基于ARM和Ad Hoc无线自组网的水环境监测系统.docx

1、基于ARM和Ad Hoc无线自组网的水环境监测系统课 程 论 文基于ARM和Ad Hoc无线自组网的水环境监测系统 课程名称 计算机通信 姓 名 学 号 专 业 电子信息工程 任课老师 xx 日 期 2011年6月 华南农业大学工程学院摘 要 对湖泊水环境监测系统研究目的、水环境监测的内容、监测系统设计要求及所能达到的性能指标做简要介绍。 为了提高远程监测湖泊水环境的效率和可靠性。提出一种基于ARM和Ad Hoc无线自组网的水环境监测系统的设计，给出此系统的整体架构，分析此系统的硬件组成，采用LPC2478作为主控制单元，HLK-WIFI-M03作为无线通信模块。Ad Hoc是一种不依赖于固定

2、设施的、自组织的无线网络，其组网方便、快捷，不受时间和空间限制，既可应用于救援、会议、战场、探险、远距离或危险环境中的目标监控等场合，还可用于末端网络的扩展。Ad Hoc网络的主要特点是无线传输、动态拓扑、多跳连接、信道共享和带宽受限。 分析了Ad Hoc网络的体系结构,包括Ad Hoc网络节点结构，网络拓扑和一种用于Ad Hoc网络的通用协议栈，详细探讨了协议栈各层的相关设计问题,包括设计要点、策略和方法，进而针对本监测系统的实际情况，根据采用的方案对Ad Hoc网络的协议栈及各层协议的设计做了详细的分析。此系统效率和可靠性高,成本低,抗损坏性强,具有很好的发展前景。关键词：水环境监测系统

3、ARM Ad Hoc 自组网 协议设计目 录1 水环境监测概述 11.1 研究目的 11.2 监测系统的要求 11.3 水环境监测内容 11.4 监测系统工作性能指标 12 技术方案对比 22.1 方案一：基于ARM和无线自组网的水环境监测系统 22.1.1系统的整体架构 22.1.2 系统的硬件组成 32.2 方案二：基于工业以太网的水环境监测网络系统 42.3 方案比较和选择 43 Ad Hoc网络的体系结构 63.1 节点结构 63.2 网络拓扑 63.3 Ad Hoc协议栈 84 方案的实现方式 114.1 物理层 114.1.1 处理器模块 114.1.2 无线通信模块 114.1.

4、3 物理层标准的选择 124.2 数据链路层 134.2.1 MAC子层 134.2.2逻辑链路子层(LLC) 154.3 网络层 154.3.1 地址分配方式 154.3.2 路由机制的选择 164.4 传输层 174.4.1传统TCP协议及其遇到的挑战 174.4.2 基于拥塞控制的Ad Hoc传输层协议改进机制 194.5 应用层 21参 考 文 献 221 水环境监测概述1.1 研究目的湖泊生态环境的改变在自然状况下是缓慢而长期的，逐渐由量变到质变，最后直至消亡，人类的活动加速了这个量变过程，从而丧失了极其可贵的湖泊资源，破坏了湖泊的环境，也使湖泊失去了它原本的使用价值。设计本监测系统

5、目的在于对水质进行检测,找出其中的污染因子,以掌握其水质现状及其变化趋势；并在此基础上，对环境污染作出预测、预报和预防。1.2 监测系统的要求湖泊面积：500*500(平方米)监测点数量：100与监测中心的距离：5公里1.3 水环境监测内容（1）水质色度：通过色度粗略评价水质。（2) 水质PH值：分析水的酸碱度，使其与天然水质PH约6-9相比看污染状况。（3）水质水温：水温是主要的水质理化指标，为必测项目。（4） 电导率：测水的导电能力，看水中的离子浓度大小，看无机污染程度。（5）水质浊度：我们没有测水中具体悬浮物的量，通过浊度能给予一定的反映。1.4 监测系统工作性能指标传输方式：无线传输传

6、输速率：监测区传感器节点传输速率可达可达11KB/S传输距离：监测区现场无线传输模块在满足一定发射功率的情况下，传输距离可达100米左右，主站节点与监测中心利用移动蜂窝系统通信，所以在蜂窝通信系统的覆盖范围内可传输信息。2 技术方案对比2.1 方案一：基于ARM和无线自组网的水环境监测系统嵌入式系统(Embedded System)是一种软硬件可扩充或裁剪的专用计算机系统,以面向应用为主,是将计算机技术,半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。随着电子技术、通信技术、计算机技术的发展,全球日益信息化,嵌入式系统以其体积小、功耗低、使用方便等特点,广泛应用于各种工业、民用的计算机

