灌区自动化信息管理系统v1.3.3

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1、本 科 生 毕 业 论 文论文题目 灌区自动化信息管理系统 无线传感器网络汇聚节点的软件设计 作者姓名 单 冯 专 业 年 级 计算机科学与技术04级 学 号 04061126 指导教师 毛 莺 池 评阅教师 二八年六月 中国 南京摘 要针对我国目前农村灌区自动化水平和管理水平都较低，农村用水系统效率低下的问题，本文设计与实现了一个农村灌区自动化信息管理系统。该系统应用无线传感器技术、嵌入式开发技术、数据库技术以及Web服务器技术等，采用最新自行研制的无线传感器采集灌区中的各种水文数据。该系统的应用将为灌溉系统节约成本、提高效率提供良好的平台支持。该农村灌区自动化信息管理系统分为无线传感器网络

2、数据采集子系统、无线传感器网络汇聚节点数据收发和图像采集子系统、信息中心Web服务子系统三个主要部分。其中无线传感器网络数据采集子系统主要进行灌区水文数据采集；无线传感器网络汇聚节点数据收发和图像采集子系统主要进行水文数据收发中转及图像采集；信息中心Web服务子系统向终端用户提供网站服务以便其查询灌区水文数据图像等信息。本文主要工作是灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统的设计与实现。该子软件运行在嵌入式平台上，其功能包括连接数据采集节点子系统和信息中心Web服务子系统、图像采集。在该系统的基础上，实现了系统的扩展，使得该系统的应用不局限于灌区自动化的数据信息处理，而且能够在少

3、量修改的情况下应用于其他领域。具有较大的应用前景。关键词：灌区自动化，无线传感器，图像采集，数据采集AbstractAn information management system on automatic irrigation is introduced in this paper for the purpose of solving the current problem, which include low automation and management levels of the current rural irrigation system, low efficiency of

4、rural water using system. Wireless sensor technology, embedded development technology, database technology and Web server technology are applied in this system. The latest self-developed wireless sensors are used to acquire the hydrological data of the irrigated areas. The application of this system

5、 will surely save costs and improve efficiency for automatic irrigation. The information management system on automatic irrigation is divided into three parts, the wireless sensor network data acquisition subsystems, the wireless sensor network clustering node subsystem, the information centre (Web

6、services server) subsystem.This paper focuses on the design and implementation of the wireless sensor network clustering node subsystem. The subsystem, connecting Wireless sensor network and Information Center Web services server, will run on embedded platform which connected with image acquisition

7、devices.We expand the system, making the system suitable for most other application areas, instead of being used only in the information management system on automatic irrigation. Key words: automatic irrigation; wireless sensor; image acquisition; data acquisition目 录第一章 绪论1一、 研究的背景及意义1二、 无线传感器网络简介1

8、（一） 无线传感器网络结构1（二） 无线传感器网络的特点3三、 本文工作与组织安排4（一） 本文的工作4（二） 本文的组织安排5第二章 相关技术6一、 相关技术6（一） 串口通信6（二） Windows下的图像采集7（三） TCP/IP通信技术8（四） .NET9二、 运行平台简介9第三章 需求分析11一、 灌区自动化信息管理系统简介11二、 子系统划分14（一） 无线传感器网络数据采集与传输子系统14（二） 汇聚节点数据处理及图像采集子系统14（三） 信息中心网站子系统15三、 无线传感器网络汇聚节点软件功能分析15（一） 功能概述15（二） 详细功能需求分析15四、 小结16第四章 系统设

9、计17一、 体系结构17二、 系统功能划分18三、 模块设计19（一） 数据接收模块20（二） 数据查询模块22（三） 数据图形显示模块23（四） 实时监控与图像采集模块26四、 数据库设计26五、 小结27第五章 系统实现28一、 系统界面与数据显示28二、 数据图形显示模块的实现30三、 数据查询模块的实现32四、 实时监控与图像采集模块的实现33五、 系统的可扩展性38第六章 总结41致谢42参考文献43图表索引图 1-1 无线传感器网络结构2图 1-2 无线传感器网络协议栈3图21 平台俯视图9图22 平台安装后的实物图10图31 灌区自动化系统物理结构拓扑图11图32 灌区自动化系统

