中,每个传感器节点在物理信道上广播自身消息,能够覆盖汇聚节点接收范围内的节点会收到汇聚节点的反馈消息,将汇聚节点作为父节点保存到路由表中,收到其他节点的信息也作为邻居节点保存在邻居列表中,同时获得、、、接收信号强度等信息,对于父节点是汇聚节点的节点来说,,。然后将该消息在物理信道上广播,并传递自己的最小值,从而构成了一个以汇聚节点为根的广度优先的生成树。对于每个节点来说,按照从小到大的次序对路由表中的父节点进行排序如果相同,则选择比较小的作为最高优先级父节点最后如果叩也相同,则随机选择一个节点作为当前父节点。辅助路由策略由于在本系统中,节点一旦部署完毕,移动的可能性很小,最小能耗和跳数路径路由基本上是静态路由,能节省网络总体能量消耗,但没有考虑网络的能量消耗平衡某些关键节点能量消耗过快,将导致网络分立和出现监测黑洞,网络性能下降。为了实现既节省能量又平衡网络能量消耗,采用了剩余能量监测和定位辅助路由的方法,来平衡网络能量消耗。每个节点定期计算节点剩余能量,更新路径。一般来说,由于离无线汇聚节 北京邮电大学硕丁卜论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现点距离最近的节点成为一跳节点负责更多的转发工作,它的能量消耗最快。当某节点发出电量预告时,以此节点作为父节点的节点立即更新路由表,改变路径。如果没有路径选择,则加大自身发射功率,寻找父节点或直接向无线汇聚节点发送消息。本系统实现了基于的定位技术将在第五章详细描述,并对节点的剩余能量进行统一管理,在必要的情况下,可以由机根据节点剩余能量和地理位置进行路由决策,采用发送命令的方式对需要的节点进行路径指定。本章小结本章介绍了无线传感器网络的路由协议的特点、几种典型协议和本监测系统采用的路由协议。由于传感器节点能量有限,传感器网络的路由协议具有很多传统网络路由协议没有的特点。针对能量高度受限的特点,高效利用能量几乎是所有设计的第一策略针对包头开销大、通信耗能、节点有合作关系、数据有相关性、节点能量有限等特点,采用数据聚合、过滤等技术针对流量特征、通信耗能等特点,采用通信量负载平衡技术最后,针对高度应用相关性特点,需要根据不同应用设计不同的路由协议。在本监测系统中,考虑到传感器节点与汇聚节点有较大差异,传感器网络规模不大,能够实现对每个节点编址等因素,路由协议采用了上下行通信不对称的路由方式,和最小能耗和跳数路由与剩余电量和定位辅助路由相结合的方法,有效提高了传感器网络的能量效率,均衡了网络能量消耗,延长了网络寿命,同时集中式的路由辅助策略有效解决了传感器节点计算能力弱的瓶颈问题。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现第三章传感器节点的硬件和软件设计硬件设计无线传感器节点是无线传感器网络系统中的基本组成元素。因此节点的硬件设计是整个系统的基础。综合考虑节点的使用场景、微型化、低成本、扩展性、稳定性等因素,并参考加州大学伯克利分校主持开发的系列节点,进行了温室无线传感器节点的硬件设计。硬件结构框架每个温室无线传感器节点分为传感器板和处理器板,由插槽相连进行通信。根据监测要求选择不同的传感器板来采集环境监控参数如温湿度、光照、浓度等和作物生理生态的参数如叶温、茎秆增长等。处理器板由处理器模块、无线通信模块、液晶显示模块、电源管理模块以及可扩展接口五部分组成。下面以温湿度和光照度传感器板为例,结合具体模块详细介绍本节点的硬件结构。无线通信模块传篡”'少、一引、藻日呛犷二叮土川,不二二二二二二一、一`接习丫聋介一液晶显示模块电源管理模块处理器板一图一温室无线传感器节点的硬件结构传感器模块温湿度传感器`公司的芯片,是一款高度集成的温湿度传感器芯片,提供全标定的数字输出,如图一所示,传感器包括一个电容行聚合体测湿敏感元件,一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与位的川转换 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现器以及串行接口电路实现无缝连接。工作温度范围是一℃一℃,在一℃℃范围内温度测量精度在士℃以下工作湿度范围是一,在一范围内湿度测量精度在士以下采用串行时钟输入线来与单片机保持通讯同步,串行数据线收发通信协议命令和数据。温度传感器一瞩花吕任。数字一线接口次发生器湿度传感器图一芯片的结构框图良比,寸人了寸一一一一图一通信复位时序光照度传感器是一款具有两线、串行接口的数字光照度传感器。它包括两个光电探测器和一个压扩州转换器,自动屏蔽光波,工作电压,光照度测量范围一。其中一个光电监测器可以探测可见光和红外线,另一个只能探测红外线,两个结合起来可以减小周围光线的红外组成的影响,接近人眼的响应。砚通过系统管理总线,与主控制端接口。是年由公司提出的应用于移动和桌面系统中的低速率通讯。它主要是希望通过一条廉价并且功能强大的总线,控制主板上的设备并收集相应的信息。为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线。使用的系统,设备之间发送和接收信息都通过,而不是使用单独的控制线,这样可以节省设备的管脚数。在提供的与兼容的输出信号中包含了这两个光电探测器检测的结果,从而使红外光的影响减到了最低,即检测结果与人的肉眼所感觉到的光强十分相似。内部还集成了一个模数转换器,可以直接将检测的结果转换成串行数字信号输出,最后可得到单纯的可见光的强度。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现、咨一一一一飞转换器险、咨一一一今一「一吕“盛签图一芯片的结构框图处理器模块处理器模块是无线传感器节点的计算核心,所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成,因此处理器的选择在传感器节点设计中是至关重要的。公司的处理器是一个低功耗的位处理器,其特点如下盯为基于结构的位低功耗微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,数据吞吐率高达,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。处理器片内有,能够编程次,适合于需要反复编程试验的应用环境。的和的,作为通用寄存器存放程序变量和堆栈,存储一些运行系统的参数,如通信模块的配置参数等。处理器提供了两个通用异步串行接口,控制器,串口收发速率可以达到。处理器提供了一个串行外围接口,控制器,通过时钟上升沿和下降沿控制数据输入和输出,。接口支持主动和被动两种方式。主动方式下由处理器提供数据收发时钟,控制数据流量被动方式由外部芯片控制收发时钟。在与通信模块连接时采用被动方式,即由提供数据收发时车中。处理器内部提供硬件的串行总线通信方式,通过菊花链的方式实现多设备互连,可以应用该总线实现对多种外部芯片的配置。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现处理器片内提供个通道的位采样精度的控制器,还支持种差分电压输入组合。和组成的差分线对,可以编程实现、、的差分输入电压增益。处理器工作电压范围为,适合电池供电的应用环境,提供了种不同的睡眠模式,特别适合有能量限制的应用。这种睡眠方式见表一。表一的六种睡眠模式睡眠模式状态描述和唤醒条件空闲模式停止工作,,、模拟比较器、、、定时器和计数器、看门狗、中断系统都处于工作状态所有的内部和外部中断都可以唤醒处理器。和的时钟关闭减噪模式停止工作,但是继续工作,对进行降低噪声的处理使其采样数据更加精准,适用于周期采样的应用模式。外部终端、、定时器、看门狗继续工作,和时钟关闭,允许各种中断唤醒处理器掉电模式停止,外部时钟停止,只有外部中断【二、地址监视和看门狗继续工作。