无线环境监测装置设计Word文档格式.docx

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ZigBee（紫蜂）技术是一种2004年底才推出的无线通信技术，具有低成本、低功耗和低速率的特点，成为担当组织无线传感器网络重任的上佳选择。

本文在分析了无线传感器网络应用于环境监测领域的需求和ZigBee协议结构的基础上，设计了适用于环境监测的网络拓扑，构建了底层为若干传感器节点，中间层为数据汇聚节点，上层为计算机的多层网络结构。

以ZigBee模块为核心搭建了网络硬件平台。

最后对所构建的ZigBee无线环境监测网络进行软件开发:

制定了网络的组网方法，使网络能够快速形成；

设计网络节点间的通信方式和数据传输机制，实现了环境数据的协调采集和多跳上传；

编写了网络动态管理程序，使传感器节点能自由加入或脱离网络。

在计算机端，利用Visua1C-6.0编写了串口驱动程序和SQLServe：

2000数据库的访问程序，实现了数据的实时显示和数据库存储。

本文所构建的ZigBee无线环境监测网络支持临时安装，可自动组网，数据自动上传，监测点数量、位置可随时变化，实现了多节点、多参数的数据采集，弥补了现有监测手段设备复杂，在监测区域需大量布线、需建设大量基础设施，监测点位置不易变化，对突发事件无能为力等不足，为环境监测提供了一种新的方法。

关键词:

ZigBee；

无线传感器网络；

环境监测

DesignofWirelessEnvironmentalMonitoringDevice

Abstract

Wirelesssensornetworkshavetheperceptionbyalargenumber,computingandcommunicationcapabilitiesofthemicro-sensornodesformbyself-organizedwirelessnetwork.Muchinternationalattentionasoneoftoday'

sleading-edgetechnology,usedwidelyinvariousareasofdistributedcapture.ZigBee（purplebee）isatechnologyintroduceduntiltheendof2004forwirelesscommunicationstechnology,lowcost,lowpowerconsumptionandlowspeedcharacteristicsofawirelesssensornetworktaskorganizationtoplayagoodchoice.

BasedontheanalysisofwirelesssensornetworksusedinthefieldofenvironmentalmonitoringrequirementsandbasedontheZigBeeprotocolarchitecturedesignedfortheenvironmentalmonitoringnetworktopology,constructedanumberofsensornodesinthebottom,themiddlelayerofdataaggregationnode,uppercomputermulti-layernetworkstructure.ZigBeemoduletobuildthenetworkasthecorehardwareplatform.Finally,theconstructionofZigBeewirelessenvironmentalmonitoringnetworksoftwaredevelopment:

developmentofanetworkZuwangFanglaw,sothenetworkcanbequicklyformed;

designofnetworkcommunicationbetweennodesanddatatransfermechanismtoachievecoordinationofenvironmentaldatacollectionandmulti-hopUpload;

prepareddynamicnetworkmanagementprocedures,sothatsensornodescanfreelyjoinorfromthenetwork.Thecomputerterminal,usinga6.0Visua1CwrittenserialdriverandSQLServe:

2000accesstothedatabaseprogramtoachievereal-timedatadisplayanddatabasestorage.

TheconstructedZigBeewirelessenvironmentalmonitoringnetworktosupportthetemporaryinstallation,automaticnetworkingandautomaticdataupload,thenumberofmonitoringpoints,thelocationmaychangeatanytime,toachieveamulti-node,multi-parameterdataacquisitionequipmenttomakeuptheexistingmonitoringtoolscomplex,inmonitoringtheregionrequiredalotofwiringrequiredtobuildlargeinfrastructure,locationofmonitoringpointsdifficulttochange,inabilitytoemergenciessuchaslackofenvironmentalmonitoringprovidesanewapproach.