10、逻辑结构拓扑及各部分通信方式图12图33 灌区自动化系统实体关系图13图34 子系统划分图14图35 汇聚节点数据处理及图像采集子系统的输入输出16图41 软件结构图17图42 系统功能模块图18图43 第一层数据流图19图44 系统模块关系图（第二层数据流图）20图45 数据接收模块流程逻辑图21图46 数据接收模块数据流图 (第三层数据流图)21图47 数据查询模块流程逻辑22图48 数据查询模块数据流图 (第三层数据流图)23图49 坐标轴转换示意图24图410 数据图形显示模块流程逻辑25图411 函数“根据数据表绘制折线图”流程图25图412 数据图形显示模块数据流图 (第三层数据流

11、图)25图413 实时监控与图像采集模块数据流图 (第三层数据流图)26图51 软件初始界面28图52 程序的主要菜单29图53 点击“开始显示”按钮后的试图29图54 数据图形显示的界面30图55 折线图绘制展示图31图56 数据查询模块点击“所有历史记录”后的视图32图57 日期选择33图58 实时监控与图像采集模块的一般界面34图510 在视频格式窗口中设置分辨率和像素深度35图511 成功设置分辨率后，视频图像变小35图512 添加更多图像采集设备36图513 静态图片的获取和发送36图514 首次使用与重置数据库流程39V河海大学学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论一、 研究的背景

12、及意义水资源严重缺乏和水旱灾害频繁是我国的国情。我国农业用水量约占总用水量的80左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45，而水资源利用率高的国家已达70 80，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。然而，现有的灌区自动化系统存在一些明显不足：(1)通信技术大多采用串行总线技术和现场总线技术等有线通信技术。虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但是

13、实际的应用环境具有长期高温、潮湿，土壤及空气具有较高的酸碱性等特点，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性。(2)传感器大多工作在有线方式。在实际的农业生产应用时，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致农业设施内部线缆纵横交错，系统安装及维护成本急剧增加。这两个因素，极大地限制了成果在生产实际中的推广应用。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是一种新兴的计算模式，是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式、相互传递信息、协同地完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布

14、式信息处理技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境或检测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。将WSN技术用于灌区自动化，能够有效克服现有灌区自动化系统中许多缺点。二、 无线传感器网络简介（一） 无线传感器网络结构1. 无线传感器网络体系结构一个典型的无线传感器网络结构主要包括传感器节点（sensor node）、汇节点（sink node）、和任务管理节点，如图1.1所示1。图 一-1 无线传感器网络结构通过随机部署或确定部署的方式将大量传感器节点分布在监测区域内，通过自组织方式形成多跳无线通信网络。传感器节点负责本地数据采集和处理，并沿某条路径将数据多跳转

15、发到汇节点，最后再由汇节点通过Internet或卫星网络将数据传送给任务管理节点。汇节点的处理能力、存储能力和通信能力相对传感器节点较强，一般没有能量的限制。任务管理节点是传感器网络用户，负责从无线传感器网络中获取所需要的监测数据，同时对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务。2. 无线传感器网络协议结构无线传感器网络的协议体系结构由网络协议栈、传感器网络管理及应用支撑技术3部分组成，如图1.2所示7。网络协议栈结构类似于TCP/IP协议体系结构。传感器网络管理技术主要是对传感器节点的管理及用户对传感器网络的管理，网络管理贯穿于整个协议栈，使得节点能够能量高效的、协同工作，完成监测任务。在

16、网络协议栈和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。（1）网络协议栈网络通信协议栈由物理层、数据链路层（MAC子层）、网络层、传输层和应用层组成。物理层提供简单但鲁棒的信号调制和无线收发技术；链路层负责数据成帧、信道访问控制、冲突监测及差错控制；网络层解决能量感知的路由的生成和选择、拓扑控制、网络互连；传输层则负责数据流的传输控制；应用层由一系列与应用相关的软件组成。（2）网络管理技术能量管理主要负责控制节点对能量的高效使用，贯穿了网络协议栈各个层次；拓扑管理负责保持网络连通与覆盖，以及数据有效传输；网络管理负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口；QoS支持负责为应用程

17、序提供足够的资源，使无线传感器网络以用户接受的性能指标工作，通信协议中的链路层、网络层和传输层都可以根据用户需求提供QoS支持；移动控制负责监测和控制节点的移动，使节点能跟踪其邻居并维护其间路由信息。（3）网络应用支撑技术无线传感器网络的应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持，包括时间同步、节点定位及为用户提供应用服务接口。图 一-2 无线传感器网络协议栈在无线网络中，无线介质的不稳定性使得网络动态性更强，各层之间具有较强的相关性，仅仅单独对某一层的优化满足不了系统的需求。在无线传感器网络中，优化目标不仅仅体现在一层中，因此，无线传感器网络协议栈设计需要跨层设计（Cross-layer D