外部中断。地址匹配终端、看门狗和外部能够唤醒处理器省电模式省电模式和掉电模式基本一样,只是定时器可以工作再异步方式计数器方式。处理器在发生定时器中断的时候被唤醒待机除了内部振荡器工作以外,其他和掉电模式相同扩展待机除了内部振荡器工作以外,其他和省电模式相同表一的引脚说明数字电路的电源地端口位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称伊二的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。端口也可以用做其他不同的特殊功能端口位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称二的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。端口也可以用做其他不同的特殊功能端口位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称二的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。端口也可以用做其他不同的特殊功能。在兼容模式下,端口只能作为输出,而且在复位发生时不是三态。端口位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称二的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。端口也可以用做其他不同的特殊功能。端口位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现二的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。端口也可以用做其他不同的特殊功能端口的模拟输入引脚。如果不作为的模拟输入,端口可以作为班二位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。如果使能了接口,则复位发生时引脚、和仃的上拉电阻使能。端口也可以作为接口。在兼容模式下,端口只能作为输入引脚。端口位双向口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称二的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口为三态。端口也可以用做其他不同的特殊功能。在兼容模式下,端口只能作为外部存储器的所存信号以及妞振荡器的输入,并且在复位时这些引脚初始化为,以及。和是振荡器引脚。复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。反向振荡器放大器的输出。端口以及转换器的电源,需要与相连接,即使没有使用也应该如此。使用时应该通过一个低通滤波器与连接。的模拟基准输入引脚串行下载的使能引脚。在上电复位时保持为低电平将使器件进入串行下载模式。在正常工作过程中引脚没有其他功能。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现采用调制时,其数据速率可达。采用的低电源工作。非常适合在计算机测遥控、安全防范、家庭自动化、汽车仪表数据读取等无线数据发射、接收系统中使用。的内部结构如下图所示'万口,,'`、万…匕图一的内部结构图在接收模式下,可看成是一个传统的超外差接收器射频输入信号经低噪声放大器放大后翻转进入混频器,通过混频器混频产生中频信号在中频处理阶段,该信号在送入解调器之前被放大,滤波可选的信号或信号也可通过混频产生于管脚班。解调后从管脚输出解调数字信号,解调信号的同步性由芯片上的提供的时钟信号完成。在发送模式下,压控振荡器输出信号直接送入功率放大器,射频输出是通过加在脚上的数据进行控制的,称为移频键控。这种内部瓜切换电路使天线的连接和匹配设计更容易。频率合成器产生的本振信号在接收状态下送入功放,频率合成器是由晶振鉴相器充电脉冲、以及分频器瓜和御构成,外接的晶体必须与管脚相连,只有外围电感需要与相连。可通过三线串行接口、和进行编程,有个位配置寄存器,每个由位地址寻址。一个完整的配置,要求发送个数据帧,每个位个地址位,个读写位和个数据位。我们可以通过公司提供的界面软件来配置数据,这些进制的数据必须先输入到单片机中,然后通过上述的三线串行接口输入到的可编程组态寄存器中。频率决定了完全配置所需时间,在频率工作下,完成整个配置所需时间少于伽。在低电位模式下设置时仅需发射一个帧所需时间少于 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现粼所有寄存器都可读。在每次写循环中,位字节送入通道每个数据帧中个最重要的位是地址位。是最高位,首先被发送。下一个发送的位是读写位高电平写,低电平读,在传输地址和读写位期间,编程地址锁存使能必须保持低电平,接着传输个数据位。写。数。据。地址模式字节图一的写操作编程时序图地址读模式数据字节图一的读操作编程图表一各引脚功能描述脚号名称类型说明电源对模拟模块混频器和中频提供电源地模拟模块混频器和中频接地输入来自天线的信号输入一输出信号输出给天线电源对模拟模块和提供电源地模拟模块和接地地模拟模块接地地模拟模块和预分器接地电源对模拟模块和预分器提供电源模拟输入与外部电感脚相连模拟输入与外部电感脚相连一模拟输出充电电流输出该管教可用于锁定时输出高电平一模拟输出连接外围预选偏置电阻,士地模拟模块接地底板电源对模拟模块供电普通地模拟模块接地一般 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现一模拟输出晶体第脚一模拟输入晶体第脚,或外部时钟输入地模拟模块接地保护地数字模块接地地层电源对数字模块供电地数字模块接地数字信号输入数字输入输出。发送时输入,接收时输出输出数字信号输出接收和发送状态下传输时钟信号数字信号输入三总线编程时钟信号数字信号输入三总线编程数据,写状态下编程数据输入,读状态输出下编程数据输出数字信号输入三总线编程地址锁存使能八模拟输出该管脚可用作或输出端到可选的外围和解调器。若未使用,该管脚必须悬空。微处理器使用个输出管脚用于接口、、,必须是双向管脚,用来读回数据,双向管脚用于待发送的数据和接收数据。提供数据计时的应与微控器输入端相连,其余管脚能用来监视信号在管脚,当锁定时该信号为逻辑高电平。与微处理器的州转换输入端相连。图一是在本系统中应用的电路原理图,从图中可以看出,外围元器件比较少,其参数是在发射频率为的条件下进行配置的。认,。孤`、吕搜霎叠爹一一厂下父巨巨二二匕众祝百误岩尤巨门尸一“攀纂沼器二口图一的电路原理图电源管理模块电源问题被公认为是无线传感器网络发展的主要技术障碍之一,因为智能装`备的电源只能提供数小时的连续操作。考虑到节点的使用场景,这里采用铿电池 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现为节点供电,充电芯片为铿电池充电,电池监测芯片进行电量监测。四可以从或适配器为单节电池充电,无需外部场效应管或二极管即可工作,并可工作在高达的输入电压。片上温度限制电路简化了板的布局,并允许优化充电速率,使其在电池状况最差、输入电压最高的情况下不会达到温度限制值而当达到温度限制的门限时,充电器不会关断,而是逐步减小充电电流。包含一个输出,用于指示是否连接了输入电源。任何一路充电电源有效,会置为低电平。则利用输出指示充电状态。没有使能输入,只要电源连接到或,充电器就开始工作。当与连接、但没有电源时,充电电流被置为最大值。这样,加电或未加电的集线器均可用于充电,无需端口通信。