畢業(yè)設(shè)計---溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的</p><p>　　溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計（論文）題目：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：</p&

2、gt;<p>　　1、了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)的原理和機(jī)制；</p><p>　　2、對設(shè)計題目所涉及理論進(jìn)行闡述；</p><p>　　3、編寫相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議程序并進(jìn)行注釋；</p><p>　　4、設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集硬件電路；</p><p>　　5、對所設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行軟件仿真并進(jìn)行調(diào)試改進(jìn)；</p><p>

3、;　　6、撰寫設(shè)計后的心得體會。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：</p><p>　　1、完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計；</p><p>　　2、完成英文資料翻譯，英譯漢字?jǐn)?shù)要求5000字以上；</p><p>　　3、論文中所用參考文獻(xiàn)不少于25篇，其中英文資料不少于9篇；</p><p

4、>　　4、畢業(yè)設(shè)計論文中要有12幅以上電路圖和設(shè)計圖；</p><p>　　5、完成畢業(yè)設(shè)計論文，字?jǐn)?shù)不少于12000字。</p><p><b>　　必讀參考資料：</b></p><p>　　1.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》孫利民， 李建中， 陳渝 ， 朱紅松  清華大學(xué)出版社 2005 </p><p>

5、;　　2.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用》 李善倉，張克旺 機(jī)械工業(yè)出版社 2008</p><p>　　3．《數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)》 馬明建 西安交通大學(xué)出版社 2005</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名 系主任簽名 </p><p><b>　　院長簽名（章）</b></p>&

6、lt;p>　　武漢理工大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p>

7、<p>　　1.1 課題的背景、目的與意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 本課題研究主要內(nèi)容及論文組織結(jié)構(gòu)3</p><p>　　1.3

8、.1 本文主要研究內(nèi)容4</p><p>　　1.3.2 本論文的組織結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2 溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)指標(biāo)5</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)功能特點5</p><p>　　2.1.2 技術(shù)指標(biāo)5</p><

9、p>　　2.1.3 節(jié)點硬件平臺和軟件系統(tǒng)5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.3 方案描述及工作流程7</p><p>　　3 傳感器節(jié)點的硬件及軟件系統(tǒng)8</p><p>　　3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3.2 主要元器件9</p>

10、<p>　　3.2.1 處理器ATMEGA 128L9</p><p>　　3.2.2 無線芯片CC242010</p><p>　　3.2.3 傳感器模塊11</p><p>　　3.2.4 電源管理模塊12</p><p>　　3.4 TinyOS操作系統(tǒng)概述13</p><p>　　3.4.1

11、 TinyOS體系結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.4.2 NesC語言13</p><p>　　4 溫濕度監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計及實驗測試15</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹15</p><p>　　4.1.1 LabVlEW簡介15</p><p>　　4.1.2 MoteWorks軟件平臺15

12、</p><p>　　4．2 系統(tǒng)軟件組成16</p><p>　　4．3 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)17</p><p>　　4.3.1 數(shù)據(jù)格式17</p><p>　　4.3.2 連接中間件Xserve17</p><p>　　4.3.3 數(shù)據(jù)的解析和轉(zhuǎn)換18</p><p>　　4.3.

13、4 程序流程圖和后面板程序20</p><p>　　4.4 軟件界面及功能介紹22</p><p>　　4．5 實驗測試23</p><p>　　5 總結(jié)與展望25</p><p>　　5.1 主要成果與結(jié)論25</p><p>　　5.2 本論文不足及進(jìn)一步研究方向25</p><p&

14、gt;　　5.3 前景展望25</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在現(xiàn)代化大型溫室中，實現(xiàn)測控系統(tǒng)的無線化和網(wǎng)絡(luò)化是目前該領(lǐng)域研究的重要課題之一

15、。為了解決溫室測控系統(tǒng)中存在的有線布網(wǎng)、人工測量等問題，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到溫室溫濕度測控系統(tǒng)中，實現(xiàn)現(xiàn)代化溫室的網(wǎng)絡(luò)信息化管理，對提升溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要意義。</p><p>　　論文首先論述了溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的研究方案，給出了系統(tǒng)的軟硬件平臺設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上，主要研究了以低功耗處理器ATmegal28L、無線芯片CC2420和溫濕度傳感器SHTl5為核心的傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計和