18、esign）8，即利用层间交互的信息对目标进行优化设计，从而使得系统以较小的代价得到较高的效率。从图1.2可以看出，无线传感器网络协议体系结构结合了跨层优化设计思想（Cross-layer Design）8，各层之间不再相互独立。如能量管理贯穿了整个协议栈；拓扑控制利用物理层、链路层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，提高协议的执行效率，减少能量消耗；QoS负责网络服务质量的保证，提供优先级机制、服务区分机制等；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。（二） 无线传感器网络的特点无线传感器网络与传统的无线网络（如WL

19、AN和Ad Hoc网络）有着不同的设计目标，传统的无线网络设计遵循“端到端”（end to end）的思想，以传输数据为目的，强调一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发。而WSNs则是以数据为中心，网络中的节点不仅要参与数据分组的转发，还要进行相关的数据采集、数据融合与处理等任务，“端到端”的概念被弱化了，此时一端为汇节点，另一端是一组相关的传感器节点。因此，传统无线网络的首要设计目标是在移动的环境中通过优化路由和资源管理策略来提高带宽利用率，其次才考虑节约资源等目标。而无线传感器网络中大部分节点是静止的，往往运行在人无法接近的恶劣环境中，能源无法得到补充或再

20、生，其首要设计目标是能量的高效使用以延长网络的生命周期9。一般来说，无线传感器网络具有如下一些特点4,7,10,11：（1）网络规模大为了提高网络的可靠性，通常在目标区域内部署大量传感器节点，点数量可能达到几百、几千甚至更多。大规模、密集部署的网络一方面可以增大网络监测区域的覆盖率、提高监测精确度。（2）高冗余节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余，网络链路冗余以及采集的数据冗余，从而使得系统具有很强的容错能力。（3）自组织传感器节点通常部署在没有通信基础设施的环境中，节点通过分布式网络协议形成自组织网络，并能够自动调整以适应节点移动、加入和退出等、节点能量及无线传输范围的变

21、化等。（4）网络动态性强除了节点移动带来的网络拓扑变化外，环境因素或者节点能量耗尽等因素可能导致的节点失效，环境条件变化造成的无线通信链路变化，为增强监测精度而新加入节点，节点的功率控制，节点进入休眠状态等均可能造成动态网络拓扑结构。无线传感器网络必须具有很强的健壮性和自适应性。（5）以数据为中心无线传感器网络是一个以数据为中心的网络，用户并不关心具体哪些节点返回的信息、也不关心哪些节点参与了信息的处理或转发，只需要得到所需的数据信息。因此，无线传感器网络以数据本身作为查询和结果的思想更接近于自然语言交流的习惯。（6）应用相关无线传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息。而物理世界的

22、多样性决定了网络应用的多样性。不同的应用背景将导致硬件平台、软件系统和网络协议必然存在很大差别。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，是无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。三、 本文工作与组织安排（一） 本文的工作本文设计与实现了一个农村灌区自动化信息管理系统，并且重点介绍该灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统的设计与实现。（二） 本文的组织安排第一章(本章) 论述本论文的选题背景，所做工作的意义，介绍了无线传感器网络的基本概念。介绍本文所做的工作和文章组织安排。第二章介绍该灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统中使用的相关技术，介绍了该子系统运行的

23、平台信息。第三章介绍了该灌区自动化信息管理系统的总体概况，然后对无线传感器网络汇聚节点子系统做了需求分析。第四章对无线传感器网络汇聚节点子系统做了详细的体系结构分析，模块划分，并且对每个模块进行了分析和设计。第五章主要是对系统实现结果进行展示，给出了许多系统运行截图，并且详细讲述了系统进的可扩展性。第六章对本文所做的工作做一个总结。5河海大学学士学位论文 第二章 相关技术第二章 相关技术本章重点介绍灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统中使用的相关技术，并且介绍了该子系统运行的平台等信息。一、 相关技术（一） 串口通信串口是计算机上一种通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基

24、于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念是，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。IEEE488定义并行通行状态时，规定串口通信设备长度可达1200米。 典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：地线，发送，接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通

25、信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配： 1. 波特率：该参数衡量通信速度。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。 2. 数据位：该参数衡量通信中实际数据位。当计算机发送一个信息包，实