当连接了电源时,充电电流被置为典型值。当输入电源移走时,电池漏电流低于,无须使用输入屏蔽二极管来防止电池漏电。采用引脚,薄型封装,下表是其引脚说明。表一各引脚功能说明脚号名称说明端口充电器电源输入。可提供最高的电池充电电流。连接扭陶瓷电容至为提供退祸。地源时拉低电源就绪、低电平有效、漏级开路充电器状态指示。接通任何一路电低电平有效,漏级开路充电状态指示。当电池充电时为低电平。如果变为高阻态,表明电池己经充满,此时充电器处于电压模式。当充电电流降低至一下。当领个输入源均为低电平时为高阻态。适配器的充电器电源输入。电源提供的电池充电电流。连接蜘陶瓷电容至为提供退祸。接电池。连接蜘陶瓷电容至为提供退祸。是公司推出的智能电池监视器。该器件是为了解决便携式电子产品电池工作状态的实时监测而推出的,主要性能特点如下可用于标识电池组的唯一序列号直接数字化的温度传感器省掉了电池组内的热敏电阻可测量电池电压和电流的周转换器集成电流累积器用于记录进入和流出电池的电流总量一个经历时间纪录器以及字节的非易失存储器,可用于存储重要的电池参数例如化学类型、电池容量、充电方式和组装日期等。使用一接口发送和接收信息,所以和之间仅需条连线还有地线。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现与主系统微控制器相配合,提供了一个化学类型无关的完备的智能电池组方案。在定制某种特定化学类型和容量的电池时,只需向微控制器和中输入相应的代码即可,当电池的化学类型改变时,设计者只需要修改软件即可。采用表面贴装封装形式,引脚功能说明见表一。表一各引脚功能说明脚号引脚名称说明接地电源电流监视输入一电池电流监视输入一通用输入端供电电压一,空引脚数据输入输出、线操作、开漏「一万一一户目口口们卖卿的图一电源管理模块的原理图串口通信模块在温室无线监控系统中,节点作为基站节点,需要把收到的数据包通过串口发送到机,以便进行数据收集、处理和状态监控。目前机的串行通信接口一般采用一一标准,用正负电压来表示逻辑状态,与户,以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此,为了能够同机接口或终端的器件连接,必须在一一与,电路之间进行电平和逻辑关系的变换。满足一和周通信协议,包含系列特有的 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现片内电荷泵电路,可从一的电源电压产生的一电压电平,适用于系统,混合的系统或需要一性能的系统。产咭十『,协·丁图一与连接原理图软件设计丁卯操作系统概述对于传感器网络操作系统来说,由于单个传感器节点的并发性很密集,要求操作系统能够满足发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程。此外,由于节点模块化程度很高,要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制,并保证在不影响整体开销地情况下,应用程序中地各个部分能够方便地进行重新组合。基于上述要求,加州大学分校专门为无线传感器网络开发了一种微型操作系统。与通用操作系统相匕,具有组件化编程、调度机制、事件驱动的体系结构、主动消息通信机制等特点。组件与传统意义上的操作系统不同,是一个适用于网络化嵌入式系统的编程框架,通过在这个框架内链接一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用地操作系统,这对于存储资源极为有限的系统来说非常重要。一个完整的系统说明书就是一个其所要包含的组件列表加上对组件间相互关系的说明。的组件由四个相互关联的部分构成一组命令处理程序句柄,一组事件处理程序句柄,一个经过封装的私有数据帧,一组简单的任务。任务、命令和事件处理程序在帧的上下文中执行并切换帧的状态。每个组件都声明了自 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现己使用的接口和要用信号通知的事件,只写声明将用于事件的相互连接。命令是发给下层组件的请求,也可以看成是下层组件提供给上层组件的服务。调用命令的典型操作是它所在的框架设置相关参数,并抛出一个随后要执行的任务,也可能会调用它下层发生缓冲区等错误,命令必须将它执行成功或失败的结果反馈给调用者,这样调用者就可以了解此次调用是否成功并据此决定下一步操作。为了避免命令时间链中形成环路,规定在调用命令时不能触发任何事件。事件可以看作是不同组件之间传递状态信息的信号。中程序的运行是由一个个事件驱动的、数据包收发、传感器采样等操作引发的硬件终端会触发最底层组件中的事件处理程序,对该中断作初步处理后再触发上层组件,通知上层组件对该事件作进一步处理。在事件处理程序中可以抛出任务,触发上层组件的事件或者调用下层组件的命令。但必须引起注意的是,尽管当前事件处理程序具有比一般任务更高的优先级,事件处理程序中仍然不宜做耗时过多的操作,如果有这样的需求,那就应该抛出一个任务去等候执行。比如当通信比较繁忙时,无法在段时间内处理完刚接收到的数据包,这时它应该抛出一个任务并即使释放数据包缓冲区,否则随后到来的数据包可能因缓冲区满而被丢掉。命令处理程序和事件处理程序只根据本组件的当前状态做少量的工作,主要工作都是由其抛出的任务来完成的。任务可以看作时原子操作,尽管它可以被事件处理程序暂时中断,但是必须执行到底。该规则使任务能和事件处理程序一步执行,便于在内存紧张的系统中分配堆栈并模拟同一组件内的并发任务。任务可以调用下层组件的命令,触发上层组件的事件,也可以调度处于同一组件内的其他任务。由此可见,在中,命令处理程序和事件处理程序一般只处理状态的迁移,而复杂的数据处理和通信等工作都在任务中完成。的组件通常可以分为三类硬件抽象组件、合成组件和高层次的组件。硬件抽象组件将物理硬件映射到组件模型,其涵盖的范围从非常简单的资源如单独的刀引脚到十分复杂的资源如加密加速器。合成硬件组件模拟高级硬件的行为,如组件提供了一个硬件抽象模块,将无线接口映射到设备接口上,提供了与接口相同的命令,发送信号通知相同的事件,处理相同粒度的数据,并且在组件内部执行类似的任务。高层次软件组件完成控制、路由以及数据传输以及基于数据或数据组合计算等。调度机制在传感器网络中,单个节点硬件资源有限,无法采用传统的进程调度方式并且节点的并发操作比较频繁,并发执行流程又很短,传统的进程线程调度无 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现法适应。因此采用轻量级线程技术和两层调度方式,设置一个任务队列,关键字将一个任务添加到任务队列中,按照简单的机制进行调度,当前正在执行的任务只能被事件中断,而不能被其他任务中断。主动消息通信技术主动消息通信是一种基于事件驱动的高性能并行通信方式。在主动消息通信方式中,每一个消息都维护一个应用层的处理器,当目标节点收到这个消息后,就会把消息中的数据作为参数,并传递给应用层的处理器进行处理。应用层的处理器一般完成消息数据的解包操作、计算处理或发送响应消息等工作。主动消息不但可以让应用程序开发者避免使用忙等方式等待消息数据的到来,而且可以在通信与计算之间形成重叠,极大地提高的使用效率,并减少传感器节点的能耗。编程语言在上编写程序使用的语言为伪。是对语言做的一个扩展,把组件化模块化思想和基于事件驱动的执行模型结合起来。引入了接口和组件的概念。组件的创建和使用是分离的。程序由一个个组件链接而成,组件一旦被创建出来就可以多次使用。组件使用接口进行功能描述。每个组件都可以分为两个部分,首先是对该组件的说明,然后才是具体的执行部分。组件说明使用接口来描述该组件使用了哪些服务以及能够提供哪些服务。接口是双向的。接口要列出其使用者可以调用的命令或者必须处理的事件,从而在不同的组件之间起到桥梁的作用。