毕业设计（论文）基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计

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1、武汉理工大学 本科生毕业设计（论文） 基于无线传感器网络的 温湿度数据监测系统设计 学院（系）： 信息工程学院 专业班级： 电子信息工程 0706 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅

2、。本 人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 本科生毕业设计（论文）任务书 学生姓名 专业班级 电信 0706 班 指导教师 工作单位 武汉理工大学信息工程学院 设计（论文）题目：基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计 设计（论文）主要内容： 1、了解无线传感网络的原理和机制； 2、对设计题目所涉及理论进行阐述； 3、编写相关的网络协议程序并

3、进行注释； 4、设计相应的数据采集硬件电路； 5、对所设计的内容进行软件仿真并进行调试改进； 6、撰写设计后的心得体会。 要求完成的主要任务： 1、完成无线传感器网络的温湿度数据监测系统软件和硬件设计； 2、完成英文资料翻译，英译汉字数要求 5000 字以上； 3、论文中所用参考文献不少于 25 篇，其中英文资料不少于 9 篇； 4、毕业设计论文中要有 12 幅以上电路图和设计图； 5、完成毕业设计论文，字数不少于 12000 字。 必读参考资料： 1.无线传感器网络 孙利民， 李建中， 陈渝 ， 朱红松 清华大学出版社 2005 2.无线传感器网络原理与应用 李善仓，张克旺 机械工业出版社

4、2008 3 数据采集与处理技术 马明建 西安交通大学出版社 2005 指导教师签名 系主任签名 院长签名（章） 武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应 用于 GF 军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信 息化建设等领域。无线传感器网络(WSNs)是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节 点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D 转换器)、数据处理和控制模块 (微处理器、存储器) 、通信模块(无线收发器) 和供电模块(电池、DC

5、/AC 能量转换器)等组 成。近期微电子机械加工(MEMS)技术的发展为传感器的微型化提供了可能，微处理技术 的发展促进了传感器的智能化，通过 MEMS 技术和射频(RF)通信技术的融合促进了无线 传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化， 正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)智能传感器 (Smart Sensor) 嵌入式 Web 传感 器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。 国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统 (Remote Battlefield Sensor Syst

6、em，简称 REMBASS -伦巴斯)、网络中心战(NCW)及灵巧 传感器网络(SSW) 、智能尘(smart dust)、Inte Mote、Smart -Its 项目、SensIT、SeaWeb、 行为习性监控(Habitat Monitoring)项目、英国国家网格等。尤其是今年最新试制成功的低 成本美军“狼群 ”地面无线传感器网络标志着电子战领域技战术的最新突破。俄亥俄州正在 开发“沙地直线 ”(A Line intheSand)无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子绊网 (tripwires)到任何地方，以侦测运动的高金属含量目标。民用方面，美日等发达国家在对 该技术不断研发的基础

7、上在多领域进行了应用。 我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999 年首次正 式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告 中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001 年 中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该 中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括 上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所， 初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器 节点、簇点和应用系统等方

8、面取得很大的进展，2004 年 9 月相关成果在北京进行了大规 模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器 网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南 开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上 海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中 兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。 传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家 居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发 展的势头。北京鼎天软件

9、有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承 担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工 程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字 航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。 沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政 务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。目前在我国国内的农业领域还没有应用到 ZigBee 技术。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依 靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和 ZigBee 网络以后，农

10、业将可以逐渐地转向 以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设 备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH 值、降水量、温度、空气湿度和 气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传送到中央控制设备供农 民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物 的产量。 2、基本内容和技术方案 在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介 绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采 用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参

11、数，建立 多跳自组网，并利用ZigBee 无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控终 端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温室 中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。 本文主要研究内容 1 传感器节点硬件和软件系统的研究 传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推 出的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺 点。 针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电 路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和

12、串口，能够节省大量费用，方便 无线传感器网络爱好者自行研制节点。 2 终端监控管理软件的设计 无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点， 网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算 机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是 各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑 监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等； 做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等。 目前，此类工具中最具代表性的是Cros

13、sbow公司的 MoteView，但其最大缺点就是扩 展性差。无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了 无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控 中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信 息。 温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自 动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统 时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能： 1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查 询获知温室内的农作物生长环境； 2