26、际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127（7位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。 3. 停止位：该参数表示单个包的最后一位。典型的值为1、1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用

27、于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。 4. 奇偶校验位：该参数表示在串口通信中的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步（二） Windows下

28、的图像采集根据MSDN上的介绍，Windows下进行图像采集编程包括如下几个主要步骤，这些步骤中都使用Windows的API函数：1. 创建视频捕捉窗口（Creating a Capture Window）说明：使用了API函数capCreateCaptureWindow函数声明如下：HWND VFWAPI capCreateCaptureWindow( LPCSTR lpszWindowName, DWORD dwStyle, int x, int y, int nWidth, int nHeight, HWND hWnd, int nID);2. 连接到视频采集驱动（Connecting

29、to a Capture Driver）说明：使用了API函数SendMessage (hWndC, WM_CAP_DRIVER_ CONNECT, 0, 0L);3. 列举安装了的视频采集驱动（Enumerating Installed Capture Drivers ）说明：本步中关键是使用了函数capGetDriverDescription。用法举例：char szDeviceName80;char szDeviceVersion80;for (wIndex = 0; wIndex 10; wIndex+) if (capGetDriverDescription (wIndex, szD

30、eviceName, sizeof (szDeviceName), szDeviceVersion, sizeof (szDeviceVersion) / Append name to list of installed capture drivers / and then let the user select a driver to use. 其中，capGetDriverDescription函数的声明如下：BOOL VFWAPI capGetDriverDescription( WORD wDriverIndex, LPSTR lpszName, INT cbName, LPSTR l

31、pszVer, INT cbVer );4. 预览视频（Previewing Video）说明：本步中主要使用了capPreviewRate函数和capPreview函数两函数的函数声明如下：BOOL capPreviewRate(hwnd,wMS);BOOL capPreview(hwnd,f);5. 保存静态图像说明：本步中主要使用了capFileSaveDIB函数，其函数声明如下：BOOL capFileSaveDIB(hwnd,szName);（三） TCP/IP通信技术TCP/IP通信协议，包含了在internet上的网络通信的标准，以及一组网络互联的协议和路径选择算法，TCP是传输

32、控制协议，保证在传输中不会丢失；IP是网络协议，保证数据被传到指定的地点。（四） .NETVisual Studio.NET是.NET平台下最为强大的开发工具，无论是软件服务商，还是企业应用程序的部署与发布，Visual Studio.NET都可以提供近乎完美的解决方案。Visual Studio.NET提供了包括设计、编码、编译调试、数据库联接操作等基本功能和基于开放架构的服务器组件开发平台、企业开发工具和应用程序重新发布工具以及性能评测报告等高级功能。二、 运行平台简介本文重点介绍的灌区自动化信息管理系统的汇聚节点数据处理及图像采集子系统，运行在采用Intel处理器的单板电脑上，该单板电脑

33、是由研祥智能科技股份有限公司提供。该平台的最大特点之一是Intel Core Duo处理器处理器，这是一款双核处理器。图二1 平台俯视图图二2 平台安装后的实物图我们在这个开发平台上安装了windows XP操作系统，使用VS.NET2005编程工具。43河海大学学士学位论文 第三章 需求分析第三章 需求分析一、 灌区自动化信息管理系统简介灌区自动化信息管理系统的目的是采集数个目标地点的雨量、水位、闸位等信息，并将采集到的数据发送到信息中心，以提供给用户查询，由此做出决策。此外，灌区自动化信息管理系统还可以提供多个地点的图像或视频信息，便于用户直观的观察这些地点的事物变化情况。灌区自动化信息管

34、理系统在硬件上分为三个层次：无线传感器网络、无线传感器汇聚节点、信息中心。无线传感器网络由自行研制的无线传感器组成。主要进行数据采集。无线传感器汇聚节点是嵌入式平台，主要将收集到的数据通过TCP/IP协议传输给信息中心，同时也进行图像采集和发送。信息中心实际上是一台Web服务器，它以网页的形式向终端用户提供信息查询。整个系统的拓扑图3-1所示：图三1 灌区自动化系统物理结构拓扑图从图3-1中可以看出，在无线传感器网络中，多个无线传感器数据采集节点，将采集到的数据发送个一个无线传感器汇聚节点；多个无线传感器汇聚节点又将数据发送到信息中心。多个终端用户可以同连到网站服务器上查询和读取信息。从而实现