一般情况下,命令向下调用,如应用层组件可调用那些硬件相关层组件提供的接口中的命令事件向上触发,原始事件都和特定的硬件中断相关联。组件通过接口静态连接。这样做有利于提高程序运行效率,增加了程序的鲁棒性,有助于更好地对程序进行静态分析。的并发模型是基于“运行到底一一”的任务构建的,事件处理程序能中断任务,也能被其他的事件处理程序中断。由于在事件处理程序中只做少量工作,很快就会执行完毕,所以被中断的任务不会被无限期挂起。软件结构框架该节点平台采用了操作系统,软件开发采用模块化编程,首先用语言设计传感器数据采集和液晶显示程序,然后在处理器上移植操作 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现系统,利用其编程语言在下编译。节点软件系统如图所示,系统由任务控制模块、传感器数据采集模块、液晶显示模块、网络拓扑控制与路由模块、电源控制模块、命令侦听处理模块、无线收发模块、控制模块、定时器模块等构成。各模块功能如下任务控制模块作为总控模块,控制其它各模块运行时序和模块之间的逻辑关系。传感器数据采集模块完成环境数据采集功能。液晶显示模块给用户提供直观的本地实时环境数据。网络拓扑控制与路由模块提供多跳路由协议的各种信息,如下一跳地址,到达汇聚节点所需要的跳数、路由质量、邻居节点的信息列表,更新路由表命令等。电源控制模块用于降低节点在空闲时的功耗,提供电量预警,当前功耗级别等信息。命令侦听处理模块用于侦听、处理命令,以便改变节点运行状态。无线收发模块负责发送、接收或转发数据。控制模块负责控制红、黄、绿三个的状态转换。定时器模块负责计数定时,定时类型包括两种和,前者表示仅计时一次,后者表示循环计时。结合温室监控的应用场景,本文进行了任务控制模块设计,对中原有的路由模块和电源控制模块进行了改进。路由协议的原理已在第二章节中详细阐述,在此不再赘述,下面详细介绍一下任务控制模块和电源管理模块。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现图一节点软件系统结构图任务控制模块的实现任务控制模块通过调用其它模块,控制系统的运行流程。系统上电后的前分钟为网络初始化阶段,采样和发送数据速率均为秒钟,数据包格式如下一获取传感器数据类型下一跳地址,初始值为“广播模式数据源地址一【传感器数据一分钟后,采样速率改为分钟,发送数据速率改为分钟,路由信息更新速率也随之改变。在采样但不发送数据期间如果监测到数据异常,节点以发送长数据包的方式唤醒网络,把数据发送到监控终端。如果需要改变监测区域内节点的工作模式,可以通过监控终端向无线汇聚节点发送命令。无线汇聚节点以广播的方式发送命令,命令格式如下 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现印命令类型有五种,表示采样速率设置,要求每个节点的采样速率改变为对应为速率值如表示秒表示实时查询,对应为查询的节点,要求对应的节点以的速率连续发送数据次到监控终端表示定位模式,要求每个节点广播、侦听邻居节点,把邻居节点和其接收信号强度值发送到监控终端表示进入采样监测模式,监控终端不再进行、操作,节点进入深度睡眠状态表示离开采样监测模式,只在节点醒来的时间段有效。电源管理模块的实现电源管理模块负责电池电量检测、电量预告和系统低功耗控制。由于传感器板的能耗很低,无线传感器节点的能耗主要集中在处理器板上,即处理器模块和无线收发模块液晶显示模块在正常情况下为关闭状态。经测试,当电池电压为时,节点在不同状态下能耗如表一所示表一节点在不同状态下的能耗节点状态能耗发送数据接收数据空闲处理器空闲、射频睡眠处理器省电、射频睡眠从表一可以得知,在没有任何低功耗控制的情况下,的铿电池供电时间约为天。虽然节点能够通过更换电池来补充能源,但是由于其放置于温室大棚内,频繁更换电池非常不方便。因此应在不大幅度影响网络性能的前提下,尽可能降低节点功耗。在采样监测系统中,节点在每次完成采样、发送任务后进入睡眠状态,通过一低频率外部晶振来计时,到采样时刻自动醒来。在实时监测系统中,由于在节点长时间深度睡眠状态下实时查询和突发事件监测等功能无法实现,一般采用任务周期调度机制必。它与采样监测系统采用的机制不同之处在于,它的睡眠周期一般为毫秒级,可以通过调节弋。节点活动时间和戈。节点睡眠 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现时间的比例,来实现不同等级的调度机制。由于该系统是两者的结合,同时实现了两种功耗控制机制。系统默认采用任务周期调度机制,即节点在空闲状态下,把处理器放置于省电模式,所有组件关闭,处理器和射频以的任务周期醒来检查是否有数据包到来,在这种模式下,在网络内洪泛一个长的数据包可以唤醒所有节点。当监控终端不再进行实时查询等操作,可发送“深度睡眠”命令,使节点进入采样监测系统的工作模式,每隔半小时醒来,广播并进行邻居节点侦听,等局部网络都唤醒以后进行采样、发送工作,完成后监控终端发送反馈,命令局部网络的节点重新进入睡眠状态,保持了粗略的时钟同步。本章小结本章详细介绍了传感器节点的硬件和软件设计。在节点的硬件设计中,需要从节点的微型化、扩展性、灵活性、稳定性、低成本等方面来考虑针对节点的应用背景,对传感器的种类、精度、采样频率,无线通信使用的频段、传输距离、数据收发速率,处理器的功耗、计算能力等提出要求。在软件设计中,选择合适的嵌入式操作系统,设计合理的任务流程,并在各个层面进行低功耗优化设计,是至关重要的。传感器网络的发展方向和前景都非常好,从目前的发展趋势上看,微型化、网络化、能量可持续、价格低廉都是其发展的必然趋势。不断研究和改进传感器节点技术,对传感器网络投入到大规模的应用起着决定性作用。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现第四章节点定位算法研究在环境监测系统中,传感器节点的位置信息非常重要,不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的,为了详细报告特定事件发生的位置或区域信息,节点需要知道自身位置信息在其它诸如库存管理、制造业物流和安全监控等应用中,需要实现目标的定位和跟踪因此,传感器节点的地理位置信息是用户进一步采取措施和做出决策的基础。定位信息除了用来报告事件发生的地点之外,还具有以下作用提高路由效率,利用节点位置信息协助数据转发,避免信息在整个网络内扩散为网络提供命名空间,有利于快速的定向信息查询进行网络管理,向部署者报告网络的覆盖质量,实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置,等等。传感器节点定位对于监测系统有着非常重要的作用。的定位技术概述定位系统概述全球定位系统,是目前应用得最广泛最成熟的定位系统,以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科。系统包括三大部分空间部分一卫星星座地面控制部分一地面监控系统用户设备部分一信号接收机。信号接收机的任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的信号进行变换、放大和处理,以便测量出信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置、实际位置、甚至三维速度和时间。定位虽然具有定位精度高、实时性好、抗干扰性能强等优点,但只适用于无遮挡的室外环境,无法应用在室内地下等应用场景并且为所有网络节点安装接收器会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制。