Keywords:

ZigBee；

wirelesssensornetworks；

environmentalmonitoring

引言

随着传感技术、现代网络和无线通信等技术的不断进步，以及人们对监测、控制系统提出越来越高的要求，20世纪90年代末，美国发起了具有现代意义的无线传感器网络技术的研究。

其后，它引起了学术、军事和工业领域众多机构的关注，其研究工作也在美国、欧洲等主要发达国家轰轰烈烈的开展起来[1]。

作为将对21世纪产生巨大影响的新技术之一，与传统网络相比，无线传感器网络[2]是一种以数据为中心的自组织无线网络。

具有可快速临时组网、网络拓扑结构可动态变化、抗毁性强、无需架设网络基础设施等诱人的特点。

基于这些特点，它被广泛应用于军事、环境监测、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。

环境监测是无线传感器网络应用的一个方面，实验表明传感器网络在环境监测领域具有非常明显的优势，可以为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的环境监测提供一个全新的手段。

而随着无线传感器网络技术在各领域越来越广泛的应用，对无线通信技术也提出了更高、更新的要求。

ZigBee（紫蜂）技术就是在这种背景下产生的。

自从2004年12月，ZigBee规范正式公布之后，短短几年时间，ZigBee技术就以其低成本、低功耗、网络容量大、传输时延短和可靠性高等特点，在环境监测、智能家居、楼宇自动化、工业控制等领域得到广泛应用。

考虑到ZigBee技术的这些特点，本文在构建用于环境监测的无线传感器网络时，采用ZigBee作为组建网络的无线通信协议[3]。

本文在分析了ZigBee网络协议和组建无线传感器网络需要解决的关键问题的基础上，构建网状拓扑结构网络，之后根据环境监测的特点搭建硬件传输平台，最后编制软件实现环境数据的实时、多节点采集、传输和处理。

首先进行基础性分析，然后搭建网络平台，最后通过编写程序完成系统功能，构成了本论文的总体框架，也是本文研究工作的总体技术路线。

该网络经一次性布置之后，可以在长期无人看守的条件下长期可靠运行。

网络监测点的数量、位置可随时变更，为环境在线监测提供了一种新的方法。

第一章绪论

1.1无线传感器网络

无线传感器网络[4]（WirelessSensorNetworks，WSN）是一种特殊的Ad-hoc网络（多跳无线网络），它由几十到上万个具有数据采集、无线通信和协同合作能力的传感器节点，连接成一个动态、移动的多跳对等网。

这些微型节点被随机或特定地部署在目标环境中，通过一定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同完成指定任务。

1.1.1WSN的发展历程

无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。

最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。

随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。

2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。

同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。

美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。

2004年（IEEESpectrum）杂志发表一期专集：

传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。

可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

第一代传感器网络[5]出现在20世纪70年代。

使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；

第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；

第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；

第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现．用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。

本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。

1.1.2WSN的体系结构

由于有线监测系统自身的局限性及各类环境的复杂性,本文提出的环境监测系统基于无线传感器网络,在采集地散布无线传感器节点,这些节点通过自组织方式构成无线网络,网络结构如图1-1所示。

图1-1无线网络传感器体系结构

图中无线传感器网络中监测节点（图中的Node和R-Node）将检测数据通过无线收发模块直接或通过其他节点（R-Node）转发的方式发送给主节点（S-Node）,主节点不仅集成了无线模块,还集成了网卡协议芯片,这使主节点具有Internet功能,可以将收到的数据发送到Internet,这样,安装了相应接收软件的上位机就能接收到这部分数据。

无线传感器网络由三个主要部分组成:

传感器节点（Node、R-Node），汇聚节点（S-Node）和管理节点（OMC）。

传感器节点被布置于被监测区域内，以自组织形式构成网络。

这些传感器节点把采集的数据通过R-Node传到S-Node节点，最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。

Internet、卫星和移动通信网络等通信方式可用作Sink链路。

其体系结构图如图1-1所示。

网络中的传感器节点[6]通常包括传感器模块、处理模块、无线通信模块与电源模块四部分。

它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。

从网络功能上看，每个传感器节点具有采集、接收、处理和发送数据的功能。

R-Node节点还兼顾消息转发的功能，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来的数据进行存储、管理和发送。