35、了整个系统。在此基础上，给出系统的逻辑拓扑图3-2：图三2 灌区自动化系统逻辑结构拓扑及各部分通信方式图从图3-2中，可以看出，在无线传感器网络中的数据采集节点采集到数据之后，通过无线传输，将数据发送给无线传感器的数据接收节点，数据接收节点上有微处理器，将数据经过简单的处理之后，再将数据通过串口发送个汇聚节点。这里的汇聚节点是一个嵌入式平台。这个嵌入式平台运行操作系统，它将串口接收到的数据通过以太网发送给信息中心。同时，汇聚节点平台也获取连接在其上的图像采集设备采集的图像信息，将这些图像信息在平台本地显示，以及发送个信息中心。信息中心接收到通过以太网传输过来的数据和图像之后，将其存放在数据库中

36、。终端用户通过浏览器登陆之后，就可以查询想要的数据，查看图像，以及数据绘制成折线图等。由此可见，无线传感器网络中的数据采集节点是数据传输的起始，终端用户是数据传输的结束。数据在传输过程中经过：无线传感器网络的数据接收节点、汇聚站点嵌入式平台、信息中心Web服务器。数据在传输过程中使用了多种传输方式：无线传输、串口传输、USB传输、TCP/IP传输。在此基础上，进一步给出系统的实体关系图3-3 (E-R图)：图三3 灌区自动化系统实体关系图综上所述，给出系统各部件简要信息表3-1表三1 系统各部件简要信息表功能硬件承载者数量无线传感器网络中的数据采集节点通过雨量传感器和水位传感器获取水位、闸位、

37、雨量等值，再通过无线协议把数据传输给接收节点无线传感器节点众多无线传感器网络中的数据接收节点是多个数据采集节点的中心，它专门负责接收数据采集节点的数据，并将这些数据发送给汇聚节点无线传感器节点多个汇聚节点主要负责将数据接收节点发送来的数据发送给信息中心，同时，它还担负着图像信息采集的任务嵌入式平台多个信息中心与最终用户交互，将数据信息和图像信息有序的展现给用户Web服务器1个二、 子系统划分根据功能分析，将该灌区自动化系统分为三个子系统：无线传感器网络数据采集与传输子系统、汇聚节点数据处理及图像采集子系统和信息中心网站子系统。子系统划分如图3-4所示。图三4 子系统划分图（一） 无线传感器网络

38、数据采集与传输子系统该子系统主要进行数据的采集与传输。该子系统由若干个无线传感器节点组成，这些无线传感器节点功能各有不同。主要分为两种：数据采集节点和数据接收节点。数据采集节点的功能主要是：进行数据采集。它通过其上的传感器接口，可以接收传感器传来的数据。接收到传感器传来的数据之后，将数据简单处理之后通过无线发送给数据收集节点。 数据收集节点的主要功能是：将数据采集节点采集到的数据有序的发给汇聚节点平台进行进一步处理。本节点是与它连接数据采集节点对外的“发言人”。该节点通过无线与其他数据采集节点通信，在通过串口与嵌入式汇聚节点平台进行通信。（二） 汇聚节点数据处理及图像采集子系统该子系统主要处理

39、串口收到的数据和采集图像信息并发送个信息中心。该子系统，可分为数据收发、图像采集与发送、本地显示等几个部分。数据收发是该子系统的功能之一。无线传感器网络中的数据收集节点通过串口发送来数据，这些数据必须按照一定格式发送给信息中心。图像采集与发送是该子系统的功能之一。将USB图像采集设备采集到的图像信息通过TCP/IP协议发送给信息中心。本地显示是该子系统的功能之一。除了将数据发送给信息中心，同时，我们也需要本地的显示和数据查询：显示接收到的数据的折线图，显示采集到的图像甚至实时视频，查询历史数据。（三） 信息中心网站子系统该子系统主要提供web服务，用户在任何地方使用浏览器通过互联网访问网站，来

40、获取无线传感器的数据信息，也可以查询历史数据，查看数据折线图，查看采集的图像信息，生成数据报表等。信息中心的数据都由汇聚节点平台发送。该子系统是灌区自动化系统的对外的接口，它提供的图像界面是整个系统与用户交互的平台。三、 无线传感器网络汇聚节点软件功能分析本文设计并实现了汇聚节点数据处理及图像采集子系统，即汇聚节点数据处理及图像采集子系统，以下是对汇聚节点数据处理及图像采集子系统的分析。（一） 功能概述汇聚节点数据处理及图像采集子系统运行在嵌入式平台上，其功能包括连接数据采集节点子系统和信息中心Web服务子系统、图像采集。详细有：1. 将无线传感器接收的数据转发给信息中心2. 将图像采集设备采

