棉田无线传感器网络监测系统设计毕业设计论文.docx
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棉田无线传感器网络监测系统设计毕业设计论文
石河子大学
信息科学与技术学院毕业设计论文
课题名称：
棉田无线传感器网络监测系统设计
学生姓名：
倪明浩
王宇
学号：
2008082433
2008082455
学院：
信息科学与技术学院
专业年级：
电子信息工程2008级
指导教师：
田敏
职称：
副教授
完成日期：
2012年6月6日
棉田无线传感器网络监测系统设计
学生:
倪明浩王宇
指导教师:
田敏
[摘要]随着射频以及集成电路技术的飞速发展，各种中短距离的无线数据传输技术大量涌现，并且日渐成熟，并且在功耗和数据传输距离和速率等方面呈现出多样化的特点，可以满足不同场合下的应用要求。
在实际生产生活的很多领域中，各种无线数据传输技术已经开始普及应用。
本设计正是在这样一种背景下，探讨和研究实现利用无线传感器网络（基于ZigBee技术）来实现对棉田等农业生产现场的数据进行采集，利用一些如CAN或者485之类的现场总线来进行集中传输，同时引入了GPRS模块，使得无线传感器网络具有了与Internet中的计算机节点进行交互通信的能力，还可以通过B/S模式的信息管理系统或者手机短信等方式与用户进行交互。
关键词：
无线传感器网络；ZigBee；GPRS；CAN总线；485总线
Abstract
Student:
Ni-MingHaoWang-Yu
Teacher：
Tian-Min
[Abstract]AlongwiththerapiddevelopmentsofRadioFrequencyandIntegratedCircuitTechnologies,manydifferentkindsoflowormediumrangewirelesscommunicationtechnologiescomeoutandmature,somecharacteristicsofthesetechnologiessuchaspowerconsumption,communicationrangeordataratearequitedifferent.Inmanyareasofeverydaylife,thesewirelesscommunicationtechnologieshasbeenwidelyused.Thisarticlemainlyfocusesonwirelesscommunicationstechnologiesanditsapplicationsindataacquisitionandmonitoringscenarios,tobemorespecificZigBeetechnologyanditsapplicationinagriculturalautomation,andalsoexplorestheinter-connectionbetweentraditionalfieldbustechnologiessuchasCANorRS485andZigBeenetworks.Touploadthedatapacketstothoseserversoninternet,GPRSmoduleisusedinthedesign.TheGPRSmoduleprovideuser-configurableTCPIPlinkstotheserversintheinternet,throughwhichtheuserdatacouldbeuploadedandprocessedbysomeserver-sideapplicationsorB/SManagementInformationSystemswhichisquitepopularandwidelydeployed.
Keywords:
WSNwirelesssensornetwork;ZigBee;CAN;RS485;GPRS
第一章、概述和介绍
1.1项目简介
本项目利用无线传感器网络实现棉田信息监测数据采集和监控,通过测控区域内节点间的自动组网,在网络容量足够大（监控点多）的基础上保证信号传输的安全和实时性,还要能够通过远程控制（手机或者上位计算机）来实现对农业自动化设备的管理。
基于无线传感器网络的棉田信息监测系统采用了无线传输方式来构建无线传感器现场监测网络，能够较好地解决传统无线数据采集方式存在的问题。
具有以下优点。
（1）无线传感器网络的自组织特性使得信息获取系统的组建不需要额外的硬件支持，微型化的无线传感器网络节点更易安装，不需要进行架设和复杂布线。
同时，微型化的无线传感器网络节点还具有数据采集、数据处理与数据传输的功能，因此，施工难度要比传统检测系统小。
（2）无线通信方式减少了布线的投入，降低了维护和维修的难度，增加了通信的灵活性，无线传感器网络节点的廉价性使得大面积布设监测装置成为可能，大量监测点的出现和节点监测区域的相互交叠使得通信线路存在一定的冗余备份，增加了通信的可靠性[1]。
