基于SNAP网络的实验室监控系统方案设计书.docx

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基于SNAP网络的实验室监控系统方案设计书

专业：

电子信息班级：

0941

学生姓名：

杜立鹏学号：

08

指导教师：

李悦

目录

目录1

绪论2

第一章Zigbee与SNAP的技术对比分析4

第二章系统总体设计5

第三章系统硬件设计6

1．节点接口模块6

2　采集节点模块7

第四章系统软件设计8

第五章应用效果10

参考文献11

绪论

无线传感器网络（wirelesssensornetwork）是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线网络连接形成的一个多跳的自组织网络系统。

随着无线传感器网络（以下简称传感器网络）理论与技术的不断成熟，作为当前信息科技领域的研究热点，以及物联网关键技术之一，随着美国“智慧地球”计划，以及我国“感知中国”计划的提出，传感器网络的应用已经由国防军事领域向环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域扩展。

目前，国内外的一些企业、高校及科研院所已投入力量，积极推进传感器网络的研究开发工作．虽然，目前针对传感器网络的诸如路由、定位以及拓扑控制等算法层出不穷，然而，与传统的网络相比，传感器网络中的单个传感器节点处理能力有限，是一种资源受限的分布式网络，网络中所包含的节点数量大，应用的环境复杂多变。

如何对传感器网络的相关研究成果进行验证和测试，以保证其在实际工作中稳定高效运行，已经成为亟待解决的问题之一。

目前在传感器网络的研发和测试工作中，从业人员一般采用软件模拟和小规模部署节点测试的方法来验证理论算．软件模拟可以进行大规模网络仿真，但是由于传感器网络采用无线传输的特性，在真实环境中存在无线信道冲突、信号多路传输、互相干扰等问题，软件模拟采用相对理论化的模型，难以模拟真实物理环境和无线信道模型。

小规模部署节点测试，虽说考虑到真实物理环境，但是对于传感器网络这种大规模，多节点协同作用的特性，不具备典型意义。

因此能适合大规模传感器网络的辅助测试平（testbed），正在引起越来越多研发机构和人员的广泛关注．近年来国内外一些著名大学、商业研究机构纷纷建立了相应的辅助测试平台软硬件开发，其中比较有代表性的是Crossbow公司的Moteworks开发测试监控平台，哈佛大学的MoteLab平台和国内宁波中科集成电路设计中心的SNAMP平台。

Moteworks是国际著名传感器网络研发公司Crossbow针对其系列传感器节点及网络，为用户提供的一个网络监控平台，由节点端（mote）、中间件（server）和客户端（client）3部分组成。

节点端包括用户无线传感器节点和基站节点，基站节点负责收集所有用户节点的通信信息，中间件发测试监控平台，但是其主要针对特定的传感器节点以及特殊的应用背景，因此功能比较局限。

通过基站节点收集用户通信数据无法关注网络中间节点的数据包通信状态，另外其较为昂贵的价格也并不适用研究机构做传感器大规模部署的开发测试工作。

MoteLab平台是哈佛大学开发的无线传感器网络辅助测试平台，它最初部署了26个MICA2节点，各节点分别装置在Crossbow公司开发的具有以太网接口的编程板（如MIB-600或者Stargate）上，进而与服务器相连．服务器通过以太网对节点进行重编程以及收集实验数据，并通过Web的方式提供了试验任务管理，日程调度和用户访问控制等功能。

MoteLab是以共享测试床为目的架构和布置的，因此无法实时监控分析节点运行和网络通信情况，更重要的是MoteLab平台通过给每个节点连接具有以太网接口编程板，极大增加了测试平台的成本，不适合大规模的传感器网络测试应用。

SNAMP（sensornetworkanalysisandmanagementplatform）是宁波中科集成电路设计中心研发的支持无线传感器网络开发和调试的测试平台。

SNAMP为无线传感器网络的开发和调试提供了真实的软硬件基础平台和物理环境，提供了脚本形式的接口，拥有多种可视化用户接口，提供了多种输出文件，方便用户进行离线调试和分析，以及快速恢复实验设置。