14、)无线传感器节点适应露天环境长期工作： 3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不 相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定： 4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管 理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易 于使用： 5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户， 从而采取相应措施。 3、进度安排 1-3 周 完成开题报告以及任务书； 4-6 周 完成英译汉，字数不少于 5000 字； 7-10 周 对所选题目进行研究分析，着手进

15、行系统硬件和软件设计； 11 周 进行中期检查； 12-13 周 完成整体电路调试并完成论文初稿的撰写； 14-15 周 完成论文撰写并准备论文答辩。 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目 录 摘 要 .I Abstract.III 1 绪论 .1 1.1 课题的背景、目的与意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.2.1 无线传感器网络技术研究现状 .1 1.2.2 温室测控系统研究现状 .3 1.3 本课题研究主要内容及论文组织结构 .3 1.3.1 本文主要研究内容 .4 1.3.2 本论文的组织结构 .4 2 温室温湿度监测系统设计方案 .5 2.1 系统设计目标及技术

16、指标 .5 2.1.1 系统功能特点 .5 2.1.2 技术指标 .5 2.1.3 节点硬件平台和软件系统 .5 2.2 系统体系结构 .6 2.3 方案描述及工作流程 .7 3 传感器节点的硬件及软件系统 .8 3.1 硬件总体结构 .8 3.2 主要元器件 .9 3.2.1 处理器 ATMEGA 128L .9 3.2.2 无线芯片 CC2420 .10 3.2.3 传感器模块 .11 3.2.4 电源管理模块 .12 3.4 TinyOS 操作系统概述 .13 3.4.1 TinyOS 体系结构 .13 3.4.2 NesC 语言 .13 4 温湿度监测软件系统设计及实验测试 .15 4

17、.1 软件开发环境介绍 .15 4.1.1 LabVlEW 简介 .15 4.1.2 MoteWorks 软件平台 .15 42 系统软件组成 .16 43 软件开发关键技术 .17 4.3.1 数据格式 .17 4.3.2 连接中间件 Xserve .17 4.3.3 数据的解析和转换 .18 4.3.4 程序流程图和后面板程序 .20 4.4 软件界面及功能介绍 .22 45 实验测试 .23 5 总结与展望 .25 5.1 主要成果与结论 .25 5.2 本论文不足及进一步研究方向 .25 5.3 前景展望 .25 参考文献 .26 致谢 .29 I 摘 要 在现代化大型温室中，实现测控

18、系统的无线化和网络化是目前该领域研究的重要课 题之一。为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测量等问题，将无线传感器网 络技术应用到温室温湿度测控系统中，实现现代化温室的网络信息化管理，对提升温室 等设施农业生产水平具有重要意义。 论文首先论述了温室无线传感器网络应用系统的研究方案，给出了系统的软硬件平 台设计要求。在此基础上，主要研究了以低功耗处理器ATmegal28L、无线芯片CC2420和 温湿度传感器SHTl5为核心的传感器节点的硬件设计和TinyOS操作系统的移植问题。 为了实时获取无线传感器网络数据，介绍了在LabVIEW下开发无线传感器网络后台管 理软件的方法。该软件通过连接

19、中间件XServe提供的标准通用数据接151，读取XML Socket来获取实时的无线传感器网络数据。从而实现终端监控系统的可视化显示，方便 用户的管理。 关键词：无线传感器网络；温室；温湿度；数据融合；LabVIEW II Abstract In modem large-sized greenhouse，one of the key research subjects is to rise wireless measurement networkAdopting wireless sensor network technology,the greenhouse monitoring syst

20、em can solves some problems existing in cable network and manual measurement，realizes network information automatic management，and improve the level offacility agricultural production Firstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses the research

21、 scheme of greenhouses monitoring system based onwireless sensor networkOn this basis，the research focuses on the hardware design of thenode system which takes temperature and humidity sensor,AVR ATmega l 28 L and CC2400 asthe components，and the transplantation of TinyOS operating system in order to

22、 obtain the realtime data by wireless sensor network，a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wireless sensor network in LabVIEWThe software reads XM L socket to obtain wireless sensor network data that through standardgeneral interface provided by middlewareConsequently,

