基于无线传感网络的输送河道监测系统设计毕业论文Word文档格式.docx
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lowenergyconsumption;
ATmega128L;
CC2420transceiverchip
目录
摘要I
AbstractII
引言1
1.系统概述2
1.1研究主题2
1.2研究背景2
1.3意义及目的2
1.4发展趋势3
2.研发平台4
2.1节点结构4
2.1.1传感器节点4
2.1.2网关节点4
2.2上位机5
3.课题研究及方案设计6
3.1拓扑结构6
3.2网络协议的要求6
3.2.1物理层要求6
3.2.2链路层要求7
3.2.3网络协议的选择7
4.方案实施8
4.1硬件8
4.1.1传感器模块8
4.1.2ATmega128L微处理机介绍8
4.1.3CC2420收发芯片9
4.2通信模块的选择10
4.3基于无线传感网络的输送河道监测系统设计10
4.4工作流程图10
4.4.1感器节点工作流程图10
4.4.2网关节点工作流程图11
5.结论13
参考文献14
致谢15
引言
WSN技术是现如今受人瞩目的、发展前景十分广阔的研究技术。
环境监测是目前无线传感网络、物联网在民用方向的一个重要应用领域，输送河道监测则是环境监测中的重要一环，其关系到整个生态环境的安全性和可靠性。
用无线传感器网络来监测输送河道，对于环境监测有着重要的意义。
本次的设计要求可以有效的采集各种实时水利信息，实现河道水文异常情况的实时分析和监控，及时预警预报重大水利事故。
并且要通过优化整个网络，将整个网络的能耗降到最低，使整个网络能够进行长期稳定的监测。
无线传感器网络最早运用于军事，并在战争中起到了举世瞩目的重大作用，由美国军方最先开始研究并运用于战争。
他们开展了一些著名的项目包括：
CEC、WINS、SensorIT、TRSS、REMBASS等项目。
大多数的美国大学都在研究WSN技术。
这足以证明WSN技术的发展前景十分广阔。
继美国之后，世界上很多发达国家也陆续加入了研究WSN技术的行列。
中国在1999年首次启动研究WSN技术的项目。
之后国家认识到了WSN技术的重要性，陆陆续续审批通过了很多的相关技术的重点提案与研究项目。
现在无线传感器网络正在得到飞速的发展，大部分有前瞻眼光的国家都认识到了无线传感器网络的重要性。
WSN技术被多家全球知名杂志评为改变世界的十大技术之一。
在国内外，运用WSN技术长期监测环境都有着许多研究项目，如2002年启动的用于监控的鸟类栖息地的WSN技术项目。
而SeaWeb项目在1999-2004年期间进行多次实验用来取得了大量珍贵的现场数据。
通过多次的实验来研究对于水声数据传输的WSN技术，验证了水声WSN系统在水下监测方面的可行性，并获得了大量的重要数值。
由于之前有着很多长期监测水环境的无线传感网络，对于本次的设计有着很大的借鉴作用。
本次的毕业设计重点在于无线传感器网络的传输协议的选择以及对于各个传感器节点的能耗的优化。
传输协议关系到无线传感器网络的安全性与工作效率，是整个网络中重要的一环。
而无线传感器网络用于长期监测，能耗必定是考量整个网络的一个重要指标。
协调好这两个问题，整个网络才能良好的监测输送河道。
1.系统概述
1.1研究主题
本次的设计主要是利用无线传感器网络的网络设置灵活，覆盖面广，能在恶劣环境中工作等特点，设计一个用于长期监测输送河道的无线传感器网络。
主要实现的目标是基于新型无线传感节点，实时采集各种水利信息，包括水位、流量、PH值等，并进行及时传输和储存；
应用一定的算法，优化无线传感节点分布，合理调度能源负荷，实现无线传感节点之间的有效组网和通信；
运用上位机，实现河道水文异常情况的实时分析和监控，及时预警预报重大水利事故。