41、集的图像信息转发个信息中心3. 在本地显示收到的数据4. 在本地显示采集到的图像信息（二） 详细功能需求分析 为了更好的编制软件，在需求分析阶段，必须明确详细的功能需求，以下就是该子系统的详细功能分析：1. 为了体现无线传感器网络的灵活行，汇聚节点平台应具有一定的便携性2. 当无线传感器网络采集的数据到来是，应及时反应3. 为了便于用户查询和观察，应能将数据绘制成折线图显示4. 每当数据到来时，显示的数据表应该能够自动更新5. 每当数据到来时，折线图应该能够自动更新6. 应能将采集到的数据及时发送到信息中心7. 为了使用网络给信息中心传输数据，应该具有操作系统，支持TCP/IP协议8. 应该能

42、够进行方便灵活的历史数据查询9. 应能将图像采集设备采集的图像实时显示10. 应该能够获取静态图片信息，将静态图片传输到信息中心11. 为了实际应用，汇聚节点应可以同时接多个图像采集设备12. 最好能使系统与数据库存储的数据结构无关汇聚节点数据处理及图像采集子系统的输入输出见图3-5。图三5 汇聚节点数据处理及图像采集子系统的输入输出四、 小结本章首先介绍了该灌区自动化信息管理系统的拓扑结构，以及系统各部分的通讯方式；然后介绍了该系统的子系统划分，详细说明了每个子系统的功能；最后，对汇聚节点数据处理及图像采集子系统做了详细的需求分析，为下一章的系统分析最好了准备。河海大学学士学位论文 第四章

43、系统设计第四章 系统设计本章着重分析汇聚节点数据处理及图像采集子系统，即灌区自动化信息管理系统汇聚节点软件，给出了该软件的系统设计。一、 体系结构通过之前的需求分析，该软件可分为四个模块，软件的结构图如图4-1所示。该系统结构图中标明了数据的流向。图四1 软件结构图 图4-1中标明了数据的流向。数据接收模块只进行数据的接收，它把接收的数据发送到数据库当中；数据查询模块只接收要查询的时间段的数值，模块自行查询数据库并将查到的数据返回给用户界面显示；数据图形显示模块接收数据库查询到的数据表，该模块将这张数据表中的数据按照最佳的比例绘制折线图显示；实时监控与图像采集模块接收图像采集设备控制参数，模块

44、获取到图像信息之后将其返回给控制部分。在对需求进一步理解之后，系统功能被进行了进一步的细化，绘制出一张系统的详细功能模块图，见图4-2：图四2 系统功能模块图二、 系统功能划分 灌区自动化信息管理系统汇聚节点软件的第一层数据流图如图4-3所示。系统接收无线传感器网络传输的数据信息和USB图像采集设备传输的图像信息，系统将这些信息进行处理之后，将处理过的数据和图像信息发往信息中心，将需要显示的内容进行显示。图四3 第一层数据流图 本系统可分为数据接收模块、数据查询模块、数据图形显示模块、实时监控与图像采集模块，各模块的功能分解如下：(一) 数据接收l 监听串口数据l 将接收到的串口数据存入数据库

45、l 将数据发送到信息中心l 通知总控程序数据到来(二) 数据查询l 查询所有历史数据l 按照时间段查询历史数据l 当串口数据到来时，能动态更新显示(三) 数据图形显示l 根据用户的要求，将数据绘制成折线图显示出来l 当串口数据到来时，能动态重绘折线图，并显示出来(四) 实时监控与图像采集l 实时视频图像显示l 支持多个图像采集设备l 静态图像采集l 静态图像保持成图片文件l 给信息中心发发送图片文件三、 模块设计在进行详细模块设计之前，必须明确各个模块之间的关系、每个模块在系统中的地位、每个模块各自的输入和输出。在明确了这些问题之后，进行了整体规划，设计出来的软件才能很好的满足需求。在所有问题

46、中，明确模块之间的关系是第一重要的，图4-4是系统的模块关系图，也是系统的第二层数据流图：图四4 系统模块关系图（第二层数据流图）（一） 数据接收模块1. 模块描述该模块用于监听串口数据，当串口有数据到来时，进行相应的操作。2. 功能a) 监听串口数据b) 将接收到的串口数据存入数据库c) 将数据发送到信息中心d) 通知总控程序数据到来3. 性能在监听串口数据时，当没有时，进入挂起状态，当数据到来是被唤醒。所以，其性能是非常好的。4. 输入项该模块的输入主要是串口数据5. 输出项a) 更新数据库b) 发送给信息中心c) 对总控程序的通知6. 流程逻辑图四5 数据接收模块流程逻辑图7. 数据流图