7、系统中。在此提出一种运用ARM和Ad Hoc技术组成的一个远程无线监测湖泊水环境系统的方法。该系统具有成本低,可靠性高,维护方便的优点。Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动网络，网络中所有结点的地位平等,无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能,而且具有报文转发能力。Ad Hoc网络没有严格的控制中心。所有节点的地位平等,即是一个对等式的网络。节点可以随时加入和离开网络。任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗损性。网络的布局或展开无需依赖于任何预设的网络设施。节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。当

8、节点要与其覆盖范围外的节点进行通信时,需要中间节点的多条转发。与固定网络的多跳不同,Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成的,而不是由专用路由设备完成,每个节点包含了一个路由器和主机,而且往往是在同一台机器上。Ad Hoc网络是一个动态的网络。其节点可以随处移动,也可以随时开机和关机,这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。这些特点使得使用Ad Hoc网络作为无线监测系统的网络与普通的无线通信网络和有线通信网络相比有着显著优势。2.1.1系统的整体架构 此系统以嵌入式系统为核心,通过串行总线系统与Ad Hoc网络中位于主站的节点相连接,以ARM处理器为核心对整个系统进行控制。如图2-

9、1所示,各个采集终端定时通过各自所对应的传感器获得所需的水质监测数据。然后各个采集终端对获得的数据进行一定的处理,再利用自身节点通过Ad Hoc网络传送给主站接收。必要的时候主站也可以通过Ad Hoc网络对各个采集终端发出命令来主动得到数据和参数设置。在此系统中,并没有采用传统的有线的数据传输方式,而是采用Ad Hoc网络进行数据传输,避免了在恶劣的工业现场环境下布线和线路一旦损坏所带来的维护上的不便。并且使用了以ARM7体系结构的LPC2478作为主站处理器,使得整个系统移动性更加灵活,传输可靠性得到更好的保障,维护更加方便,成本也更低,操作起来也更加方便简洁。图2-1 系统整体架构在该监测

10、系统中,Ad hoc网络能单独组网实现湖泊水环境监测区域内节点通信,主站节点为了将数据传输到5公里外的监测中心处理，它可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络,与Ad hoc网络以外的主机进行通信。因此,Ad hoc网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段，与移动蜂窝系统整合在一起。2.1.2 系统的硬件组成该系统的硬件系统如图2-2所示,主要包括ARM的CPU控制模块,电源管理模块以及无线模块。图2-2 系统的硬件组成2.2 方案二：基于工业以太网的水环境监测网络系统以太网水环境监测网络系统就是在TCP/IP以太网平台上进行监控系统功能的集成和联动，利用Web技术和浏览器界面对

11、集成的系统进行管理和监控。即直接利用工业控制以太网来实现水环境监控网络的功能。该系统利用了网络单片机数据处理技术、嵌入式实时处理技术、关系型数据库技术、以太网传输技术、TCP/IP传输协议的传输及差错控制技术、人工智能技术、VC等高语言编程技术等高新技术。以太网水环境监测网络系统通过在数据监测点(遥测子站点)处安装数据采集及传输的终端设备，采集现场的水质情况的数据，然后利用基于TCP/IP传输协议的以太网，实时的将数据传送至控制中心，在控制中心的控制终端上，可实现实时在线监控监测点处的数据。该系统主要由两部分组成:一部分是上位机PC机)，主要作用是:集中控制，通过网络与下位机交换信息，实时显示

12、和控制各个遥测子站点的状态。当系统运行中出现故障时，能根据下位机所显示的信息快速的进行诊断处理，体现出该系统具有智能的特点。另一部分是下位机，由单片机构成，它是数据采集及传输的终端设备。在该系统中，要构建数字化多功能的信息平台，实现对水环境监测数据进行远程监测。2.3 方案比较和选择 首先，基于ARM和无线自组网的水环境监测系统具有成本低,可靠性高,维护方便的优点，Ad Hoc网络没有严格的控制中心。所有节点的地位平等,即是一个对等式的网络。节点可以随时加入和离开网络。任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗损性。Ad Hoc网络相比基于工业以太网的水环境监测网络系统，在传输方式上采