总所周知，输送河道是我国交通运输方面的重要一环。
所以设计一个用于长期监测输送河道的网络，来保证其安全性以及可靠性，是很有必要的。
运用无线传感器网络来监测输送河道，可以做到实时采集水利信息；
若遇到水利事故，还能及时报警，保障了输送河道交通方面的安全性与可靠性。
1.2研究背景
作为一门对以后人类的生产生活有着巨大影响的热门技术，无线传感器网络正在飞速的发展。
MIT评选改变人类以后生活的新科技的时候，就把WSN放在了第一位。
不少科学期刊指出这个技术将掀起新的产业狂潮。
WSN技术的现阶段研究得到了很大的发展。
现阶段国外的主要研究项目有USLA以及其他机构的WINS计划。
这个计划涉及WSN技术的各个方面。
他们主要研究了微型传感器和收发器、CPU处理结构、短距离网络传输协议的基本原理。
他们在数据链路层采用了TDMA技术，而在物理层采用了RF扩频技术。
这样做的好处是优化了无线传感网络的工作效率，降低的了功耗。
UCBerkeley等25个科学小组的SensIT项目主要是对这两个方向进行研究：
一个是能够应对移动速度较快的战争的WSN技术、能够进行快速处理以及分配任务的高反应式WSN技术；
二是用于静止的长期进行环境监测的WSN技术项目。
SeaWeb项目主要是用来研究水下通信的WSN网络技术，这个项目很好的验证了WSN技术在水下监测方面的可行性。
到现在为止，中国已经在大力进行了WSN技术方面的研究，但是现在还是赶不上世界领先水平。
1.3意义及目的
环境监测是目前无线传感网络、物联网在民用方向的一个重要应用领域，输送河道监测则是环境监测中的重要一环，其关系到整个水环境监测系统的安全性和可靠性。
因此利用无线传感网络设计一款输送河道监测系统具有很强的必要性和实用性，必然能在市场上广泛推广和应用。
本毕业设计的目标是通过该输送河道监测系统的设计让学生了解电子信息专业最新进展和发展方向，扩宽学生的设计思路，提高学生的动手能力，从而设计出有实际应用价值的系统产品，为将来从事电子系统相关工作奠定理论基础和实践经验。
WSN技术有着非常美好的发展远景[1]。
设计出一款长期监测生态环境的WSN系统，从而来了解环境监测的安全性和可靠性在长远看来是十分有必要的。
这么做一定可以占据一定的市场主动权。
1.4发展趋势
现如今，世界各国对于WSN技术的周边领域的研究已经十分的成熟。
但是要建立一个监测输送河道的无线传感器网络还是存在着很多的不足。
而且因为WSN技术有着传统网络没有的一些独到之处，使得WSN的组网布局与传统的网络的组网布局有着巨大的差别。
例如，由于WSN中的传感器节点分布密集，所以需要应用到大量的数据传输处理等算法。
其次，传感器网络节点布置的地点有时候会十分危险，这就造成了维护及补给问题上的巨大困难。
网络协议也是很重要的问题[2]。
网络协议是将一个个独立的传感器节点连接起来，形成一个数据链路。
对于WSN技术来说最主要的问题是确定网络层和MAC层的协议。
网络层的网络传输协议用来控制监测信息的传输路径；
数据链路层的MAC层用来分享底层的物理信道、决定节点的传输方式和工作方式。
在整个WSN系统中，传输协议不能只看要一个节点的能耗问题，更要考虑到整个网络的能耗，只有这样才能使系统更好的完成长期监测输送河道的任务。
降低系统能耗也是WSN技术现阶段研究的一个重要方面。
一般来说传感器节点只能配备一个有限的电源。
而更换电源对于一个WSN网络来说是不现实的。
这就使得节点的能耗一定要尽可能的小。
所以需要借助降低功耗的方式来延长整个WSN系统的使用寿命[3]。
这是设计WSN系统时要考虑的最关键的一个问题。
WSN技术作为一个非常受到关注的研究课题，近来也发现了很多新的研究意向，主要体现在向服务的WSN应用、WSN技术的网络计算和面向WSN技术的软件工程等几方面。
2.