47、图四6 数据接收模块数据流图 (第三层数据流图)8. 存储分配该模块将接收到的数据及时存到数据库中。（二） 数据查询模块1. 模块描述该模块实现与用户的交互，执行用户发出的数据查询命令。2. 功能a) 查询所有历史数据b) 按照时间段查询历史数据c) 当串口数据到来时，能动态更新显示3. 输入项输入项主要是用户的输入，用户可以选择查询：所有历史数据、任何一年的数据、任何一个月的数据，任何一天的数据。4. 输出项将查询到的结果显示给用户。5. 流程逻辑图四7 数据查询模块流程逻辑6. 数据流图图四8 数据查询模块数据流图 (第三层数据流图)7. 存储分配所有数据都从数据库中查询得来。（三） 数据

48、图形显示模块1. 模块描述无线传感器收集到的都是数据，而用户一般都希望看到直观的图形，该模块就是将数据绘制成图像，再显示给用户。2. 功能a) 根据用户的要求，将数据绘制成折线图显示出来b) 当串口数据到来时，能动态重绘折线图，并显示出来3. 性能绘制图像使用自己写的函数，相比使用绘图控件，自己写的程序有更大的灵活性、和更小的代码冗余性，执行更快，性能更好。4. 输入项用户只要给定开始日期时间，和结束日期时间，该模块就能自动查询数据库，取出数据，进行折线图的绘制，并最终展现给用户。5. 输出项绘制好的折线图6. 算法在绘制折线图时，关键的问题是将数据库中查得的数据值转换成在图片上的坐标值。在图

49、片坐标轴中原点在右上角，如下图所示。在图(a)中，坐标系统xoy代表图片的坐标，而坐标系统XOY代表实际数据的坐标。现在我们的目的就是要将坐标系统XOY中的点坐标(a.b)转换为坐标系统xoy中的(x,y)在图(b)中，我们更详细的给出了已知点的对照关系，即：坐标系统XOY中的点坐标(minX,maxY) 与 为坐标系统xoy中的点坐标(left,top) 对应；坐标系统XOY中的点坐标(maxX,minY) 与 为坐标系统xoy中的点坐标(right,bottom) 对应。(a) (b)图四9 坐标轴转换示意图于是，我们可以列出两个坐标系的比例关系公式(4.1)： (4.1)化简该公式，即可

50、得到最终的将坐标系统XOY中的点坐标(a.b)转换为坐标系统xoy中的(x,y)的公式(4.2)： (4.2)7. 流程逻辑图四10 数据图形显示模块流程逻辑图四11 函数“根据数据表绘制折线图”流程图8. 数据流图图四12 数据图形显示模块数据流图 (第三层数据流图)9. 存储分配该模块用到的数据都是从数据库中取得，绘制好的折线图保持成图片文件，保存到本地硬盘中。（四） 实时监控与图像采集模块1. 模块描述该模块负责图像采集、显示及发送。2. 功能a) 实时视频图像显示b) 支持多个图像采集设备c) 静态图像采集d) 静态图像保持成图片文件e) 给信息中心发发送图片文件3. 性能使用WIND

51、OWS提供的图像采集设备启动程序API，所以该模块的性能有WINDOWS提供保障。4. 输入项图像采集设备采集的图像5. 输出项动态视频、静态图片以及给信息中心的图片发送。6. 数据流图图四13 实时监控与图像采集模块数据流图 (第三层数据流图)四、 数据库设计在该系统中，数据库的作用是不可替代的。四个模块中的三个：数据接收模块，数据查询模块，数据图形显示模块都用到了数据库。该系统中由于数据表比较简单，涉及到的数据库的功能也比较单一，所以SQLSever2005Express版本被选择作为该系统的后台数据库。具体数据表定义如表4-1所示：表四1 接收信息数据表定义列名数据类型默认额外说明可否为