13、用无线传输，避免了在恶劣的工业现场环境下布线和线路一旦损坏所带来的维护上的不便。具有更大的优势。所以选择方案一。3 Ad Hoc网络的体系结构网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，也就是网络及其各部件所应完成的功能的具体定义。由于Ad Hoc网络的独特性，传统的体系结构和现存的大量协议在，Ad Hoc网络中不再适用。Ad Hoc网络的体系结构和设计方法应充分考虑网络的动态自组织特性和特殊的应用环境。3.1 节点结构 Ad Hoc网络的节点不仅具有移动终端的功能，还要完成路由器的功能。因此，网络节点通常包括主机、路由器和电台三部分。其中主机部分(外置计算机或嵌入式计算机)完成移动终端的功

14、能，包括人机接口、数据处理等;而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能;电台部分(无线接口)提供无线信息传输功能。从物理结构上分，如图3-1所示，节点可以被分为以下几类:单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。手持机一般采用单主机单电台结构，复杂的车载台可能包括通信车内的多个主机，它可以采用多主机单/多电台结构，以实现多个主机共享一个或多个电台。多电台使节点具有更大的灵活性和自适应能力，不仅可以使用多个电台来构建叠加网络，还可以作为网关节点来互联多个Ad Hoc网络。图3-1 Ad Hoc网络节点的几种物理结构3.2 网络拓扑 拓扑可变的网络包含四种

15、基本结构：中心式控制结构、分层中心式控制结构、完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。 前两种属于集中式控制结构，普通节点设备比较简单，而中心控制节点设备较复杂，有较强的处理能力，负责选择路由和实施流量控制。由于Ad Hoc网络中节点的能力通常相同，并且中心控制节点易被发现和易遭摧毁，使得Ad Hoc网络不适合采用集中式控制结构，特别是在战场环境中。完全分布式网络结构又称为平面结构，如图3-2(a)所示。在这种网络结构中，所有节点在网络控制、路由选择和流量管理上是平等的，原则上不存在瓶颈，网络比较健壮。源站和目的站之间一般存在多条路径，可以较好地实现负载平衡和选择最优的路由。另外，平面结构中节

16、点的覆盖范围比较小，相对较安全。但在用户很多，特别是在移动的情况下，存在处理能力弱，控制开销大，路由经常中断等缺点，并且无法实施集中式的网络管理和控制功能，因此它主要用于中小型网络。分层分布式控制结构又称分级结构，借鉴了全分布式和分层中心式的优点。分级结构中，网络被划分为簇（cluster）。每个簇由一个簇头(cluster header)和多个簇成员(cluster member)组成，由簇头节点负责簇间业务的转发。在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，因此大大减少了网络中控制信息的数量；并且具有良好的可扩充功能，网络的规模不受控制；簇头节点可以随时选举产生，因

17、此分级结构也具有很强的抗毁性。假设一个簇中的平均节点数为N，网络分级数为M，那么，网络中的总节点容量为。使用平面结构，节点需要维护O()条记录，而使用分级结构，则只需要维护O(NM)条记录。并且只有处于最高簇的节点需要维护O(NM)条记录数。在分级结构中，簇头节点可以预先指定，也可以由节点使用选举算法产生。根据不同的硬件配置，分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种结构。如图3-2(b)所示，单频分级网络只有一个通信频率，所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为虚拟骨干网。而在多频率分级网络中，不同级采用不同的通信频率。低级的节

18、点的通信范围较小，而高级的节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中，有多个频率，使用不同的频率来实现不同级的通信。在图3-2(c)所示的两级网络中，簇头节点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。目前在军事系统中，规模较大的Ad hoc网络常采用分簇结构，而且簇的划分和管理通常与作战单位相对应，不同簇的节点之间通信必须借助于簇间网关节点的转发完成。美军在其战术互联网中使用近期数字电台困(NTDR，Near Term Digital Radio)组网时采用的就是如图3-2(c)所示的双频分级结构，每个簇由一部NTDR充当簇头，簇内成员都在簇头的无线电中继范围

19、内，并且同属一个战斗单位组织。分级结构也有它的缺点：需要簇头选择算法和簇维护机制;簇头节点的任务相对较重，可能成为网络的瓶颈；簇间的路由不一定能使用最佳路由。这些问题都是在设计分簇网络结构时需要特别考虑的问题。图3-2 Ad Hoc网络的几种基本结构3.3 Ad Hoc协议栈根据Ad Hoc网络的特征，参照OSI的经典7层协议栈模型和TCP/IP的体系结构，可以将Ad Hoc网络的协议栈划分为5层，如图3-3所示。考虑到TC/IP协议称为事实的网络互联标准，Ad Hoc网络的体系结构应基于TCP/IP体系结构，并需要根据自身特点进行必要的简化、修改和扩充。例如，现有路由协议和组网方式都必须做重