研发平台
2.1节点结构
2.1.1传感器节点
整个WSN技术网络系统包含着大量的采集数据用的工作节点。
这些传感器节点能够独立的采集数据并将数据处理后传输。
只有传感器稳定的进行数据的采集以及传输，整个系统才能正常的工作。
传感器节点的内部结构大致如图2-1所示。
由传感器，AD/DA转换装置，以及CPU和最后的收发器组成，整个节点需要有供电模块。
这些模块共同组成了一个网络的传感器节点。
图2-1传感器节点结构
传感器模块内包含整个网络测量所需要的多个传感器（如测量PH值的PH值传感器）。
然后通过转换模块将数据传送给处理器。
最后通过无线收发模块将数据发送出去。
由于整个系统处于长期监测的状态，所以传感器节点的能耗需要很低。
2.1.2网关节点
网关节点又称汇聚节点，主要负责将传感器节点的数据采集并处理之后传输到上位机。
网关节点结构如图2-2所示。
图2-2传感器节点结构
网关节点由无线收发模块、处理器、存储模块以及供电模块组成。
传感器节点接受到网关节点的命令后进行数据采集，并传输给网关节点，然后通过网关节点处理并传输给上位机。
网关节点是整个WSN网络中的中转站，也是传感器节点执行上位机命令的收发者，在整个系统中起到了至关重要的作用。
2.2上位机
上位机如图2-3所示，用于发送监测命令，接收从网关节点传输过来的大量采集的数据，并进行分析整合，最终得出一定的结果。
如本次的设计要求上位机能够将各种水利信息如PH值、水位、流量等进行处理，得出一定结论并记录。
若输送河道有异常状况，还需要实时监控并且及时进行报警。
上位机是整个WSN技术系统的操作者。
它先发送类似给网关节点相关的命令，然后接收由网关节点传输过来的数据，再将数据存入数据库，最后更新数据库，实现整个WSN网络监测输送河道的作用。
图2-3上位机图片
3.
课题研究及方案设计
3.1拓扑结构
无线传感器网络有多种形态的组网方式，根据结构层次分可以分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构。
平面网络结构可以说是这些网络结构里最简单的一种结构，在这种结构的模式下，相邻传感器节点之间可以相互传输。
这种方式的优点是结构不复杂，维修起来是非常方面的。
但是由于没有网关节点，导致这个网络结构的组网算法十分复杂。
而分级网络结构则是平面网络结构的一种延伸。
这种结构将节点分为具有汇聚功能的网关节点以及一般传感器节点，这种网络结构一般都由一个网关节点管理多个传感器节点，传感器节点与传感器节点之间独立存在，由汇聚节点将数据传输给上位机[4]。
这种网络结构的优点是结构的扩展性较好，管理以及执行任务的能力强，整个网络的能耗十分低，并且建设网络的成本被大大降低了。
同时，这种网络结构也能较好的管理传感器节点，适合大型的无线传感网络长期监测系统的使用。
把上述的两种结构相结合，就形成了第三种网络结构——混合拓扑结构。
这种结构也将节点分为网关节点和一般传感器节点，但是各个传感器节点之间也能够相互传输数据。
这样做虽然可以使整个系统的功能更为完善，但也使得各个传感器节点成本提高。
最后一种网络结构是Mesh网络结构，这是一种新型的多跳网络。
这中网络结构没有网关节点。
与平面网络结构不同的是，Mesh网络结构的传感器节点一般只能与最近的节点进行通信。
这种结构具有较强的容错性，但是由于要求每个传感器节点都可以代替网关节点，相比以上几种网络结构，硬件成本十分高，能耗也相对较大。
根据本次课程设计长期监测输送河道的要求以及以上网络结构的优缺点，选择分级网络结构作为网络拓扑结构，这种结构同时也是国内外多个相关项目（如SeaWeb项目等）的网络拓扑结构。
3.2网络协议的要求
3.2.1物理层要求
无线通信模块的通信协议的选择是十分重要的。