16、TinyOS操作系統(tǒng)的移植問題。</p><p>　　為了實時獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，介紹了在LabVIEW下開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺管理軟件的方法。該軟件通過連接中間件XServe提供的標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)接151，讀取XML Socket來獲取實時的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)終端監(jiān)控系統(tǒng)的可視化顯示，方便用戶的管理。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫室；溫濕度；數(shù)據(jù)融合；LabV

17、IEW</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In modem large-sized greenhouse，one of the key research subjects is to rise wireless</p><p>　　measurement network．Adopting wireless

18、 sensor network technology,the greenhouse</p><p>　　monitoring system can solves some problems existing in cable network and manual</p><p>　　measurement，realizes network information automatic man

19、agement，and improve the level offacility agricultural production．</p><p>　　Firstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses the research scheme of green

20、houses monitoring system based onwireless sensor network．On this basis，the research focuses on the hardware design of thenode system which takes temperature and humidity sensor,AVR ATmega l 28 L and CC2400 asthe componen

21、ts，and the transplantation of TinyOS operating system</p><p>　　in order to obtain the real·time data by wireless sensor network，a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wirel

22、ess sensor network in LabVIEW．The software reads XM L socket to obtain wireless sensor network data that through standardgeneral interface provided by middleware．Consequently,the system visual management canbe convenient

23、 realized</p><p>　　Keywords：Wireless sensor networks；Greenhouse；Temperature and Humidity；Date fusion；LabVIEW</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景、目的與意義</p><

24、;p>　　我國是世界上設(shè)施栽培面積最大的國家，而且近幾年國產(chǎn)連棟溫室每年以新增100～150公頃的面積快速發(fā)展。引導(dǎo)溫室用戶根據(jù)作物的要求進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)以獲得作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，是溫室環(huán)境因子調(diào)控決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)和方向[1]。然而，目前的溫室測控系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測量，導(dǎo)致現(xiàn)場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費用，也導(dǎo)致施肥等工作困難；此外，系統(tǒng)中的每個監(jiān)控點沒有自組織功能和自愈

25、能力，維護(hù)工作量大，也不利于系統(tǒng)升級。因此，為了實現(xiàn)溫室農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效，開發(fā)和研制一種新型的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)是十分必要的[2]。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個學(xué)科的綜合。把無線傳感器剛絡(luò)技術(shù)引入到溫室大棚生產(chǎn)中來，農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心，依賴于孤立的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式[3]。從而實現(xiàn)

26、溫室信息采集自動部署、自組織傳輸和智能控制、大幅度提高單位面積的勞動生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率、改善溫室等設(shè)施內(nèi)工作環(huán)境和工作條件、提高工作效率、保障農(nóng)民身體健康、提高農(nóng)民生活質(zhì)量，有助于解決“三農(nóng)”問題，對實現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。</p><p>　　本課題基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究溫室環(huán)境中溫濕度智能監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，為實現(xiàn)溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)奠定良好基礎(chǔ)。</p>&

27、lt;p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是將無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因其具有隨機(jī)布設(shè)、自組織、環(huán)境適應(yīng)等特點，非常適合應(yīng)用于布線、電源供給困難的區(qū)域、人員不易到達(dá)的區(qū)域，已廣泛應(yīng)用于國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境科學(xué)、交通管

28、理、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。</p><p>　　從2000年起，國際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報道，美國等發(fā)達(dá)國家在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域方面有了較深入的研究。2003年，在美國自然科學(xué)基金委員會的支持下，制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計劃，在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，展開“嵌入式智能傳感器”的研究項目與此同時加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的

29、理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究[5]。斯坦福大學(xué)提出了在傳感器網(wǎng)絡(luò)中事件跟蹤和傳感器資源管理的對偶空問方法以及由無線網(wǎng)連接傳感器和控制器構(gòu)成的閉壞控制系統(tǒng)的框架；麻省理工學(xué)院丌始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學(xué)和技術(shù)問題。美國國防部及各軍事部門都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高度重視，將其視為一個重要的研究領(lǐng)域，并設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。美國Intel公司、Microsoft公司等信息業(yè)巨頭也丌始了無線傳感