S-Node节点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强负责将监测区域传感器节点数据通过InternetSatelliteGSM、TD-SCDMA、CDMA、WCDMA等网络传输到数据中心OMC进行处理。

[7]

传感器节点的软硬件技术，S-Node对传感器节点的管理和它们之间的通信是本文研究的重点。

而对Sink链路的研究，由于不是无线传感器网络的研究重点，而且Internet、卫星和移动通信网等通信技术已经十分成熟且应用实例较多，所以不再作为本文的研究范围，在以后的章节中也不再详述。

1.1.3WSN网络协议分层结构

构建无线传感器网络需要无线通信协议作为支持。

与互联网协议框架类似，无线传感器网络的协议框架也包括五层，如图1-2所示。

图1-2WSN网络协议

物理层协议:

物理层负责数据的调制、发送与接收。

MAC层协议:

MAC层负责数据帧生成、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制，减少相邻节点引起广播风暴。

数据链路层协议:

通过数据链路层可以实现数据融合，实现数据链路的选择。

传输控制层协议:

传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信质量的重要部分。

应用层协议:

基于用户任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。

时间同步和节点定位：

时间同步服务为协同工作的节点同步本地时钟;

节点定位服务依靠有限的己知节点位置，确定其他节点的位置，在系统中建立起一定的空间关系[8]。

OMC:

主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理，为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境。

QoS:

支持是指为用户提供高质量的服务，通信协议中的各层都需要提供Qos支持。

1.2无线传感器网络在环境监测中的应用

在进行环境监测时，有时会遇到监测区域较广，条件恶劣且长期无人值守，环境较脆弱等情况。

应用于环境监测的传感器网络除了应具备其一般特征外，还应重点考虑传感器节点的设计、节点部署、能量管理、高效的通信机制、如何提高网络可靠性等问题。

（l）传感器节点设计及节点部署:

用于环境监测的传感器点需要满足体积小、精度高、生命周期长等要求。

由于监测环境的复杂性，要尽量减小传感器节点的体积，并采用异构的传感器节点。

为了准确获得环境参数，需要高精度传感器，在部署节点时要注意延长传感器使用的有效时间。

（2）能量管理:

对一些长时间无人值守且连续工作的监测的环境，对传感器节点的能量供应提出了很高的要求。

传感器节点执行不同的操作所消耗的能量是不同的，比如传送一个数据包消耗的能量比接受一个数据包消耗的能量要多，这就需要设计高效的能量管理策略和路由算法。

（3）提高可靠性:

恶劣的环境条件、野外自然条件的变化（例如太阳磁暴）、被监测对象的改变以及大范围的监测等因素都对传感器网络的可靠性提出了更高的要求，在设计时应该在选择无线通信协议，设计组网算法等方面考虑如何提高网络运行的可靠性。

一个适用于环境监测的传感器网络，应该是一个层次型的网络结构，最底层是部署在实际监测环境中的传感器节点，向上依次是传输网络和基站。

为了获得准确的数据，部署的传感器节点往往密度很大，并且可能部署在若干个不相邻的监测区域，从而形成多个传感器网络。

每个传感器网络中的传感器节点将感应到的数据传送到各自的网关节点，即前面提到的汇聚节点。

网关节点经由一个传输路径将数据发送到基站。

基站可以是能够和Internet相连的一台计算机，以便数据远传，它应该还具有一个本地数据库以缓存传感数据。

研究人员可以通过任意一台连入网络的终端访问基站，或者向基站发出命令。

根据要求构建的无线传感器网络与传统环境监测手段相比，具有以下明显的优势:

（1）构成自组织的动态网络，无需人工干预即可自动组网，长期正常工作。

传感器节点可自动加入、断开网络，在监测点数量或位置需要经常变动时，极为方便。

（2）传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此可以认为部署传感器网络对所监测环境影响很小。

这一点在对外来生物活动敏感的环境中尤其重要。

（3）传感器节点数量很大，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基站。

因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点。

（4）无线传感器网络的节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据环境的变化进行较为复杂的监测。