整个网络的协议的选择主要是看网络中的物理层和MAC层的的特点，这两个层对网络协议的要求可以代表整个网络的协议要求。
从物理层来看，WSN技术的传输信息对数据的传输速率没有很大的要求[5]。
当然，提高数据的传输速率能够减少数据传输的时间，从而到达减少能耗的目的。
而数据传输时的能耗又在整个传感器节点能耗中占主要部分。
考虑到传输数据的能耗要低，所以物理层要求支持低功耗的通信协议。
3.2.2链路层要求
从链路层协议看：
WSN网络的链路层和传统监测网络的链路层一样，需要提供流量可控、传输可靠的点对点传输服务[6]。
不同的是，无线传感器网络重点要求数据传输的长期稳定性，反而对传输速率要求不高，这点与物理层的网络协议要求也是相吻合的。
无线传感器网络工作特性让节点几本处于休眠状态，只有接受到唤醒信号时，才会进行工作，这就要求链路层协议有全网同步的特性。
3.2.3网络协议的选择
IEEE802.15系列网络标准是电气和电子工程师协会的一个工作组主导制定的一个网络标准系列[7]。
一般在小距离的无线传输中使用IEEE802.15的系列标准。
虽然无线传感器网络是一个大型的监测网络，但是传感器节点与汇聚节点之间的距离是十分小的。
目前这个系列的标准中，被广泛使用的是蓝牙协议以及Zigbee协议。
下面的表3-1根据这两种协议的特点以及参数作了一定的比较。
表3-1Zigbee协议与蓝牙协议对比表
协议分类蓝牙技术Zigbee技术
联网时间
参数
连接网络时间>
3s30ms
跳出网络时间3s15ms
存取时间2ms15ms
编码调制技术跳频序列扩频
软件内存250kb28kb
网络规模826500
传输速度1Mbps250Kbps
工作距离10米使用放大器可达2000米
根据上面表格中两种协议的特点以及之前对于无线传感网络对网络协议的要求，蓝牙技术更适合那些传输速度要求较高、数据传输量大、不同工作周期的短距离无线传输网络。
而Zigbee协议更适合有大量传输节点、对于传输速率要求低、要求能耗较低的无线传输网络[8]。
Zigbee协议在制定的时候专门侧重在同步技术、能耗和安全问题。
而这些问题正是无线传感网络的物理层以及数据链路层协议的应用要求。
另外，Zigbee协议一共定义了包括2.4GHZ频段在内的三个频段，用于支持不同需求的数据传输速率[9]。
基于以上优点，在本次的无线传感器网络中，我们选择的无线通信协议是Zigbee协议。
4.
方案实施
4.1硬件
基于长期监测输送河道，实时采集各类水位数据的要求，本次的设计需要应用WSN技术、Windows操作系统上位机、Zigbee技术、微处理芯片等技术。
设计出的网络要求能够有一定的容错性、能够适应输送河道的环境、实时监测能力强、另外由于需要长期处于户外环境进行监测，要求系统各个硬件能耗低，工作寿命长，成本处于可控制范围。
基于以上特点选择合适的硬件，网关节点通过多跳网络来传输数据给上位机，最终实现对输送河道的监测以及数据采集，实现整个网络的功能。
所以整个网络包含：
传感器、ATmega128L微处理器、RF收发芯片CC2420以及供电模块以及上位机。
4.1.1传感器模块
本次的课程设计达到的要求需要用到测量输送河道水位、流量以及PH值的传感器。
目前市面上传感器的种类繁多，功能也各不相同。
根据这个的网络的要求，本次选择的传感器的体积要小，能耗要低，工作时间要足够长。
人们在生产生活等方面越来越依赖传感器，所以人们对于传感器的研究也变得非常快。
目前应用了MEMS技术的传感器只有几毫米或者更小，质量也十分轻[10]，完全可以满足本次课程设计的要求。
图4-1是运用MEMS技术传感器。
图4-1MEMS传感器
4.1.2ATmega128L微处理机介绍
之前国内外的WSN系统大多使用8位或者16位微处理机来作为节点处理器[11]。