（3）无线传感器网络节点集成多种类型的传感器，使得同时采集多个事件特征数据成为可能。
因此可综合利用直接方法与间接方法的优势，同时完成对宏观异常事件和微观异常事件的准确、及时检测，不但大为缩短了微观事件的检测时间，还可定性事件的类型。
（4）无线传感器网络的自组织特性。
新节点可以随时加入，而不对原有网络造成影响。
因此，基于无线传感器网络的远程数据获取系统具有较好的扩展性。
因此，研究一种基于无线传感器网络的棉田信息监测系统，将其与棉田滴灌系统相结合可有效控制棉田土壤水分及温度，并能准确获知棉花生长过程中必要信息，对提高兵团棉花产量具有重要意义。
（5）采用了无线网络和有线网络配合使用的方案，底层的节点采用无线方式，具有方便、灵活的特点，网关之间采用CAN等现场总线的方式，具有稳定、高速、
传输距离长、抗干扰能力强等特点，同时引入GPRS模块，可以将系统数据上传到Internet中，使得系统具有与各种新建和已有信息管理系统进行对接的可能，便于集成和扩展系统功能。
同时支持手机短信方式进行系统管理和控制，这也是一个非常实用的功能。
1.2国内外研究现状
无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，所需要研究的内容包括通信、组网、管理、分布式信息处理等许多方面。
无线传感器网络通常运行在恶劣，甚至危险的工农业生产环境中。
网络中的节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，但是网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，采用节能的路由传输策略以延长网络的生命周期，成为传感器网络的核心问题。
从国外的研究现状看，美国在无线传感器网络方面进行了较深入的研究。
美国的加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、康奈尔大学等高校已经进行了无线传感器网络基础理论和关键技术的研究。
加州大学伯克利分校提出了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及重构传感器节点位置的方法等，并研制了一个基于传感器网络的操作系统TinyOS。
加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络环境模拟系统，用于研究无线传感器网络中出现的问题。
南加州大学提出了部属移动传感器节点的方法、节省能量的计算聚集的树结构算法等。
麻省理工学院已经开始研究用于超低能耗无线传感器网络的方法和技术。
针对无线传感器网络通信协议的特殊性，康奈尔大学等高校开展了相关研究，先后提出了基于谈判类协议、定向发布类协议、能量敏感类协议、多路径类协议，传播路由类协议、介质存取控制类协议、基于集群的协议、以数据为中心的路由算法等新的通信协议。
英国、日本、意大利等国家的一些高校和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作，且取得了一些初步的研究成果。
目前，国外各大半导体公司都推出了各种使用不同应用场合的无线通信解决方案，其中以德州仪器TI公司的产品线最为丰富，其CC系列射频芯片包括了收发器、射频前端放大、片上系统等，工作频率覆盖范围广，配套开发工具和软件业非常完善。
以ZigBee为例，TI公司不仅开发了基于ZigBee2007协议的协议栈软件，还开发了TI自有的SimplicTI以及TIMAC等软件协议栈，使得无线传感器网络的开发和应用更为容易，MicroChip公司也称开发过ZigBee协议栈，目前ST意法半导体公司也推出了一些可以与其Cortex-M0系列低功耗处理器配套的ZigBee收发器芯片等。
无线传感器目前已经开始逐步走向市场应用和推广。
从国内的研究来看，我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动,研究机构如中科院、清华/大学、国防科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对无线传感器网络进行了跟踪研究。
1999年,国内对无线传感器网络的研究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。
2001年,中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目，初步建立了无线传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和应用系统等方面取得很大进展。
中国科学技术大学针对无线传感器网络节点定位问题进行了研究，提出了一种新的节点定位算法，该算法不需要任何额外的硬件支持，节点间通信开销少。
其对节点每跳距离的计算有利于解决节点的故障问题，提高节点的探测性能。