23、the system visual management canbe convenient realized Keywords：Wireless sensor networks；Greenhouse ；Temperature and Humidity；Date fusion；LabVIEW 1 1 绪论 1.1 课题的背景、目的与意义 我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室每年以新增 100150公顷的面积快速发展。引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获 得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向 1。然 而，目前的温室测控系统大多采用

24、有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率 偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此 外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升 级。因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境 测控系统是十分必要的 2。 无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术 和分布式信息处理技术等多个学科的综合。把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产 中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件 为中心的生产模式 3。从而实现温室信息采集自动部署、自组织传

25、输和智能控制、大幅 度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、 提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对 实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义 4。 本课题基于无线传感器网络技术，研究温室环境中温湿度智能监测系统的相关技术， 为实现温室无线传感器网络监测系统奠定良好基础。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 无线传感器网络技术研究现状 无线传感器网络是将无线通信技术、传感器技术和网络技术相结合构成的能够根据 环境自主完成指定任务的智能自治测控网络系统。因其具有随机布设、自组织、环境适 应等特点，非常适合应用于布线、电源供

26、给困难的区域、人员不易到达的区域，已广泛 应用于国防军事、工农业生产、环境科学、交通管理、灾害监测等领域。 从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国等发达国 家在无线传感器网络领域方面有了较深入的研究。2003年，在美国自然科学基金委员会 的支持下，制定了无线传感器网络的研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网 络研究中心，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目与此同时加州大学伯克利分校、麻省 理工学院、康奈尔大学、斯坦福大学等研究机构开始了无线传感器网络的理论与关键技 术的研究 5。斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空问 2 方法以及由无

27、线网连接传感器和控制器构成的闭坏控制系统的框架；麻省理工学院丌始 研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技 术问题。美国国防部及各军事部门都对无线传感器网络高度重视，将其视为一个重要的 研究领域，并设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国Intel公司、Microsoft公 司等信息业巨头也丌始了无线传感器网络方面的研究工作。在Intel资助下，康奈尔大学 启动了COUGAR项目，提出“网络就是数据库”，着力于把分布式查询技术应用于感知数 据查询。2004年12月ZigBee联盟制定出了ZigBeel.0标准，该标准是基于IEEE802.15.4的 短距离

28、、低功耗、低成本的远程监控、传感及控制的无线标准，提供了网络、安全和应 用支持服务，极大地促进了无线传感器网络技术的快速发展。 620022005年，乔治工 学院在NSF资助下，进行了SensoNet项目，研究适合无线传感器网络的通信协议、MAC协 议、时问同步、拓扑控制和时空相关分析等。日本、德国、英国、意大利等科技发达国 家同样对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，近年来也纷纷展丌了相关领域的研究工 作。克尔斯公司是从事无线传感器网络产业化中最著名的公司，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，截止2008年，该公司已经生产

29、了Mica2、Micaz、IMote2等一系列典型的商业化 传感器节点 国内有关无线传感器网络的研究也很快跟进，清华大学、西北工业大学、国防科技 大学、中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所等单位从2002年起开展了无线传感器网 络的相关研究。从2003年起，国家自然科学基会设立了20个与传感器网络关键技术相关 的研究项目和重点项目，并带来了传感器网络技术研究的热潮。2004年底，国家发改委 开始关注传感器网络的发展，并从2005年开始将传感器网络纳入下一代互联网络试验与 应用示范项目中，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支持传感器网 络与IPv6网络融合的路由等相关技术，有包括中

30、科院计算所在内的数家单位获得了本项 目的支持。 52006年初，国务院发布“国家中长期科学和技术发展规划纠要”，将传感 器网络及其智能信息处理技术作为信息产业及现代服务业领域中的优先发展课题之一。 截止2008年，中科院上海微系统己经通过系统继承的方式完成了终端节点和基站的开发， 研制成功各种适合不同使用环境的无线监控网络心；中科院沈阳自动化所提出具有自主 知识产权的工业无线网络WIA技术体系，并开发出工业无线网络WIA系列产品；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拓引。在市场上