在大规模部署环境下,采取人工部署或为所有节点输入位置信息也不可行,因此有必要研究节点自定位技术。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现定位性能标准无线传感器网络具有节点资源有限、大规模随机部署和应用环境多样性等网络特性,因此其定位机制要求具有自组织性、健壮性、能量高效和分布式计算等特点。定位算法的设计和实现的优化目标、性能指标相互关联,必须根据应用需求做出权衡。从可用性角度评价,定位算法的性能评价标准如下司定位精度一般用误差值与节点无线射程的比例表示或者在二维网络部署情况下,用网格大小来表示定位精度。规模表示定位应用的区域范围大小或者在某种给定基础设施或在一段时间内,一种技术可以定位多少目标。锚节点密度人工部署或实现。人工部署锚节点受网络部署环境限制,还制约网络和应用可扩展性。定位锚节点费用比普通节点高两个数量级,锚节点密度是评价定位系统和算法性能的重要指标。节点密度节点密度增大会增加网络部署费用且会因为通信冲突带来阻塞。以网络平均连通度表示。容错性和自适应性多径传播、衰减、非视距一一,、通信盲点等节点失效节点间距离或角度测量误差。容错性和自适应性通过自动调整或重构纠正错误、适应环境、减小各种误差影响,提高定位精度。功耗在保证定位精度的前提下,定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性。代价几个角度评价。时间代价系统安装时间配置时间定位时间。空间代价包括所需的基础设施和网络节点数量、硬件尺寸等。资金代价则包括基础设施、节点设备总费用。定位技术研究现状目前节点定位技术有了较大发展,定位算法有多种分类方式。根据是否使用测距技术,分布式定位算法可分为距离无关的定位和基于距离的定位。其中距离无关的定位算法不直接测量节点间距离和角度,仅根据网络连通性信息对节点间距离进行估计或者通过确定包含未知节点的可能区域,来确定未知节点的位置,如质心类算法、一叩、、妙算法和基于连通性信息的一瓜算法基于距离的定位算法通过测量邻居节点间的距离或角度信息,使用三边多边定位、三角定位等算法计算节点位置,常用基于距离的分布式定位算法主要有算法、一和求精和算法等。一般来说,基于距离的定位算法能够实现更高的定位精度,但是其能耗 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现和计算开销也更高阴】。基于距离的一定位算法采用的测距方式细分为基于到达时间,的方法、基于不同到达时间,的方法、基于到达角度,的方法和基于接收信号强度,的方法四种。前三种测距方法精度比较高,但是功耗较高,且需要额外硬件,本文采用了基于的测距方法。基于的测距方法思想是在已知发射节点发射信号强度情况下,接收节点根据收到信号的强度,计算出信号传播损耗,再利用理论或经验模型将传输损耗转化为距离,再利用已有算法计算出节点位置。技术的优点是低能耗、低成本,无需额外硬件,缺点是受无线多径阴影等信道衰落因素影响,其测距误差比较高。为了减少测距误差的影响,很多基于距离的定位算法通过使用数理统计及优化方法来提高定位精度,如多次测量平均、迭代求精等。多维尺度分析定位算法近年来,多维尺度分析,简称技术开始应用于节点定位,比较有代表性的算法有一、幼、一和等。这些算法与基于三边多边定位算法相比,其共同特点是充分利用整个网络或局部网络中所有节点间包括未知节点之间的连通性测距信息,获得更为准确的网络拓扑结构和更准确的位置估计,尤其适合信标节点数目较少情形。下面简介多维尺度分析理论和基于多维尺度分析的定位算法研究现状。概述多维尺度分析通过探索多个研究事物间的相似不相似程度,利用适当的降维方法,将这种相似不相似程度在低维度空间中点与点之间的距离表示出来,帮助识别影响事物间相似性的潜在因素。近年来,技术在化学建模、经济学、社会学、数学心理学和行为科学等学科得到广泛的应用。在定位中,如果测量距离值等于节点间的真实距离时,经典通过对中心化后的距离平方矩阵进行奇异值分解邵,,可求出节点坐标的显式表达式。然而,当测距存在噪声时,必须使用其它技术,如迭代求解最小化损失函数测量距离与节点间欧氏距离的差。这类算法主要包括璐、 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现、和。它们均需要一个中央处理单元来收集所有的距离测量数据,并进行最小化优化计算。定位算法相关研究一是一种基于的集中式节点定位算法卿,既可应用于无需测距模式,也可应用于基于距离的定位模式。一算法分个步骤首先生成网络全局拓扑连通图,并为图中每条边赋值。当节点具有测距能力时,采用距离测量值。当网络仅拥有连通性信息时,所有边赋值。然后使用最短路径算法或算法生成节点间距离矩阵对所生成的距离矩阵应用基于奇异值分解的算法,生成整个网络的维或维全局相对坐标系当网络拥有足够多的信标节点时维时最少个,维时最少个,将全局相对坐标系转化为全局绝对坐标系。实验显示,当网络的节点密度减小时,定位误差增大,并且无法定位的节点数量增加。此外,集中式定位计算的扩展性较差。幼是一种分布式算法,该算法首先获得未知节点局部范围内的距离矩阵,然后使用算法,迭代计算每个节点局部范围的所有节点坐标,直到前后次迭代得到的代价函数之差在一个规定的范围内为止,最后把所有局部坐标系进行融合,获得网络的全局坐标系。该算法优于全局算法性能,其原因是全局不能很好处理网络分布不均或者存在黑洞的情形。幼算法的距离权值仅使用和两个离散值,把跳范围内令口居等同看待。一卫瓜也是一种分布式算法,它仅使用未知节点的跳或跳邻居的局部信息,构建较为准确的局部坐标系。在获得局部坐标系后,使用加权最小二乘法、跳邻居的权值分别为和,而一卫和助算法把每个参与计算的测量距离等同看待,均赋权值对局部坐标进行优化,获得优化后的局部坐标系,然后对优化后的局部坐标系进行融合,获得网络的全局相对坐标,最后使用信标节点的绝对位置,把相对坐标系转换成全局坐标系。对助算法进行了改进即,提出了基于高斯核加权的分布式算法,它通过利用节点无线发射半径自然受限的特点,一来构建分布式定位算法。其特点是引入了与未知节点距离相关的加权函数,取消了权值在幼算法中只能取和的限制,让权值可以取任意非负常数,且通过对距离未知节点越近的节点赋予更大权值来减小定位误差提 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现出了自适应步邻居选择方法来减小测距噪声对邻居选择的负偏效应。采用二次优化方法来保证每次迭代均能降低代价函数值。该算法仅考虑跳范围节点,适用于密度较大且网络拓扑规则的节点定位。上述种分布式定位算法,通过使用较准确的节点局部范围距离矩阵,避免使用误差较大的多跳最短路径距离矩阵,从而获得了比一算法更好的定位精度。但是,在迭代优化的邻居选择和权值选择上,幼和算法仅选择跳邻居,当网络稀疏或者密度不均匀时,其定位精度会明显下降一瓜算法尽管选择跳邻居,但没有自适应考虑网络情况,会导致较大的运算量,且其赋权值方法只是简单地区分跳与跳,对同一跳段内的节点,其权值并未区分,不利于抑制定位误差的扩散。本文在综合考虑网络密度变化、节点定位误差大小及节点间距离远近基础上,提出了一种基于相对误差的分布式节点定位算法。它根据网络节点一跳范围内邻居数目多少及其相对误差的大小,自适应地选择参与迭代优化的邻居,并通过给相对误差值越小的节点赋予更大权值,来提高定位精度和算法收敛速度。基于相对误差的分布式定位算法步骤如下每个节点首先使用经典等方法建立自己的初始局部坐标系对所有节点的局部坐标系,采用增量贪婪算法进行融合处理,生成全局相对坐标通过网络的信标节点,把全局相对坐标系变换成初始全局绝对坐标系节点根据网络局部属性,采用基于相对误差的自适应邻居选择机制,选择真正参与局部代价函数优化的邻居采用基于相对误差的加权机制,对节点的初始绝对坐标进行迭代求精,来获得优化后的全局绝对坐标。