无线传感网技术与应用实践.docx

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无线传感网技术与应用实践

《无线传感网技术与应用》（实践）课程考核方案

考期：

202204考期

课程性质：

□理论实践

适用专业：

080905物联网工程

学分：

2

一、课程考查目的与要求

1、考查目的：

（1）考查学生对无线传感器网络技术应用及基础知识的掌握情况；

（2）检验学生对无线传感器网络监测控制系统的分析与设计能力。

2、考查要求：

从给定的选题中任选一个，完成系统研究与设计并提交课程报告一份。

二、课程报告选题（任选一个完成）

1、基于无线传感器网络的烟雾探测报警系统研究与设计

2、基于无线传感器网络的空气质量检测系统研究与设计

3、基于无线传感器网络的森林火灾监测系统研究与设计

4、基于无线传感器网络的远程医疗监护系统研究与设计

5、基于无线传感器网络的温湿度监测系统研究与设计

6、基于无线传感器网络的井下瓦斯监测系统研究与设计

7、基于无线传感器网络的农业现场数据采集系统研究与设计

三、课程报告要求

1、内容大纲：

参照模板。

2、格式：

全篇统一格式，排版美观。

3、字数：

2000字及以上。

基于无线传感器网络的温湿度监测系统研究与设计

考期：

课程性质：

□理论实践

适用专业：

姓名：

考籍号：

一、课题目的（解决什么问题）

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/AC能量转换器）等组成。

本课题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。

二、课题背景（对存在问题进行描述）

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100～150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。

然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、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。

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。

从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、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。

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。

三、系统设计方案（要求：

给出系统设计的原理框图和方案说明）

3.1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。

3.2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AtmelMegal28、TIMSP430等，RF收发器可采用TICC2420、FreescaleMCl3192、EmberEM240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。

本文在节点硬件设计上采用第一种方案，包括传感器模块、AtmelMegal28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。

3.3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3.1。

图3.1无线传感器网络温室应用系统结构图

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。

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，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。

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。

2.4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。

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3．2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等。

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。

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3.2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。

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系统软件组成

整个系统软件可分为实时监测软件和数掘管理软件两大部分进行设计，其中包括数据接收、数掘处理与显示和超限报警等功能模块。

软件系统如图3.3所示：

实时监测部分

数据管理

参数配置

数据接收

数据处理

网络扩普

数据显示

数据查询

超限报警

GUI

图3.3软件系统结构图

1）GUI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SQL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。

2）参数配置模块实现对节点和端口等基本参数的配置，以及完成网关节点和其余传感器节点的命令交互。

3）数据处理模块