浙江大学成立了“无线传感器网络实验室”，联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调通信理论方面的研究。
目前，国内已经开始有部分城市开始使用基于无线传感器网络技术的产品，如济南市的基于ZigBee的路灯照明控制系统。
但从总体上来讲，国内关于传感器网络的研究还仅仅处于起步阶段，但传感器网络技术是一门新兴的综合性技术，国内外的差距还不是很大，及时开展对这项影响深远的前沿科学研究，对社会和经济都具有重大的意义。
第二章、技术选型及方案设计
2.1各种备选方案介绍
1、蓝牙（Bluetooth）技术
在10米到100米的空间内，支持该技术的所有移动或非移动设备可方便地建立网络、进行音频通信。
蓝牙技术的最终目标是建立一个全球统一的无线连接标准，使不同厂家生产的移动计算机和便携式设备，能在近距离通过无线的方式连接起来，实现交叉操作及交互信息数据共享。
各种信息化的移动便携设备通过无线的连接方式实现资源共享。
蓝牙列入了IEEE802.15.1，其规定了包括PHY层、MAC层、网络层和应用层的集成协议栈。
蓝牙的工作频率为2.4GHz，有效范围为半径约10m内。
在其范围内，设备相互间可自动使用无线的方式连成一个微微网（Piconet），进行联络与确认。
多个Piconet间也可互连形成散射网（Scatternet），在不需要用户干预的情况下，可通过相应的控制软件建立连接，进而传输数据。
为对语音和特定网络提供支持，蓝牙需要协议栈提供250kB的系统开销，从而增加了系统的成本和复杂性。
另外，蓝牙对每个微微网只能配置7个节点，制约了其在大型传感器网络中的应用。
2、Wi-Fi（IEEE802.11）技术
Wi-Fi（WirelessFidelity,线高保真）一种无线通信协议。
IEEE802.11的最初规范是在1997年提出，主要目的是提供WLAN接入，是目前WLAN的主要技术标准。
IEEE802.11流行的几个版本包括：
“a”（波段为5.8GHz，带宽为54Mbps）、“b”（波段为2.4GHz，带宽为11Mbps）和“g”（波段为2.4GHz，带宽为22Mbps）。
IEEE802.11版本的复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难，IEEE802.11标准目前还没有被工业界广泛接受。
Wi-Fi技术的工作频率为2.4GHz，最高传输率能达到llMbps。
Wi-Fi规定了协议的物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层，并依赖TCP/IP作为网络层。
Wi-Fi技术能让无线用户得到以太网的网络性能及速率，且可无缝地将多种LAN技术集成起来，形成一种能最大限度地满足用户需求的网络，具有部署方便、通信可靠、抗干扰能力强、成本低、灵活性好、移动性强、吞吐量高等特点。
由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电，这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。
3、IrDA技术
lrDA[即红外数据协会，全称TheInfraredDataAssociation，是1993年6月成立的一个国际性非营利组织，专门制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连的世界标准，目前在全球拥有160个会员，参与的厂商包括计算机、通信硬件、通信软件及电话公司等。
lrDA的宗旨是制订以合理的代价实现标准和协议，以推动红外通信技术的发展。
IrDA标准的无线设备传输速率已从115.2Kbps逐步发展到4Mbps、16Mbps。
红外无线通信技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，也就是说，红外通信是利用红外光进行通信的一种空间通信方式。
红外无线通信技术由于其价格低廉，使用方便，解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视，并吸引了大量资金来进行相关的研究与开发。
目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。
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、不需申请频段及技术比较成熟的特点，但IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。
4、超宽频（UWB）技术
超宽频（UWB）技术始于20世纪60年代，当时主要研究微波网络在面对时域脉冲时产生的瞬间行为。
80年代后期，UWB技术开始被称为无载波或脉冲无线电，美国国防部在1989年首次使用“超宽频”这个词。
UWB技术带宽相对较大，分辨率高，抗多径衰落强，抗干扰强、保密性好、定位精确、系统容量大且传输速率高。