20、大修改，无线网络中的TCP机制和性能也需重新评估，考虑与有线骨干网的无缝连接，兼顾网络的效率与抗毁性等。图3-3 Ad Hoc体系结构在协议栈中，各层的功能描述如下：物理层：功能包括信道的区分和选择、无线信号的检测、调制/解调等。由于多径传播带来的多径衰落、码间串扰，以及无线传输的空间广播特征带来的节点间的相互干扰，使得Ad Hoc网络传输链路的每带宽容量低，因此物理层的设计目标是以相对低的能量消耗，克服无线媒体的传输损伤，获得较大的链路容量。为达到上述目的，必须采用某些技术，比如调制解调、信道编码、多天线、自适应功率控制、自适应干扰抵消、自适应速率控制等。.数据链路层：MAC子层控制移动节点

21、对共享无线信道的访问，它包括两个部分，一是信道的划分，即如何把频谱划分不同的信道；二是信道分配，如何把信道分配给不同的用户。可以采用随机竞争机制(CSMA、EIEE802.11或MACA)、基于信道划分的接入机制(TOMA、FDMA、CDMA或SDMA)、轮转机制(轮询或令牌环)或动态调度机制。在Ad Hoc网络中，必须克服暴露终端和隐藏终端问题。逻辑链路控制子层负责向网络提供同一的服务，屏蔽底层不同的MAC方法。具体包括数据流的复用、数据帧的检测、分组的转发，确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。网络层：需要完成邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联功能。邻居发现用于收集网络拓扑信息。路由

22、协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由，将网络层分组从源节点发送到目的节点以实现节点之间的通信。路由协议包括单播路由和多播路由协议，此外还可以采用虚电路方式来支持实时分组的传输。传输层：向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网(下三层的细节)相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源，特别是当Ad Hoc网络需要接入Internet等外部网络时尤其需要传输层协议的支持。目前Ad Hoc网络的传输层还是基于传统有线网络中的传输层协议，包括传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)以及适用于无线环境的其他特定的传输层协议。应用层协议:提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和

23、丢失率限制的实时应用(紧急控制信息)、基于RTP/RTCP的自适应应用(音频和视频)和没有任何服务质量保障的数据报业务，此外还可以采用各种应用层协议和标准，如WAP(Wireless Application Protocol)。可选功能:包括功率控制机制、分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、服务发现、地址自动配置和安全策略等。这些可选功能模块在协议栈中的具体的位置取决于各功能模块的作用以及与上下层协议的关系。例如功率控制机制可以工作在物理层之上为链路层提供服务；信令协议一般在网络层之上工作为传输层提供服务；而分簇算法可以工作在链路层之上为网络层提供服务。此外，为了优化系统性能，应采用跨层的

24、协议栈设计方法。考虑到Ad Hoc网络中的能量极其宝贵，各个层也应采用相应的能量保护机制。需要注意的是该协议栈是一个通用Ad Hoc网络协议栈，对于具体的应用场合，该协议栈可以简化，去掉不必要的功能模块或添加新的模块，并根据系统和应用要求作进一步的细化。4 方案的实现方式4.1 物理层4.1.1 处理器模块这里所选用的处理器为NXP公司的ARM7系列芯片LPC2478,它的运行速率可高达72 MHz;具有98 KB的片内SRAM;512 KB片上FLASH程序存储器;具有4个带小数波特率发生功能的UART;多达160个通用I/O管脚; 4个通用定时器/计数器;LPC2478通过UART与无线模

25、块相连接来读取和发送数据。4.1.2 无线通信模块此系统所采用的无线通信模块为海凌科公司推出的全新的第三代嵌入式UART-WIFI模块产品HLK-WIFI-M03。传输速率可达11KB/S。产品特性如表4-1所示。表4-1 HLK-WIFI-M03产品特性接口无线其他双排插针式接口：HDR254M-2X4支持IEEE802.11b/g无线标准支持多种网络协议：TCP/UDP/ICMP/DHCP/DNS/HTT支持波特率范围：1200115200bps支持频率范围：2.4122.484 GHz支持自动和命令两种工作模式支持硬件RTS/CTS流控支持两种无线网络类型：基础网（Infra）和自组网（

26、Ad hoc）支持串口透明传输模式单3.3V供电支持多种安全认证机制：WEP64/WEP128/TKIP/CCMP(AES)WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK支持AT+控制指令集支持快速联网支持多种参数配置方式：串口/WEB服务器/无线连接支持无线漫游4.1.3 物理层标准的选择到目前为止，Ad hoc物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网的各种标准，其中包括IEEE80211系列、蓝牙(Bluetooth)、HiperLAN等标准所定义的物理层。本监测系统选择IEEE 80211系列物理层标准。在80211最初定义的三个物理层包括了两个道定义在2.4GHz的ISM波段内，可以