52、空rcvdatetimeDATETIMENowunique接受到的日期NOT NULLsluiceHINT-闸位NULLwaterHINT-水位NULLrainfallINT-雨量NULL五、 小结本章着重分析了灌区自动化信息管理系统汇聚节点软件，给出了该软件的系统结构，并且对该系统进行了模块划分，对每个模块进行了详细的设计，还对数据库的设计进行了设计。河海大学学士学位论文 第五章 系统实现第五章 系统实现本章对系统实现结果进行展示，给出了许多系统运行截图，并且详细讲述了系统进的可扩展性。一、 系统界面与数据显示该系统采用VS.NET2005程序开发平台制作，使用Visual Basic 20

53、05编程语言。界面如图5-1所示：图五1 软件初始界面程序的主要菜单如图5-2所示：图五2 程序的主要菜单当用户点击“开始显示”按钮之后，将显示系统本地数据中的所有的数据，并且，当串口有新的数据到来时，将会动态添加显示在表格里，如图5-3所示：图五3 点击“开始显示”按钮后的试图这时，如果无线传感器网络传来数据，界面能够自动更新，动态显示数据信息。在程序中，使用的连接数据库的连接字符串是：Server=(local)sqlexpress; DataBase=AutomatizeIrrigation; Integrated Security=SSPI在程序中使用SQL语句查询数据库，以下是一个自

54、定义函数，可以执行SQL语句，并且返回该SQL语句执行之后的返回数据集合，该函数需要传入数据库的连接字符串。Public Function ExecuteSQLandReturnDataSet(ByVal sqlstr As String, ByVal connectionstring As String) Dim ds As New DataSet() Dim cmd As New SqlCommand(sqlstr, New SqlConnection (connection string) Dim da As New SqlDataAdapter(cmd) da.Fill(ds) Exe

55、cuteSQLandReturnDataSet = dsEnd Function二、 数据图形显示模块的实现数据图形显示界面如图5-4所示：图五4 数据图形显示的界面当用户单击了“过去一年”、“过去一个月”、“过去一天”中的任意一个按钮之后，程序便自动到数据库中查询对应的数据，并把它用折线图的形式表现出来。绘制出来的折线图如图5-5所示：图五5 折线图绘制展示图当用户点击三个按钮中的任何一个时，程序都会绘制出两张折线图，一张是水位折线图，一张是雨量折线图。以下代码进行坐标转化，是数据图显示模块中的关键代码： Dim Points(count - 1) As Point For i = 0 To

56、 count - 1 Points(i).X = GridLeft + _ (dataToDraw.Rows(i).Item(0).Ticks - minX) / _ (maxX - minX) * _ (GridRight - GridLeft) Points(i).Y = GridBottom - _ (dataToDraw.Rows(i).Item(1) - minY) / _ (maxY - minY) * _ (GridBottom - GridTop) Next g.DrawLines(mypen2, Points)需要指出的是，显示的折线图可以根据最新到来的数据实时更新的。这一功

57、能的实现，主要得益于数据接收模块在得到新数据时对总控程序的通知。三、 数据查询模块的实现 数据查询模块点击“所有历史记录”后的视图如图5-6所示：图五6 数据查询模块点击“所有历史记录”后的视图图五7 日期选择如图5-7所示，在用户选择了日期之后，用户再单击“站点年查询”、“站点月查询”、“站点日查询”三个按钮，含义都是查询选择的日期当年、当月、当日的数据信息。以下是根据用户填写的查询信息，动态生产数据库查询语句的代码：sqlStatement = sqlStatement + from + DBtableName & _ where YEAR( + DBrcvdatetime + )= _+

58、 DateTimePickerQ.Value.Year.ToString + and _+MONTH( + DBrcvdatetime + )= _+ DateTimePickerQ.Value.Month.ToString + and _+DAY( + DBrcvdatetime + )= _+ DateTimePickerQ.Value.Day.ToString四、 实时监控与图像采集模块的实现图5-8是实时监控与图像采集模块的一般界面：图五8 实时监控与图像采集模块的一般界面对于图像的分辨率，像素深度等视频格式，都可以进行设置。下图反应了这个设置的过程。(a)设置分辨率 (b)设置像素深度图五9 在视频格式窗口中设置分辨率和像素深度成功设置分辨率后，视频图像变小了！图五10 成功设置分辨率后，视频图像变小此外，程序还能添加更多图像采集设备，如图5-12所示：(a)选择要添加的图像采集设备 (b)添加成功后的界面图五11 添加更多图像采集设备由于被观察的闸门开闭速度和频率不会很大，所以一般而言不需要实时视频采集。于是获取静态图片，并将获取到的静态图片发生到信息中心，供终端用户查询。图5