31、推广应用比较多的是ZigBee模块，北京Helicom公司、深圳金图旭昂公司、成都无线龙公 司和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。但整体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 7。 3 1.2.2 温室测控系统研究现状 世界上温室生产最发达的国家是荷兰，其温室以大型玻璃温室为主体，现有大型连 栋玻璃温室面积1.1 m 2，约占世界玻璃温室的14，居世界之首。此外，其他国家也广泛 地把现代化温室技术运

32、用到作物的种植中。英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥 控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。美国开发的计算机控制与管理 系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进 行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制， 以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术 应用于温室生产。 温室环境测控技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到 对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便，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。2002年英特尔公司

33、率先在俄勒冈州建立了第 一个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化。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。 国内有关温室环境监控方面的研究起步较晚。温室环境测控设备大都是随着大型现 代化温室一同引进的，由于规模大，能耗大，造价高，己被实践证明不适宜于我国的国 情，更谈不上经济效益。随后出现了一些团外的仿造产品，造价仍较高，且处于实验阶 段，故推广使用价值不大。近几年来，我国在温室结构和温室控制两方面开展了不少研 究。“九五”、“十五”及“863”计划都对此给予了很大资助 8。北京农业大学研制成

34、功型实验温室环境监控计算机管理系统；吉林工业大学研制成功用于温室的智能喷水控 制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调节喷水量：中国农业机械化科学 研究院研制成功新型智能温室，由大棚本体、通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热 风加热系统、灌溉系统和计算机环境参数测控系统等组成。还有许多高等院校和科研院 所都在进行温室控制系统的相关研究，并且许多单位都己建超或将要建起温室监控系统 的总体框架。 随着无线传感器网络技术的快速发展，人们也开展了温室无线监测系统的应用研究。 例如：北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”把无线传感器网 络示范应用于温室农作物生产中；2008年

35、10月，上海市计算机研究所研发三部已将自主 知识产权的自组织树型无线传感器网络系统应用到了上海奉贤花卉大棚监测系统中，大 大提高了工作效率。 1.3 本课题研究主要内容及论文组织结构 4 在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介 绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采 用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立 多跳自组网，并利用ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控 终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温 室中布线的繁琐，同时

36、该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。 1.3.1 本文主要研究内容 1)传感器节点硬件和软件系统的研究 传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推 出的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺 点。 针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电 路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能够节省大量费用，方便 无线传感器网络爱好者自行研制节点。 2)终端监控管理软件的设计 无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点， 网络的分析与管

37、理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算 机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是 各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑 监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等； 做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等 9。 目前，此类工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺点就是扩 展性差。本文第五章介绍了一利一采用LabVIEW工具实现无线传感器网络自定义管理软件 的设计方法，从而实现监控系统终端的可视化

38、界面显示，方便用户的管理。 1.3.2 本论文的组织结构 第1章绪论，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状进行论述； 第2章，阐述了整个系统的体系结构，分析了温室无线传感器网络监测系统的特点， 提出了系统设计的总体方案及相关技术指标； 第3章，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件和软件系统，介绍了传感器节点的主 要元器件及扩展接口； 第4章，详细介绍了开发客户端数据管理与分析软件系统的关键技术，最后进行了相 关的实验测试； 第5章，总结了本论文完成的重要工作及对进一步研究的展望。 5 2 温室温湿度监测系统设计方案 无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线

39、传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存 在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。 2.1 系统设计目标及技术指标 2.1.1 系统功能特点 温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自 动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统 时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能： 1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查 询获知温室内的农作物生长环境； 2)无线传感器节点适应露天环境长期工作： 3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所

40、以远程监控网络监测的环境参数也各不 相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定： 4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管 理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易 于使用： 5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户， 从而采取相应措施 10。 2.1.2 技术指标 从技术层面上，该网络应具有如下要求： 1)通信与组网：负责监测环境信息的传感器节点自组织搭建无线网络，并向管理和 基础服务层提供服务支持； 2)通信频段：2424835 GHz； 3)采用通信协议标准