根据最新的美国联邦通信委员会（FCC）的定义，超宽频系统的中心频率高于2.5GHz，并具有至少500MHz的-10dB频宽。
UWB种类众多，因此潜在的应用也相当广泛，包括无线局域网（WLAN）、个人局域网络（PAN）、短距离雷达（如汽车传感器、防撞系统、智能型高速公路感测系统及液态物体书评侦测系统）、穿地雷达，以及应用在医疗监视与运动员训练等领域的人体局域网络。
5、ZigBee技术
ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳Zigzag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的，是一种通过简捷方式实现“无线”沟通的方式。
人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术，这也包含了这种寓意。
ZigBee作为一种无线连接新规格，可工作在2.4GHz（全球开放频段）868MHz（欧洲）和915MHz（美国）这三个频段上，并在这三个频段上分别具有250kbps、20kbps和40kbps的最高理论数据传输速率。
它的传输距离在10m～100m的范围内，并且可以更大。
实际的传输距离依据发射功率的大小和应用模式而定。
其实这个传输距离已经完全可以满足家庭和办公环境的应用需求。
而且，一台ZigBee设备可以连接多达254个其他ZigBee设备。
在标准化方面，IEEE802.15.4协议主要负责制定物理（PHY）层和媒体控制（MAC）层的协议，其它协议主要参照和采用现有的标准，而高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟（ZigBeeAlliance）负责。
ZigBee技术的主要优点有：
可靠：
由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，ZigBee技术可以确保用两节五号电池支持节点工作长达6个月到2年左右的时间。
可靠：
采用了碰撞避免（CSMA-CA）机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙（GTS,Guaranteedtimeslot），避免了发送数据时的竞争和冲突。
MAC层可以采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
成本低：
模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且ZigBee协议免专利费.
时延短：
针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。
设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms；
网络容量大：
一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；
安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用接口层、网络层、数据链路层和物理层组成。
网络层以上协议由ZigBee联盟（ZigBeeAlliance）制定，IEEE负责物理层和链路层标准。
2.2技术方案比较
图2-1各种短距离无线通信技术的比较
如图2-1所示，对比各技术及综合考虑各种因素之后，我们决定采用ZigBee技术作为本系统的无线传输技术，主要原因有以下几点：
1、成本低、功耗低、网络容量大、安全可靠。
从ZigBee标准被提出开始，ZigBee技术就在各种领域被应用，经历了实践检验，协议本身也经过之后的两次修改，日趋完善。
目前随着物联网概念的提出，ZigBee技术有进一步普及的趋势。
2、系统硬件构建难度和复杂度相对较低，以TexasInstrument为代表的各大半导体厂商为ZigBee开发生产了一系列的专用芯片，包括射频前端放大器、无线收发器、片上系统等各种档次不同类型的芯片，这些芯片的出现，极大的降低了构建ZigBee应用系统的复杂度和风险性。
3、应用软件开发和完备的协议栈支持。
TI和Microchip都有为ZigBee开发出了协议栈软件，并且提供支持和维护，加上ZigBee协议本身应用程序框架的支持，开发基于ZigBee技术的应用软件变得更加方便。
4、低功耗特性。
对于我们的监测系统来说，功耗是一个很致命的限定因素，它直接关系到成本和可维护性，ZigBee协议本身的低功耗设计，配合各种精心设计的ZigBee专用芯片，可以使功耗最大程度的降低。
ZigBee协议栈层次结构主要由应用层、应用接口、网络层、数据链路
层和物理层组成，如图2-2所示：
图2-2ZigBee协议栈层次结构
物理层：
采用DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum直接序列扩频）技术，可提供27个信道用于数据收发。