传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监测。

为了满足环境监测的要求，构建合理、高效的监测网络，充分发挥无线传感器网络的优势，选择合适的无线通信协议是至关重要的。

综合各方面因素，本文选择ZigBee作为无线环境监测网络的通信协议。

1.3Zigbee简介

ZigBee是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度的短距离双向无线通信技术，主要面向消费电子、家居和楼宇自动化、工业控制、计算机外设、医疗护理等领域的应用[9]。

1.3.1Zigbee协议栈

ZigBee协议栈是参考标准的开放系统互连模型而设计的，主要包括物理层、媒质访问控制层、网络层和应用层.物理层和媒质访问控制层规范来自IEEE802.15.4标准，它定义了在无线个人局域网络（WPAN）内部使用低数据速率、低功耗和低复杂度的短距离射频设备进行数据通信的协议和互操作性。

以此为基础，ZigBee联盟制定了上层协议——网络层和应用层规范。

ZigBee网络中区分3种类型的设备：

协调器、路由器和终端设备.协调器是网络中第一个上电的设备，负责选择工作信道和网络标识符，建立WPAN网络。

路由器的职责包括：

允许其他设备加入网络；

支持多跳路由数据包；

协助它的休眠子结点进行网络通信等.路由器的存在与否直接决定了网络拓扑结构，因此路由器通常都是不能休眠的，需要直流电源供电[10]。

终端设备是网络中数量最多的节点类型，它们上电后扫描工作信道，试图找到一个已经存在的网络并加入其中.终端设备负责采集信息，并通过网络上传数据。

1.3.2Zigbee与其他几种通信协议的比较

目前，除了本课题采用的ZigBee技术外，还存在许多其他无线通信技术，下面将对这些技术作简单的介绍和分析比较，以便更好的了解它们各自的性能和应用领域。

红外:

该标准采用980nm的红外光传输数据信息，通信距离通常不超过10m并且通信角度不能超过300。

它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。

IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备连接，并且存在视距角度问题。

无线射频识别[11]（RFID）:

是一种非接触式的自动识别技术。

最简单的RFID系统由标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线3部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。

其通信距离一般只有几米。

蓝牙（Bluetooth）:

它是一种用于代替便携或固定电子设备上电缆或连线的短距离无线通信技术。

它工作在2.4GHz的ISM频段上，采用每秒1600次的扩频技术，通信距离为10m，传输速率能达到3Mbps。

在传输数据信息的同时，还可以传输一路语音信息，是蓝牙技术的一个重要的特点。

然而对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供25OkB的系统开销，增加了系统成本和集成复杂性。

Bluetooth对每个“Picnet”（微微网）只能配置7个节点的限制，极大的制约了它在大型传感器网络中的应用。

WiFi:

它属于IEEE802.11规范。

IEEE802.11[12]最初在1997年提出,主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准。

IEEEsoZ.11流行的几个版本包括“a”（波段5.8G吮，带宽为54MBps）、“b”（波段2.4GHz，带宽为11MBps）、“g”（波段2.4GHz，带宽为22MBps）。

这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。

其优异的带宽以大的功耗为代价，大多数便携WiFi装置都需要常规充电。

这些限制了它在工业场合和其他监测领域的推广和应用。

相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是功耗和成本最低的。

ZigBee技术数据传输速率低的特点，决定了它适合于承载数据流量较小的文本数据传输。

网络容量大的特点使得构建大规模监测网络成为可能。

ZigBee的这些技术特性决定了它是无线传感器网络的上佳选择，这也是本课题在构建无线环境监测网络时，选择ZigBee作为无线通信协议的原因。

第二章ZigBee无线环境监测网络总体架构的建立

2.1方案选择分析

基于无线传感器网络的环境监