41、：IEEE 802.1 5.4ZigBee协议标准； 4)节点可靠通信范围：50m-100m； 5)传感器精度：温度：0.3(25。C时)，湿度： 2.0RH(20-80RH)； 6 6)电源管理：传感器节点使用电池，至少能使用半年以上 11。 2.1.3 节点硬件平台和软件系统 硬件平台的设计，需要的相关传感与通信器件，必须要符合低成本、低耗电与小体 积等条件，且必须容易布建、甚至具备可编程、可动态配置等特性。节点的硬件组成主 要有两种方案：第一种方案是采用MCU+RF收发器，其中MCU可采用Atmel Megal28、TI MSP430等，RF收发器可采用TI CC2420、Freesca

42、le MCl3192、Ember EM240等；第二种方 案是应用SOC片上系统，如Ember公司的EM250，TI公司的CC2430等 12。 本文在节点硬件设计上采用第一种方案，包括传感器模块、Atmel Megal28控制模块、 CC2420收发模块、存储模块和电源管理模块等。针对目前节点存在的不足，进行扩展接 口的设计，降低节点成本。此外，硬件的设计中需要进行必要的性能仿真以确定硬件设 计完成一部分，调试一部分，最终实现整个系统的整体联调，确定系统硬件可以达到设 计要求。 随着无线传感器网络的深入研究，研究人员提出用于无线传感器网络的微型操作系 统TinyOS。本文设计的节点上的软件采

43、用TinyOS.2.x版本。TinyOS在构建传感网络 时，其中一个与上位机互连的节点作为基站，主要用来控制各个子节点，并聚集和处理 它们所采集到的信息。TinyOS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网 络互相传递，最后达到协同一致的目的。 2.2 系统体系结构 无线温室监控系统主要包括监控中心、网关节点和传感器节点三部分。将监控系统 部署于温室内，每个温室放置一定数量的传感器类型的节点，所有节点将自组织建立无 线网络，并实时的将环境信息经多跳的方式上传到监控中心，从而实现监控温室的农作 物生长环境的目的。 系统的具体结构见图2.1。 图2.1 无线传感器网络温 室应用系统结构图

44、 7 监控中心包括一台计算机系统和一套上位机软件，实现温室环境因素的实时数据显 示、存储、分析以及监视，具有人机交互功能。 网关节点在对数据进行分析、融合等处理后通过以太网与监控中心相连，将数据送 入监控中心。网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网 络与外部网络，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。网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点， 也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊通信设备 13。 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

45、供电。从网络功能上看，传感器节点相当于传统网络 的前端设备，进行本地信息收集和数掘处理。传感器节点随机布置在温室内，执行数据 采集、预处理和传输等工作，如温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度等信息，采用电池 供电，通信距离有限。 2.3 方案描述及工作流程 在温室环境中，单个温室可以作为无线传感器网络一个测量控制区，网络中通过采 用经过多个节点转发来实现信息的传递。网络中采用不同的传感器测量节点和具有简单 执行控制的节点(能对风机、调温机器、阀门等设备进行相关控制)构成无线传感监测网 络，其中节点用来测量土壤湿度、温度、空气湿度、成分、PH值、气压、光照强度和C02 浓度等数据，以便知道温室中的环

46、境状况，同时将生物信息获取方法应用于传感节点， 为对温室环境进行适当的调控提供科学依据。最终使温室中的传感器执行控制的标准化、 数据化，利用网关实现控制装置的网络化，从而达到现场组网方便、提高作物产量、改 善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的 14。 温室监控应用系统工作流程为： 1)传感器节点部署后，加电启动，等待网关加入无线传感器网络的命令； 2)管理员通过服务器发送启动命令到网关节点，启动允许加入无线传感器网络的参 数； 3)网关发送启动命令到网络内每个传感器节点； 4)节点接收启动命令后加入网络，获取该网络的短地址信息，配置本地链路地址， 建立路由； 5)节点向网关节点申请全局单播

47、地址网络前缀，由网关节点分配节点全局单播地址， 节点把配置参数经由网关传输并存储到服务器数据库中； 6)管理员发送节点采集命令，同时设置采集周期，经过网关，发送给监测区域内的 传感器节点： 7)节点接收到采集命令后进行周期采集数据，并且将数据信息以数据包形式传送到 服务器，并且根据自身传感器的类型开始采集外界环境息。 管理员配置监测区域内环境参数的浮动范围及发出警报的阂值，如果采集的数据值 8 超过该范围，服务器终端示警，则根据相应位置信息自动启动温室内设备装置进行环境 调节。 3 传感器节点的硬件及软件系统 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