27、使用跳频扩频FHSS(frequency hopping spread spectrum)和直接序列扩频DSSS(direct sequence spread spectrum)技术，扩展频谱技术保证了802.11的设备在这个频段上的可用性和可靠的吞吐量，这项技术还可以降低同其他使用同一段的设备之间的相互干扰。8021l无线标准定义的传输速率是1Mbit/s和2Mbit/s。802.11规定了infrastructure和Ad hoc两种工作模式，在Ad hoc模式中(见图4-1)，至少需要包含两个无线终端，每两个无线终端之间直接相连实现资源共享，不需要无线接入点AP和分布式系统，由此构成的无

28、线局域网也称为独立基本服务集合IBSS(Independent Basic Service Set)网络。图4-1 802.11 Ad hoc工作模式8021lb的增强物理层增加了两个新的速率：5.5Mbit/s和11Mbit/s。为了实现这个目标，采用了补码序列CCK(Complementary Code Keying)与直接序列扩频技术，采用了动态速率调节技术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补偿环境的不利影响。在理想状态下，用户以11Mbit/s的全速运行。8021lg其实是一种混合标准，采用了8021la中的正交频分复用(OFDM)技术，可提供相对短距离的高达54Mbit

29、/s的速率，同时能适应传统的80211b标准，在24GHz频率下提供每秒11Mbit/s数据传输率。4.2 数据链路层4.2.1 MAC子层概述MAC子层主要用来管理和协调多个用户共享可用频谱资源的问题,它需要解决以下两个问题：如何将频谱划分为不同的信道以及如何将不同的信道分配给不同的用户。由于本系统采用2.4GHz的免费的ISM频带，根据实际应用情况，决定采用单信道通信。该系统用于监测湖泊水环境的一些参数，对实时性要求不高，所以可以采用随机接入机制。以下对接入控制机制的选择做简要说明。随机接入机制：对于突发性较强的数据业务,固定分配信道机制的效率较低。随机接入协议中,用户通过竞争的方式来共享

30、有限的信道资源,并且可以通过CSMA机制来监听信道和延迟分组传输以减少冲突。CSMA在单跳环境下可以很好地工作,因为用户可以互相监听到其它用户的传输,但是多跳的无线环境由于存在隐终端使得CSMA不能有效地检测和避免冲突,此外存在的暴露终端问题会降低信道的利用率。MAC协议通常采用握手机制来解决隐终端和暴露终端问题,如MACAW和IEEE802.11，但增加了系统开销和能量耗费,因为节点需要接收所有的消息来检测是否收到CTS消息,并且对于实时数据而言,节点退避时间过长会使数据无效,此外如果节点长时间无法获得信道,将会使缓存溢出而丢失分组。考虑到采用单信道机制无法彻底解决隐终端和暴露终端问题,可以

31、借助于忙音机制或双信道机制。随机接入实现简单,不需要了解网络拓扑和实施全局控制,容易配置。改进的动态指数增加、指数减少退避算法（IMEIED） 在BEB算法和EIED算法的基础上，提出一种改进的动态时延退避策略。定义一个退避时间的上限Tmax=CWmax*aSlotTime和下Tmin=CWmin*aSlotTime。对每个新加入的节点，为使其具有基本相同的退避时间初值，而且又避免两个竞争节点的退避时间完全相同，以致发生碰撞，在区间Tmin,Tmax区间定义一个小区间A。每个新加入的节点在A上随机选取一个值作为初始退避时间值T，利用上个竞争周期节点发送的RTS数rtime来估计在该节点处的冲突次数，从而对信道的争用进行估计。并设置一个冲突次数门限值G，当rtime等于门限值G时，T的取值为区间A中的随机量。如果rtime小于门限值G，说明网络当前的负荷比较小，退避时间可以选择小点，则调用Fdec函数减小退避计数器的值；反之，若rtime大于门限值，说明此时网络负荷较大，则调用函数增加退避计数器的值。改进算法的Finc和Fdec函数通过下式计算;Finc:Counter=Min(ri*T,TMAX)Fdec:Counter=Max(T_/rd,TMIN)区间A的值和门限值G都要根据网络来选择。该算法流程如下。步骤1：初始状态下，节点的T值为区间Tmi