全局坐标系一的建立常用初始全局坐标系的建立方法有随机赋值法、基于三边多边的位置估计无迭代求精过程法和经典法,一般不引入求精过程。而在使用基于梯度搜索的优化迭代定位算法时,随机初始坐标往往导致搜索算法陷入局部最优,因此一般不宜采用。全局地图融合策略在未知节点使用各种分布式定位算法获得自己的局部坐标系后,需要使用地图融合策略,来建立全局坐标系。局部地图可采取串型或并行融合顺序,其中串型方法可随机挑选或者按照最适于应用的顺序进行融合。本文采用增量贪婪算法 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现来实现地图融合。该算法首先随机挑选个节点,把它的局部地图作为核心地图,然后每次选择与核心地图拥有最多相同节点的邻居地图依次进行融合,直到核心地图覆盖整个网络。两个局部地图融合的变换矩阵使用最佳线性变换方法皿获得,即使用最小二乘法来最小化个地图相同节点的坐标变换误差,来获得变换矩阵,把其中一个地图变换到另一个地图上,该变换包括平移、旋转、镜像以及缩放。由于局部地图并非刚体,采用最佳线性变换方法,具有良好鲁棒性。当网络拥有足够多的信标节点时维时最少个,维时最少个,使用所有信标节点在相对地图和绝对地图中的坐标,求出最佳线性变换,就可计算出整个网络或者子网的绝对坐标。基于相对误差的自适应邻居选择同很多其它定位算法一样,分布式定位算法也需要对参与定位计算的节点进行选择。为了减小通信开销和计算复杂度,大部分定位算法仅选择跳邻居。文献提出了步邻居选择机制,它使用估计距离跳邻居计算出未,日节点坐标后,计算节点司的欧氏距离“。一、一,,通过半断“。是否大于跳邻居距离闽值,决定节点是否是真正的跳邻居。该机制可有效消除在噪声测距环境下,测距模型导致的距离低估效应,让节点挑选出真正在跳范围内的邻居节点来进行求精。该算法适用于平均连通度较大的网络,对于稀疏型或者密度不均的网络,由于部分节点的跳邻居可能较少,该方法会导致参与定位的邻居节点进一步减少,而增加定位误差,甚至不能实现定位。针对稀疏型网络或者随机部署导致的节点密度分布不均的场景,本文提出了基于相对误差的自适应邻居选择机制,它通过综合考虑未知节点局部范围内其它节点的定位精度以及距离该未知节点的远近,计算节点间的相对误差,并根据其大小来决定是否参与优化迭代。基于相对误差的自适应邻居选择步骤如下使用自适应邻居选择机制,计算节点所有初选邻居的相对误差,并按升序排列。对跳邻居使用最短路径估计作为到未知节点的距离计算未知节点与初选邻居测距的标准差把相对误差表中第个节点的相对误差加上作为相对误差闭值,剔除初选邻居表中相对误差大于的节点,仅使用表中剩下的邻居节点本文把这些节点称为精选邻居节点进行迭代求精。基于相对误差的权值选择文献采用稿斯“`巧一一巧叫伽“方法,“未知节点`跳邻居进 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现行加权,其中是测距,一。该加权机制对距离未知节点越近的邻居节点,赋予越重权值,增加其对未知节点的定位贡献度,此机制有一定合理性。但考虑到测距误差以及不规则网络拓扑结构等的影响,距未知节点近的节点,其定位误差不一定小,必须综合考虑邻居节点的测距误差和定位误差信息,让综合性能好的节点对未知节点的定位发挥更大作用,基于这一考虑,本文提出了基于相对可信度,的加权方法。节点相对节点的相对可信度计算方法见公式一式一一孔一`一。一,使用公式一构建权值如下式一馨“`其中是采用自适应邻居选择机制,在节点所选择的邻居中相对误差小于闺值`的精选邻居节点数,是节点相对节点的可信度。公式一采用与相对可信度成正比的方法来加权。通过选择相对误差较小的邻居来参与定位优化,并赋予相对误差小的节点更大权值,增加它在定位计算中的贡献度,既可减少定位误差的扩散效应,而且可提高定位算法的精度与收敛速度。仿真结果本文使用盯方法进行种网络拓扑结构的仿真实验。这种仿真实验的拓扑分别是,,区域网格部署、,,区域型网格部署、【,【,』区域随机均匀部署、【,【,区域型随机均匀部署。所有仿真实验均设置个信标节点,位于区域的个角落。型结构用于仿真测试各向异性网络拓扑叩结构下的定位性能。作为比较,还实现了基于高斯核加权的定位算法。测距模型由于无线信道衰落等原因,值几服从对数正态分布,如公式一所示,其中几为节点发射、节点接收的信号功率,几为自由空间条件下,参考接收点接收到的信号强度,。为信标节点到参考接收点的距离,。为无线传输衰减系数,与环境相关,几为在距离。处的均值接收功率, 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现晶为阴影方差。几一河,。式一可一几一。。。。由公式一,可得到基于极大似然估计的测距估计心,如公式一所示,其中一巧一为接收功率测量误差,分布为,言。本文仿真实验采用公式一的测距模型。其中,一·。产、、汽八一。·`”一“妙““一'一。·卿`。一,'风`式一,仿真与结果分析网格部署在方形和形网格部署环境下,对不同的无线通信半径进行次实验,计算所有未知节点的平均定位误差和算法的平均迭代次数。假设测距误差为。州一'—'一一,一》一一一份人一卡未十十十十认卜一厂二每不二厂一一一丫“'勺之乙、一一产一语论广…﹄月刁厂卜一'一石面而。面一以二一些岁塑旦旦坚》位二二…一创一一图一旧在方形网格中的与迭代次数图一显示了在方形均匀网格个节点,下,不同值的平均定位误差及相关算法组合的迭代次数。可以看出,在方形均匀网格部署条件下,当网络平均连通度较低时,使用算法的定位性能明显优于,在迭代次数减少近的情况下,算法的改善约。当采用定位精度相对较高的算法建立初始坐标系时,在 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现不同的网络连通度下,与算法的定位精度相当,但算法的迭代次数少。住众压召厂︺'、函曰一·补一,…一厂二一`一一一一仓,祀论—一—一一一一一一一——一一一一一图一正在形网格中的与迭代次数图一比较了形网络拓扑下和算法的定位性能及算法收敛性。当时,无论那种初始坐标构建方式,的平均比的小,且迭代次数减半。当网络平均连通度增加到对应以后,使用基于构建的初始坐标系,算法和算法的定位精度相当,但算法迭代次数平均不到次。而在基于算法构建的初始坐标系情况下,无论在定位精度还是算法收敛性上均优于算法。值得一提的是,当值较小,即网络的平均连通度较低时,和算法在初值下的定位误差比使用功初值的定位定位误差小约,而当网络平均连通度逐渐增大到时,使用算法构建初始全局坐标的定位优势性又表现出来。《《《二二,二二二二二`一犷几一。︸一万一《《《二」一二卜二二刀二二二」卜一一乃、一一,。…一、一︺`。匕一一一方形网格,测距误差,,个节点形网格,测距误差,二,个节点图一网格正定位性能和算法收敛性比较 北京邮电大学硕】论文温室无线传感器网络监测系统研究',实现算法,初始坐标使用算法比使用算法,可获得更高的节点定位精度。可见全局初始坐标的精度,不仅对网格部署,而且对随机均匀部署的算法定位精度也有重要影响,要想改进优化定位算法的定位性能,必须提高初始坐标精度。·'一尸一十一一一一祀论」—一·」,图一压在形随机网络中的与迭代次数图一显示了形各向异性网络随机部署情况下,不同值的平均定位误差及算法收敛速度。在使用算法构建初始全局坐标条件下,不同值的算法值匕平均小左右,迭代次数减少近。而采用功算法建立初始坐标系时,在不同的网络连通度下,与算法定位精度相当,但算法的迭代次数明显要少。在随机部署情况下,形各向异性网络有与各向同性网络类似结论,使用相同定位算法,基于初始坐标比基于初始坐标可获得更高的定位精度。《'汗'二刀二二二二二一一一﹂一川川。…一一。“匕二一·、·、飞'。。…·祀'汀阳《《八日汀《朋'八日二〔二二二」二二二卜一一气`·公丁一。