48、基础。综合考虑节点的使用场景、能量有效、微型化、低成本、扩展性和稳 定性等因素，进行了温室无线传感器节点的硬件设计 15。 在拥有硬件平台的基础上，还对操作系统进行了分析，简述了针对无线传感器网络 开发的专用操作系统TinyOS，最后研究了如何针对具体的硬件平台移植操作系统。 3.1 硬件总体结构 传感器节点兼作传统网络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，同时与其他节点协 作完成一些特定任务。其结构如图31所示，传感器节点主要由感知、处理器、无线通 信、身份标识和电源管理等五大模块组成，此外还包括数据存储模块和输出接口

49、等 16。 感知模块负责采集监测数据并进行数据转换等预处理：处理模块是整个节点的中枢，负 责处理数据、通信联网、配合电源管理以及定位等各种高级服务；无线通信模块负责网 络节点的无线通信，交换控制消息和收发采集数据：身份标识模块负责标识网络中节点 编号；电源模块负责节点的供电。 9 无线通信模块 CC2420 处理器模块 Atmega128L 感知模块 （SHT15） 身份标识模块 DS2401 数据存储和输出接口 （RS-232，USB）等 电源管理模块 图3.1 硬件框图 考虑到系统的扩展性和灵活性，传感器节点要定义统一、完整的接口，在需要添加 新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，同时节

50、点可以按照功能拆分成多个组件， 组件之间可以通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下选择不同的组件自由配置系 统，这样就不必为每个应用都开发一套全新的硬件系统。 基于以上考虑，硬件电路主要由传感器转换板、主控制板、网关接口板和电源四部 分构成，彼此间相对独立，彼此之间预留接口便于系统的升级和维护，同时也降低了系 统成本 17。实际部署在监测区域内的非网关节点由传感器转换板和主控制板和电源构成， 只有传感器节点充当网关节点和系统维护。 3.2 主要元器件 3.2.1 处理器ATMEGA 128L 在无线传感器网络中目前使用较多的微处理器有ATMEGA公司的AVR系列单片 机，如ATMEGA 12

51、8L、MSP430等超低功耗处理器，另外在32位嵌入式处理器市场中红极一 时的嵌入式ARM处理器，但要在普通传感器节点中使用，其价格、功耗以及外围电路的复 杂度还不十分理想，对于需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的传感器网 络汇聚节点，ARM处理器是非常理想的选择。综合考虑以上因素，本设计采用ATMEGA公司 的超低功耗单片机ATMEGA 128L 18。 ATMEGA 128L单片机集成了硬件SPl控制器。该处理器有比较丰富的内部资源和外部 接口，其具体特点如下： 片内有128KB程序存储器，能够编程，特别适合需要反复编程试验的应用环境； 10 片内提供了一个串行外围接口控制器；

52、片内提供8个通道的10位采样精度的ADC控制器： 在电源管理方面，ATMEGA 128L设计了6种不同的睡眠模式，特别适合能量有限制 的应用。这六种模式分别为：空闲模式、ADC减噪模式、掉电模式、省电模式、待机、扩 展待机； 传统的单片机通常在焊接以前烧写程序，一旦焊接到板子上就很难修改。 ATMEGA 128L支持多种在线编程方法，包括JTAG和SPI编程方法： 基本外围电路如下图： 11 图3.2 ATMEGA 128L模块 3.2.2 无线芯片CC2420 CC2420是Chipcon公司推出的首款符合24GHz IEEE802154标准的射频收发器， 工作于免授权的24GHz频段。该芯

53、片包括众多额外功能，是第一款符合ZigBee技术的高 集成度工业用射频收发器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以O181xmCMOS工 艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超 过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。 CC2420的主要特性如下： 工作频带范围为240-2.4835GHz： 采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式； 数据速率达250kbps，码片速率达2Ms； 采用0-QPSK调制方式； 12 超低电流消耗(Rx：19 7mA，TX：174mA)高接收灵敏度(99dBm