一般这些微处理机都能满足系统的组网以及多跳传输等基本功能[11]。
因为这次课程设计的数据量不大，因此传感器节点的处理器采用ATMEL公司的AVR系列8位低功耗单片机ATmegal28L。
ATmega128L单片机能耗小，能够延长整个系统的使用寿命。
外围电路简单使得节点体积小。
因此，ATmega128L单片机能够很好的满足WSN技术所需要的对于节点CPU的要求。
图4-2是ATmega128L单片机引脚示意图。
图4-2ATmega128L单片机
4.1.3CC2420收发芯片
CC2420收发芯片是Chipcon公司生产的第一个频率在2．4G赫兹的Zigebee标准的无线收发器[12]。
它的主要特点是外部电路十分简单，性能稳定，功耗低。
因为体积较小，CC2420常被用于WSN系统。
由于这个芯片是基于ZIGBEE标准的收发器，所以它极大地保证了无线传感网络的有效性和可靠性[12]。
图4-3为CC2420收发芯片。
图4-3CC2420收发芯片
CC2420是一款符合Zigbee网络协议的射频收发器。
CC2420射频收发器支持Zigbee网络协议。
4.2通信模块的选择
本文在第三节分析比较了Zigbee协议以及蓝牙协议，发现本系统的通信协议使Zigbee标准是很有必要的，它是为低传输速率网络设计的传输协议，能够实现MAC层和物理层的规范[13]。
所以本系统的网络协议采用Zigbee协议作为无线通信协议标准。
4.3基于无线传感网络的输送河道监测系统设计
本次的课程设计利用WSN技术来监测输送河道，把传感器节点布置在监测的输送河道内，通过自组网络的方式构成监测系统。
传感器节点通过无线传输将采集到的数据传输给网关节点，网关节点再次通过多跳将整理的数据传达给上位机。
最后由上位机实现监测的具体功能，如输送河道的水位、PH值及流量。
若是某块监测区域的数值不正常，上位机发现后将进行定位并报警。
由于运用了无线传感器网络技术，本次的设计相对于一般的监测网络来说，有着远程控制非常方便，布局网络的成本十分低廉，对于环境监测又有着很好的效果，所以有很强的必要性及实用性[14]。
4.4工作流程图
4.4.1感器节点工作流程图
如图4-4是传感器节点流程图。
节点首先进入初始化，然后查询进入网络，在一定条件下进入休眠或者数据采集及传输，最后完成通信。
图4-4传感器节点流程图
4.4.2网关节点工作流程图
如图4-5是网关节点流程图。
节点首先进入初始化，然后建立进入网络，连接传感器，接受上位机的命令，传达给传感器节点。
采集传感器节点的数据，数理后传输给上位机。
图4-5网关节点流程图
5.
结论
WSN技术作为改善全球生活的新兴科技之一，引起了国内外新一轮的学术研究热潮[15]。
与传统网络相比，无线传感器网络成本低、功耗小、部署网络简单等特点，使它在未来的发展前景十分广阔。
本次的课程设计要求用无线传感器网络技术监测输送河道。
在设计系统方案的过程中，我通过阅读资料，了解了WSN技术的发展现状。
结合输送河道的特点，构建了本次设计的监测网络。
并通过调查研究，基本确定了传感器节点以及网关节点的设计部署。
最后的上位机，选择了兼容性十分强的Windows操作系统，最终完成了整个网络的设计。
本次的课程设计对于系统的安全性以及可靠性有很大的要求，同时要求系统稳定。
在本次的课程设计过程中得到了很多帮助，导师跟同学的帮助让我更加系统的认识到了本专业关于WSN技术方面的知识。
在不断学习及了解的过程中，我对WSN技术的发展前景充满了信心。
在不久的将来，WSN技术必将改变世界[16]。
当然本次的课程设计还是存在着一些不足之处，比如传输协议方面可以做的更好来降低能耗等，希望以后的研究者可以改进与完善
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