一杜二买一少,一,…了、、一方形区域个犷点,,测距误差形区域个节点,,测距误差图一随机部署旧定位性能和算法收敛性比较 北京邮电大学硕十论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现图一是在随机部署情况下,各向同性的方形网络和各向异性的形网络拓扑定位实例较小值,二。使用算法来建立初始坐标系,无论在各向同性的方形还是各向异性的形网络拓扑下,的定位性能和算法收敛性明显好于算法。而在均匀方形网格部署情景下,算法与算法的定位性能相当,但算法的迭代次数减半。本章小结本章综合考虑参与定位节点自身定位精度以及距离待定位节点的远近,引入相对误差概念,按照节点相对误差大小,自适应选择参与迭代优化定位的邻居集,且通过对具有较小相对误差的节点赋予更大权值,来增加其对节点定位的贡献度。仿真实验显示,与单纯基于跳段数或者测距的权值赋值机制相比,基于相对误差的分布式定位算法具有更高的定位精度、更快的收敛速度和更好的鲁棒性,其优势在节点初始全局坐标精度较差、各向异性网络拓扑结构、网络平均连通度较低等情形下表现得尤为突出。下一步工作是在实际网络环境下测试算法的定位性能。 北京邮电大学硕卜论文温室尤线传感器网络监测系统研究与实现第五章客户端数据分析与管理系统概述通过对传感器网络所获得的数据进行查询和分析,刁`能对温室大棚进行有效的监测。客户端数据分析与管理软件系统把传感器网络数据的逻辑视图与网络的物理实现分离开来,为用户提供一个简洁、易用的应用程序接口,使得传感器网络的体系结构对用户透明,用户只需远程监测或查询感兴趣的数据,而无需关心网络实现的细节。从数据管理的角度来讲,在监测系统中,数据包括两类一类是静态数据,例如描述传感器特性的信息另一类是动态数据,即由传感器自身感知的数据。由这些感知数据构成的数据集合需要一个软件系统来管理,这个软件系统称为传感器网络数据分析与管理系统。系统结构目前用于传感器网络数据分析与管理系统的结构有以下四种集中式结构、半分布式结构、分布式结构和层次式结构。集中式结构在集中式结构中,感知数据按照事先指定的方式从传感器网络传输到中心服务器,然后在中心服务器上进行查询处理。这种方法很简单,但中心服务器会成为系统性能的瓶颈,而且容错性不够好。另外由于所有传感器的数据都要求传递到中心服务器,通信开销较大。半分布式结构由于传感器节点具有一定的计算和存储能力,因此可以对原始数据进行一定的处理,例如系统,尽可能地将查询处理在传感器网络内部进行,减少通信开销,在查询处理过程中,只有与查询相关的数据才从传感器网络中提取出来。分布式结构分布式结构假设每个传感器都有很高的存储、计算和通信能力。每个传感器监测事件,然后使用一个函数,按照每个事件的关键字,将其存储到离值最近的节点上面。这种结构只适合基于事件关键字的查询,通信开 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现销较大。层次式结构层次式结构包含传感器网络层和代理网络层两个层次,集成了网内数据处理、自适应查询处理和基于内容的查询处理等多项技术。传感器节点负责从代理接收命令、进行本地计算和将数据传送到代理。代理层的节点具有比传感器层节点更高的存储、计算和通信能力,负责从用户接受查询、向传感器节点发送控制命令或其他信息、从传感器节点接收数据、处理查询、将查询结果返回给用户。代理节点收到来自传感器节点的数据后,多个代理节点分布地处理查询并将结果返回给用户。这种方法将计算和通信任务分布到各个代理节点上。在本监测系统中,传感器节点可以充电、更换电池,能源相对充足,数据采集周期比较长,传感器网络规模不是很大,因此本文初步实现了集中式系统结构。查询处理技术对于传感器网络来说,通过查询和分析网络中的感知数据能够监测到某区域的物理现象。传感器网络数据的查询可以分为如下几种类型历史查询是对从传感器网络获得的历史数据的查询。快照查询是对传感器网络在某一给定时间点的查询。连续查询关注在某一段时间间隔内传感器网络数据的变化情况。在本监测系统中,正常情况下,需要对温室内的环境数据每隔一定时间查询一次如分钟当用户需求时如进行作物生长状况与温室环境关系的分析,可能需要某一区域内的历史环境数据当发生危急情况时,可能需要传感器网络及时报告当前环境数据,因此,这三种查询方式在本监测系统中都要实现。查询处理方法一般包括集中式查询处理和分布式查询处理。这两种方法各有优缺点,适用于不同的情况。本文采用的集中式系统结构决定了在查询处理方法中也将采用集中式查询处理方法。它的实现步骤是周期地从传感器网络中获取数据,并将数据存储在一个中心数据库中,在中心数据库上对查询进行处理。本系统特点在本传感器网络监测系统中,网络中所有的节点都把数据发送到汇聚节点。汇聚节点通过串口与机相连,客户端数据分析与管理软件系统可以通过串口 北京邮电大学硕论文温室无线传感器网络监测系统研究,实现获得网络上的数据,实现对各个节点发来数据的分析也可以通过串口向网络发送命令,改变网络的运行状态,并将结果返回给用户。本软件系统的特点如下提供元数据管理,本系统包含丰富的元数据和元数据管理功能以及一系列管理元数据的命令,本软件具有一个元数据目录,描述传感器网络的属性,包括传感器读数类型、内部的软硬件参数等。提供整个网络拓扑结构的动态显示,由于本系统实现了定位功能,这里所指的拓扑结构不仅体现了网络内各节点的逻辑连接关系,也体现了节点之间相对的地理位置并能根据节点的消息发送时间间隔及时刷新拓扑结构。提供数据存储和图形化显示,采用关系型数据库对所采集数据进行存储和管理,对单个节点历史数据的查询对查询结果的显示采用曲线图的显示和表格显示,当前采集的实时数据采用了动态实时曲线图的显示方式。提供发送命令接口,可以通过命令改变所有节点或单个节点的采样速率、消息发送时间间隔、节点状态、发送功率等,实现对传感器网络的动态控制。测量数据更正机制,传感器节点产生的测量值可能具有误差,这种误差通常可以用一定的连续概率分布函数来描述,比如高斯分布等。因此在本系统采用了处理感知数据误差的机制,为用户提供尽量可靠的观测数据。客户端分析与管理软件系统实现了对温室大棚的环境监测和数据管理。该软件系统具有网络拓扑结构显示,环境数据存储、统计分析和图表显示,以及对传感器节点的控制等功能,特别是通过图形化界面,达到系统在易用性与功能的统一。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现系统结构与实现显示模块节点配置模块查询模块基站数据监听模块数据发块送模、产一串口数据操作类串口驱动接口图一客户端分析与管理软件系统结构图无线传感器网络分析与管理软件系统如图一所示,系统由多个模块和接口构成。模块作为图形化界面,给用户提供操作接口,允许用户为图形界面上通过可视化方式或输入语言发出查询请求,也允许用户以可视化方式展示查询结果。拓扑结构显示模块完成显示传感器网络拓扑结构的功能,可以动态显示网络中无线传感器节点的拓扑结构的变化和无线数据包的传输路径,从拓扑结构图中,用户还可以取得每个节点当前时间提交给传感器汇聚节点的所检测数据值。数据处理模块对收到的数据进行存储,当收到各个传感器节点传来的数据后,通过调用接口把数据存储到数据库中,向数据查询和其他应用提供数据源。查询模块进行数据查询,可以对历史数据进行查询,此时是通过访问数据库查找符合查询条件的数据,同时以波形的形式显示数据和时间的关系。还可以对传感器网络中的任意一个节点进行实时查询,并可以同时查询多个节点的数据,同时以实时曲线的形式动态显示数据随时间变化关系。对节点的实时查询是通过发送实时查询命令给相应节点,通知其改变数据发送速率。节点配置模块完成汇聚节点和其余传感器节点的命令交互。