54、)； 抗邻频道干扰能力强(39dB)； 内部集成有VCO，LNA，PA以及电源整流器，采用低电压供电(2 l3 6V)； IEEE802 15 4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测16bitCRC 校验、电源检测： 与控制微处理器的接口配置容易； 采用QLP-48封装，外形尺寸只有77MM CC2420从天线接收到射频信号后，首先经过低噪声放大器，变频到2MHz的中频，形 成中频信号的同相分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器 转换成数字信号，然后对数字信号进行后续处理。CC2420发送数据时，使用直接正交上 变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被数模转换

55、器转换为模拟信号，通过低频滤 波器，直接变频到设定的信道上。 CC2420内部使用18V工作电压，适合于电池供电的设备；外部数字IO接口使用 33 V电压，这样可以保持和33 V逻辑器件的兼容型。它在片上集成了一个直流稳压 器，能够把33 v电压转化成18V电压。这样对于只有33 V电源的设备，不需要额外 的电压转换电路就能正常工作。基本外围电路如下图： 图3.3 CC2420外围电路 3.2.3 传感器模块 传感器模块拟采用瑞士Sensirion公司的温湿度一体的SHTxx系列，SHTxx系列单芯片 传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专利的工业COMS过 程微加工技

56、术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。本设计采用SHTl5温湿 度传感器，陔芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制、测试及检测设备 和数据记录器等领域 19。 13 基本规格为： 温度传感器(T)：测量范围：40+1238；精度： 03(25。C时)；响应 时间：1 5s；重复性：士01；分辨率：001。 相对湿度传感器(RH)：测量范围：0100RH；精度：士20RH(2080RH)； 响应时间：4s；重复性：士01RH；分辨率：003RH。 电气特性：功耗；供电范围：24-55 V。 主要特点如下： 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、AD转换和加热器等功能集成到

57、 一个芯片上； 二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，可靠性高； 测量精度可编程调节，内置AD转换器； 测量精度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高 质量的露点计算功能； 高可靠性，采用CMOSensor工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。 SHTl5温湿度传感器采用SMD表面贴片封装形式，接口简单，总共有四个引脚，分别 是电源引脚，串行接口引脚和接地引脚，如图所示： 图3.4 SHT1X典型应用电路 3.2.4 电源管理模块 本系统设计的节点选用3v的直流电压，考虑到应用中传感器节点的随意摆放，不能 选用固定电源供电。因此，电源系统采刚外接

58、2节干电池供电，为了保证两个电源之间相 互没有干扰，传感器节点在电池输入的前端增加了一个手动开关，在使用外部供电的时 候关闭电池开关。 3.4 TinyOS操作系统概述 14 3.4.1 TinyOS体系结构 TinyOS是UC Berkeley大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统，专为无线传感网 络而设计，操作系统基于构件的架构使得快速实现各种应用成为可能。同时，它也是一 个基于事件的系统。其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可 以适应不同的应用 20。基于TinyOS的完整的系统由一个调度器和一些组件组成。组件通 常又可以分为四类：硬件抽象组件、系统组件、应用组件、m

59、ain组件。TinyOS的体系结 构如图36所示。 1)硬件抽象组件：对硬件平台进行描述，管理各种硬件资源，为上层组件提供硬件 操作接口，屏蔽了底层硬件的特性，保证了上层组件的硬件无关性。 2)系统组件：由数据采集组件、数据处理组件、数据通信组件构成。队列调度、通 信协议栈的实现等操作系统提供给应用程序的服务都在这些组件中实现。 3)应用组件：这一层与具体的应用功能相关，实现系统应具有的具体功能。4)main 组件：进行系统硬件的初始化，并开始执行调度程序。调度程序具有两层结构，第 一层维护着命令和事件，它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理：第二 层维护着任务，只有当组件状态维护工作完

60、成后，任务能被调度 Main组件 应用程序组件 数据采集组件 数据处理组件 通信组件 硬件抽象层 图35 TinyOS的体系结构 TinyOS的组件层次结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始 的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、 路由和传输数据。 3.4.2 NesC语言 TinyOS是专门为无线传感器网络设计的操作系统，最初是用汇编和C语言编写的。 但研究人员发现，C语言不能有效、方便地支持面向无线传感器网络的应用和操作系统的 丌发。为此，经过仔细研究和设计，他们对C语言进行了一定扩展，提出了支持组件化编 程的nesC语言棚，把组件