IEEE802.15.4定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两种物理层标准。
物理层的主要功能包括：
激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估，收发数据。
媒体介入层：
IEEE802.15.4MAC（MediumAccessLayer）层提供了两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务。
数据服务使MAC层协议数据单元的收发可以通过物理层数据服务。
管理服务通过MAC层管理实体服务接入点访问高层。
IEEE802.15.4MAC层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙（GTS）管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。
数据链路层：
IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC（LogicLinkControlLayer）。
IEEE802.15.4MAC子层支持多种LLC标准。
MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输；而LLC子层在MAC子层的基础上，给设备提供面向连接和无连接的服务。
MAC子层功能包括：
设备之间无线链路的建立、维护和结束，确认模式的帧传送与接收，信号接入控制，帧校检等。
LLC子层主要功能包括：
传输可靠性保障和控制，数据包的分段与重组，数据包的顺序传输。
网络层：
建立新的网络，处理节点的进入和离开网络。
根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。
应用接口子层：
主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体包括设备发现，业务发现，安全与鉴权，多个业务数据流的汇聚。
在构建基于ZigBee技术的无线通信网络时，我们将选用TI公司的片上系统（SOC）解决方案CC2430。
这款芯片是从CC2420无线收发器的基础上演变而来，在CC2420的基础上，CC2430加入了一个高速51兼容内核,加入了片上128KBFlash，8KBSRAM其中4KB可以在在极低功耗模式下保持数据，拥有四个定时器，双USART,DMA控制器，支持18个中断源，有6种中断优先级。
支持各种低功耗模式，并且可以在外部数据中断下迅速切换到正常工作模式。
由于这是一款功能完备的片上系统芯片，所以它只需要很少的外围器件即可工作，降低了复杂度，提高了系统的稳定性。
目前，该芯片广泛应用，所以容易获取，开发工具和资料也很充足[2][3]。
2.3总体实施路线和方案
1、无线传感器网络节点的设计。
包括终端节点，路由节点和协调器节点的设计。
终端节点负责采集数据，传感器模块使用半导体工艺的数字温湿度传感器，采用电池供电。
路由器节点负责将终端节点的数据进行转发，不进行数据采集。
协调器节点负责建立无线传感器网络，确定初始参数，存储转发数据，通过数据链路向上传输数据。
2、数据汇聚网关的设计
网关主要采用CAN或者485等现场总线技术进行网关间的互联，并且通过网关上的ZigBee模块与无线传感器网络进行连接，收集传感器网络中的数据，并且通过串口或者GPRS模块将数据传输到上位计算机或者Internet中的计算机。
网关根据是否需要向上层传输数据而稍有区别，不需要上传数据的网关，不需要具备GPRS模块，只需要收集无线传感器的数据，并且将其传输给向上层传输数据的网关，而需要向上层传输数据的网关相当于一个对外的出口，所以其必须能够与上位计算机通信，比如通过串口、或者通过GPRS网络建立TCP连接，进行连接。
3、上位计算机软件和手持设备及人机界面的设计
通过无线传感网络将温度、湿度等环境因素的信息传到网关节点，然后通过有线（RS232）或者无线（GPRS）上传到上位计算机，并且存入数据库，然后通过B/S方式的简易信息管理系统将数据展示给用户，用户也可以通过手机短信的方式与系统进行简单的交互。
第三章、详细方案设计
3.1系统抽象层次结构
整个系统划分为三层，最上层为控制表示层，中间为数据汇聚层，最底下为数据感知层，如图3-1所示。
图3-1系统抽象层次结构示意图
控制表示层：
这是整个系统的最上层，主要以PC端控制监视程序和一些手持管理设备组成，主要实现系统状态、监测数据可视化，实时监控报警，远程控制指令发送等功能。
数据汇聚层：
这一层在整个系统中起到承上启下的作用，它将底层采集的数据进行接收汇总，并且进行一些简单的预处理，之后向上层传输；由于通往上层的出口有限，所以在这一过程中，还需要对本层不同节点的数据进行中继和转发。
数据感知层：
主要实现各种目标物理量的采集、感知、传输，必要时可以作为上层控制信号接受终端，驱动执行器进行各种动作。
3.
升级会员 