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现基站数据监听模块以一个线程的形式不断监听串口数据,一旦有数据到来,通过事件驱动的方式通知监听模块,按事先约定好的包格式取出说需数据,提交各数据处理模块或实时查询模块。串口数据捕获类和数据库操作类分别通过串口驱动接口和驱动接口完成对串口数据和数据库数据的读取。系统配置说明黔谁贵礴磷霭连扭设盖稚助连扭断开设置采样问周帮助查亡纷拓扑结构图形显示裘格显示节点开到蜘寸间渝一`仑〕甲丫结束时间口叉甲年工甲月一、日二巫巫匡巫图一系统界面示意图程序运行以后,首先和串口建立连接,根据基站节点连接的串口选择串口,串口波特率为。如图一所示,软件界面分为三个部分左上部分为查询区,可以进行实时查询和历史数据查询。节点对话框需要输入所要查询节点的号,下面的开始时间和结束时间为查询历史数据时使用者选择所关注的某一时间段,实时查询时无须设置开始和结束时间。右上部分为结果显示区,有三个选项卡第一个为拓扑结构显示,在实时查询时可动态显示节点拓扑结构的变化,还可实时显示数据包的传送。第二个为图形显示,在查询历史数据时可以显示传感器所采集数据的时序图,在此分别为温度和湿度的时序图。在图上点击右键可以对时序图显示进行 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现设置,还可以保存该图。第三个为所查到数据的表格显示。最下方为状态显示区,会实时显示程序运行过程中的一些状态信息,如某个时刻受到某一节点的数据等。节点引益度采样时序阁刀万加为加拍乃刀石刀石住翔曲月﹄组饭翻拢能声。引门珍科攀,二三扩一自犷眺菌矗矗拼完『翻口场协翻砚衬自曲阅磷麟却仁比滋渭月目公易娜,翻璐幽理勺翔翻黯翻飞巍`丫广参漏。戮沪恤最鑫日〔三到图一某节点的历史数据图形显示每收到节点发来的数据,程序就把数据存到数据库中以供以后的查询。所选择的数据库为。数据库安装完成后新建数据库,然后在这个数据库下建立表,以采集节点温湿度为例,设置该表各列列名、类型及数据长度,如下所示列名数据类型长度允许空认杯亿且伽且的图一数据库列表示例本章小结在无线传感器网络的节点软硬件平台的基础上,本章描述了客户端数据分析与管理软件系统的实现。本软件实现了对温室大棚的环境监测和数据管理,特别 北京邮电大学硕十论文温室无线传感器网络监测系统研究“实现是通过图形化界面,增强了系统的易用性将实现提取、存储、管理传感器网络数据的无线传感网络数据分析与管理系统与传统的数据库结合,进行优化,使数据管理服务体系具有更强的针对性。下一步将专家决策系统融合到本软件系统中去,使本监测系统向生产者提供更为全面的管理决策方案。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现第六章结论与展望主要成果与结论本课题的需求是建立温室无线传感器网络监测系统。在温室大棚内部署的无线传感器节点能够采集多种环境数据,建立多跳自组网,把监测数据发送到远程监控终端。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析等。围绕课题需求进行了研究、开发和设计,本文的主要成果如下无线传感器网络路由协议研究。分析了无线传感器网络的路由协议的特点、几种典型协议,传感器网络的路由协议一般具有能量高度受限、基于局部网络信息、以数据为中心、高度应用相关性等特点,需要针对不同应用、不同侧重点设计不同的路由协议。考虑到本监测系统的实际因素,本文采用了上下行通信不对称的路由方式和最小能耗和跳数路由与剩余电量和定位辅助路由相结合的方法。无线传感器节点硬件和软件系统设计。无线传感器节点是无线传感器网络的基本组成要素。硬件系统以低功耗处理器和无线收发芯片为核心,包含液晶显示器、充电芯片、电量监测芯片、传感器、可扩展接口等,进行了电路原理图、设计以及电路调试。软件系统实现了传感器数据采集、液晶显示、多跳路由、命令侦听、智能电源管理等功能。无线传感器网络定位算法研究。提出了一种基于相对误差的分布式节点定位算法。它根据网络节点一跳范围内邻居数目多少及其相对误差的大小,自适应地选择参与迭代优化的邻居,并通过给相对误差值越小的节点赋予更大权值,来提高定位精度和算法收敛速度。仿真实验显示,与单纯基于跳段数或者测距的权值赋值机制相比,基于相对误差的分布式定位算法具有更高的定位精度、更快的收敛速度和更好的鲁棒性。客户端数据分析与管理软件系统设计。本软件通过汇聚节点与传感器网络进行双向通信,实现了环境信息的自动采集、多方式数据传输、信息的图表显示、查询、统计分析等,特别是通过可视化显示技术,达到系统在易用性与功能的统一。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现不足及下一步研究方向由于时间限制,本论文的研究还存在如下问题系统采用的路由协议存在不够完善的地方。节点的软件程序没有使用数据融合技术。没有对电源管理技术做进一步改进,节点寿命没有达到预期目标。节点定位算法仅进行了仿真,没有经过实际验证。为满足实际需要,可以继续在以下方面开展工作对系统的路由协议进行进一步研究和改进。在节点的软件程序中加入数据融合技术的实现。对电源管理技术进行进一步研究和改进。在实际网络环境中验证和改进节点定位算法。前景展望该课题虽然是探索性研究,其研究成果如果能够的推广应用,必然会提高管理工作效率,降低温室生产盲目性,进一步促进温室作物产量、产值的增长和品种增加和质量的提高。因此而引起的一系列经济效益的提高。通过远程监测系统,利用网络将相关科研成果、温室无线监控管理经验、数据进行示范传播,作为发展中国家应用信息技术发展农业的经验将引起国际组织和各国的兴趣。除了温室生产外,本监测系统经过相应的改动,完全可以应用在其他场景中,如在环保领域,传感器网络可以用于监控某些地区的环境污染情况在智能家居领域,通过将信息家电互联到传感器网络中,可以为人们的居住生活提供一个舒适的环境。总之,基于无线传感器网络的监测系统将在未来生活中发挥重要的作用。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现参考文献【孙利民,李建中,陈渝等,无限传感器网络,清华大学出版社,年安国民,徐世艳,赵化春国外设施农业现状与发展趋势现代化农业一李建中,李金宝,石胜飞传感器网络及其数据管理的概念问题与进展软件学报,,一砰」于海滨,曾鹏,梁烨智能无线传感器网络系统科学出版社唐勇,周明天,张欣无线传感器网络路由协议研究进展软件学报,,一「,,一,一【」,,,,一一,,,·,,一【,,一,,一,一,,一【」,,一'·,一【,一,一【,几,,一,一,,,·,,一【,,一一饮一一, 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现,一【李国华,田辉,崔鸿雁无线传感器网络中一种基于能量策略的路由算法电子与信息学报一【,,【」厂,,,,【,,【,,【,,【」刀【」,,助,,一王福豹,史龙,任丰原无线传感器网络中的自身定位系统和算法软件学报,一二【尚志军,曾鹏,于海斌无线传感器网络节点定位问题计算机科学,。一,,,玩【,,,',一【」,一',,,一【」,,,,,,,玩,,,,一【,助,,,,一 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现致谢衷心感谢导师别红霞副教授对本人的精心指导。在我研究生学习期间,导师给了我很多指导和帮助。感谢中科院计算所网络终端课题组的老师和同学在我的毕业设计期间给我的帮助。感谢实验室其他老师和同学对我的关心和帮助。还感谢我的家人和朋友,他们对我的学业给予了极大的支持和鼓励。 北京邮电大学硕士论文温室无线传感器网络监测系统研究与实现硕士期间发表的学术论文“煤矿瓦斯报警无线传感器网络节点设计与实现”,《电子技术应用》核心学术期刊,年第期,第一作者,署名单位北京邮电大学信息工程学院。