61、化模块化思想和 15 基于事件驱动的执行模型结合起来。利用nesC开发TinyOS应用提高了应用丌发的方便性 和应用执行的可靠性 21。 nesC文件以nc作为后缀，用nesC语言编写的应用程序是由许多功能独立的组件构 成的，如图37所示。一个组件一般会提供一些接口可被看作是由这个组件实现的一组 函数的声明。接口分为命令和事件两种。组件之间通过接口连接。在nesC语言的定义中， 存在两种不同功能的组件：配件，主要描述不同组件接口之问的关系；模块，主要描述 组件提供的接口中的功能函数。理解接口、组件、模块、配件的含义和相互关系是掌握 nesC的关键。 1)接口：接口是一系列声明的有名函数集合，同

62、时是连接不同组件之间的纽带。规 定了接口的语法规范。接口由interface类型定义。nesC中 的接口是双向的，它实际上是提供者组件使用者组件的一个多功能交互通道。包含命令 事件。命令的提供者实现的功能函数；事件则是接口使用者需要实现的功能函数。 2)组件：符合nesC的组件包括配件和模块。一个组件必须实现它提供的命令或使用 的事件。组件中主要使用接1：3函数，由关键字uses interface和provides interface 标识。一个组件规范中可以包含多个uses和provides命 令。 配件 B 模块 BM 的接口 1B 与其他接口的联系 应用 A 的顶层配件模块 Main

63、与 B,C,D 接口 之间的联系 配件 C 模块 CM 的接口 1B 与其他接口的联系 配件 D 模块 DM 的接口 1B 与其他接口的联系 模块 BM 接口 1B 中 函数的实现 模块 CM 接口 1B 中 函数的实现 模块 DM 接口 1B 中 函数的实现 接口 1B 函数 的定义 接口 1B 函数的 定义 图36 基于nesC语言的一般应用程序框架 16 4 温湿度监测软件系统设计及实验测试 通过对传感器网络所获得的数据进行查询和分析，才能对各种环境进行有效的监测。 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，

64、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 22。 本章采用美国NI公司的LabVIEW82平台作为软件开发环境，并按照设计要求，完成 无线传感器网络温湿度监控系统软件设计。软件设计主要由数据接收模块，数据解析与 处理模块，显示与报警模块等3大功能模块组成。本章将对软件开发环境和软件系统各功 能模块的设计进行详细的介绍。 4.1 软件开发环境介绍 4.1.1 LabVlEW简介 LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司的创新软件产品， 也是目前应用最广、发展最快、功能强大的图形化软件开发集成环境。LabVIEW可以

65、非常 方便的连接各种数据源并以图形化形式显示，可定制性和提供了丰富的处理函数库，就 是其最大的好处。 图形化的程序语言，又称为“G”语言，采用这种语言进行编程时，基本上不写程序 代码，取而代之的是流程图，它尽可能利用技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、 图标和概念进行编程设计 23。因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具，提供了实现仪 器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统 时，可以大大提高工作效率。使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称 VI，VI由前面板、流程以及图标连接器等3部分组成. 4.1.2 MoteWorks软件平

66、台 Crossbow公司提供了MoteWorks软件开发平台，它是第一款用于工业的可开放源代码 的，基于标准平台和支持OEM设备与系统丌发的软件平台。MoteWorks将无线传感器网络 划分为三层：Mote Tier，Server Tier以及Client Tier。其中Mote Tier为运行在无线 传感器网络节点上的相关程序，完成采集控制无线传感器网络的目的，同时集成了无线 传感器网络TinyOS操作系统。Mote Tier采集并通过网关将相关网络数据传至网络层 Server Tier处理。在Server Tier通过XServe提供了包括CSV，XML，Database，Modbus 等多种标准通用数据接口。Client Tier为用户监测管理层，提供了数掘管理和监控等工 具 24。 XServe是连接无线传感器网络和应用管理程序之中。其核心是提供数据路由和对无 17 线劂络数据进行更高层的解析，转换和处理等服务。同时，XServe提供了 Conversion、Sockets和COM等丌发接口，可以作为客户端程序的开发平台。XServe体系 结构由一套核心的服务，跨平台的可移植层