而,SNAMP每个节点都须连接一个测试节点，增加系统成本；架构上参照Moteworks，同样无法很好解决覆盖问题以及在大规模网络中中间节点的问题，另外由于SNAMP是面向GAINS节点的定制产品，因此不具备通用性。

传感器网络的发展对相关测试调试技术提出了诸如实时性、方便性、通用性、可移植性、适合大规模传感器网络等新的要求。

SNAP平台适用于大规模的传感器网络，满足现在传感器网络架设测试的需要，实时收集网络中所有节点的运行情况并进行记录和分析；在不影响系统正常工作及无需对网络进行拆装的情况下，对大量传感器节点程序进行升级。

第一章Zigbee与SNAP的技术对比分析

ZigBee技术是一种在900Mhz及2.4GHz频段的无线通讯协议，底层基于IEEE802.15.4标准。

它的特点是低成本、低功耗（五号电池半年到一年）、低数据率（250Kbps），网络结构优良。

在楼宇中布局一个ZigBee网络，需要考虑好标准ZigBee的三种角色。

网络只能由协作者创建；端节点不能转发；加入网络需要申请；退出要汇报及调整路由。

ZigBee技术的典型应用，开发流程，TI协议栈结构如图1-3所示。

图1zigbee网络应用示意图图2zigbee开发流程图图3zigbee协议栈结构图

2008年11月18日，CEL公司与Synapsewireless合作开发Snap网络，颠覆ZigBee传统的开发方式。

SNAP网络协议是一款由Synapse公司开发的无线mesh网络协议，Synapse公司是国际上专业的无线网状网软硬件解决方案提供商，SNAP为复杂的ZigBee网络提供一个简单、可靠、智能的完整组网方案，同时，因为使用“对等网络”概念，功耗优化明显，冗余性能优异。

可实现边施工边开发的全新模式。

如图4所示。

SNAP使用3字节地址，单个网络1千6百万个节点，65536个子网络。

16个射频通道，总共2亿6千万个节点。

Python是一种先进但是简单的脚本语言，类C语法，一学就会，不学也会。

采用固件+脚本+OTA的全新开发理念。

开发流程如图5所示。

栈结构如图6所示。

图4SNAP网络应用示意图图5SNAP开发流程图图6SNAP协议栈结构图

第二章系统总体设计

SNAP平台主要由包括节点接口模块（MoteInterface）,采样模块（Sniffer）,用户控制模块（ControlInterface）三大基本部分组成。

第1部分节点接口模块负责获取节点的通信和内部信息并提供内部程序调用接口；第2部分采样模块负责节点数据的采集与控制；第3部分用户控制模块负责数据的集中处理、分析存储、消息转发以及数据的展示、节点命令的发布。

SNAP系统的总体架构如图7所示：

图7　SNAP整体架构

第三章系统硬件设计

1．节点接口模块

节点接口模块（moteinterface）是基于传感器节点内部操作系统的调试网络接口程序，用于获取节点内部变量、无线通信数据和打印数据等信息．目前对于传感器节点内部操作系统，TinyOS它是一种专门为嵌入式操作系统设计的基于组件架构方式的传感器节点操作系统，其采用的轻量级线程技术、两层调度方式、事件驱动模式、主动消息通信技术及组件化编程等有效地提高了传感器节点CPU的使用率，有助于省电操作并简化了应用开发TinyOS系统、TinyOS库和基于TinyOS的应用基本上都是用C语言开发的.目前在世界范围内，有超过500个研究小组或者公司正在Telos,Tmote,Mice系列等节点上使用TinyOS.我们开发的SNAP平台正是基于Tinyos操作系统，目前已经友好地支持TinyOS2.X版本．我们开发的名为TinyOS_Patch节点接口模块包括数据接口与命令接口，节点通过射频天线在发送Zigbee数据时，也将Zigbee数据以特定格式向数据接口转发，采集模块通过侦听接口，就可以获取节点通信数据．同时研究人员也可以在待测试的节点程序中按照一定格式调用接口命令，以获得节点某些内部数据．命令接口用于采样模块与传感器节点进行交互，如设置节点无线发射能量,获取节点信息等．我们的TinyOS＿DPatch节点接口模块设计轻巧，只占用少量CPU周期执行指令，不影响传感器节点主程序运行．用户在使用SNAP平台时，只要将编写好的传感器应用程序与具有接口模块的操作系统联接编译，就可以生成具有可交互功能的执行程序，而无需或者少量修改自身程序，极大地方便了研究人员的使用．节点接口模块设计使用流程如图8所示:

图8　节点接口模块设计使用流程

2　采集节点模块

我们目前的SNAP系统支持诸如Telos,Tmote等使用USB端口作为数据传输口的传感器节点．这种类型的节点，因其设计轻巧、与用户交互方便被广泛应用在传感器科研以及商业领域.在SNAP平台中，采样模块（Sniffer）的作用相当于一个数据收集和控制网关,一边通过USB端口连接传感器节点，一边通过以太网或无线局域网连接用户控制模块．采样模块通过上述介绍过的节点接口模块可以获取节点内部变量以及通信数据等信息，并将这些数据信息通过网络传输给用户控制模块．同时，采样模块支持从用户控制模块获取最新的传感器应用程序,并将其上载到传感器节点中.我们专门自主开发了采集模块的硬件载体D-Sniffer采集板.D-Sniffer的模块设计结构如图9所示:

图9　采集节点模块

第四章系统软件设计

为配置ZM2410芯片，采用了zigbeeCfg应用程序。

首先完成对串口参数的设置：

115200波特率，8位数据位，1位停止位，N奇偶校验。

然后升级固件，如图10所示，升级完成，点击“ZLGnet”->本地模块->基本信息->获取信息。

效果如图11所示。

图10升级固件图11获取本地信息

通过修改“本地网络地址”为“2517”“2508”“2524”，分别设定安放在517实验室和524实验室的节点，以及安放在走廊内的节点。

如图12所示。

系统上电、安置完成后，通过点击“查找路由表”，找到2517的网络节点。

如图13所示。

图12修改本地地址图13查找服务器节点

完成网络连接后，使用串口调试助手ZYICOMTEST软件，进行通信测试，通信正常。

如图14所示。

编写温度、光照度、湿度、红外检测等相关节点程序。

程序被下载至各实验室的采集节点。

在517实验室的主节点处，收集所有信息。

以采集温度为例，主程序如下：

/**************************************

温度传感器DS18B20测试程序

主芯片:

STC90C52RC（12T）

工作频率:

12.000MHz

**************************************/

#include"REG51.H"

#include"INTRINS.H"

typedefunsignedcharBYTE;

sbitDQ=P3^3;//DS18B20的数据口位P3.3;

......

voidmain（）

{

DS18B20_Reset（）;//设备复位

DS18B20_WriteByte（0xCC）;//跳过ROM命令

DS18B20_WriteByte（0x44）;//开始转换命令

while（!

DQ）;//等待转换完成

DS18B20_Reset（）;//设备复位

DS18B20_WriteByte（0xCC）;//跳过ROM命令

DS18B20_WriteByte（0xBE）;//读暂存存储器命令

TPL=DS18B20_ReadByte（）;//读温度低字节

TPH=DS18B20_ReadByte（）;//读温度高字节

while

（1）;

}

图14串口通信实验

第五章应用效果

我们在新实验楼5楼，布置了3个传感器节点，应用SNAP平台进行传感器网络的实验分析。

图15-18展示了实验过程中的几处场景。

图15　走廊实验实景图1图16　走廊实验实景图2

图17　517实验室实景图图18　524实验室实景图

参考文献

［１］王兴亮，吴成科.无线传感器技术.北京：

电子工业出版社，2001

［２］宋组顺，等.现代通信原理.北京：

西安电子科技大学出版社，1993

［３］张新政，等.数字通信原理与技术.北京：

电子工业出版社，1995