30、器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。在Intel資助下，康奈爾大學(xué)啟動了COUGAR項目，提出“網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)庫”，著力于把分布式查詢技術(shù)應(yīng)用于感知數(shù)據(jù)查詢。2004年12月ZigBee聯(lián)盟制定出了Zi</p><p>　　國內(nèi)有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也很快跟進(jìn)，清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)研究所、沈陽自動化所等單位從2002年起開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。從2003年起，國家自然科學(xué)基會設(shè)立了20

31、個與傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的研究項目和重點項目，并帶來了傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱潮。2004年底，國家發(fā)改委開始關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并從2005年開始將傳感器網(wǎng)絡(luò)納入下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)試驗與應(yīng)用示范項目中，一方面推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的技術(shù)發(fā)展，另一方面直接支持傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)融合的路由等相關(guān)技術(shù)，有包括中科院計算所在內(nèi)的數(shù)家單位獲得了本項目的支持。[5]2006年初，國務(wù)院發(fā)布“國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃糾要”，將傳感器網(wǎng)絡(luò)及其智能

32、信息處理技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)先發(fā)展課題之一。截止2008年，中科院上海微系統(tǒng)己經(jīng)通過系統(tǒng)繼承的方式完成了終端節(jié)點和基站的開發(fā)，研制成功各種適合不同使用環(huán)境的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)心；中科院沈陽自動化所提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)體系，并開發(fā)出工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA系列產(chǎn)品；浙江大學(xué)現(xiàn)代控制工程研究研究所成立了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實</p><p>　　1.2.2 溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀</

33、p><p>　　世界上溫室生產(chǎn)最發(fā)達(dá)的國家是荷蘭，其溫室以大型玻璃溫室為主體，現(xiàn)有大型連棟玻璃溫室面積1.1 m2，約占世界玻璃溫室的1／4，居世界之首。此外，其他國家也廣泛地把現(xiàn)代化溫室技術(shù)運用到作物的種植中。英國的智能溫室系統(tǒng)、西班牙和奧地利的遙控溫室系統(tǒng)都是計算機(jī)控制與管理在溫室中的成功應(yīng)用。美國開發(fā)的計算機(jī)控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)溫室作物的特點和要求，對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動調(diào)控，還可利

34、用差溫管理技術(shù)實現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要。目前，美國已將全球定位系統(tǒng)、電腦和遙感遙測等高新技術(shù)應(yīng)用于溫室生產(chǎn)。</p><p>　　溫室環(huán)境測控技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國、以色列等已相當(dāng)先進(jìn)，能夠達(dá)到對多因素綜合控制的水平，但其價格昂貴，維護(hù)不方便，以荷蘭為代表的歐美國家溫室測控系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化、無線化方向發(fā)展。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個無線葡萄園

35、，用于測量葡萄園中環(huán)境的細(xì)微變化。傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域的有害物的數(shù)量以確保葡萄可以健康生長，進(jìn)而獲得大豐收。</p><p>　　國內(nèi)有關(guān)溫室環(huán)境監(jiān)控方面的研究起步較晚。溫室環(huán)境測控設(shè)備大都是隨著大型現(xiàn)代化溫室一同引進(jìn)的，由于規(guī)模大，能耗大，造價高，己被實踐證明不適宜于我國的國情，更談不上經(jīng)濟(jì)效益。隨后出現(xiàn)了一些團(tuán)外的仿造產(chǎn)品，造價仍較高，且處于實驗階段，故

36、推廣使用價值不大。近幾年來，我國在溫室結(jié)構(gòu)和溫室控制兩方面開展了不少研究。“九五”、“十五”及“863”計劃都對此給予了很大資助[8]。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功型實驗溫室環(huán)境監(jiān)控計算機(jī)管理系統(tǒng)；吉林工業(yè)大學(xué)研制成功用于溫室的智能噴水控制器，能夠根據(jù)溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照度來自動調(diào)節(jié)噴水量：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制成功新型智能溫室，由大棚本體、通風(fēng)降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)和計算機(jī)環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)等組成。還有許

37、多高等院校和科研院所都在進(jìn)行溫室控制系統(tǒng)的相關(guān)研究，并且許多單位都己建超或?qū)⒁ㄆ饻厥冶O(jiān)控系統(tǒng)的總體框架。</p><p>　　隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們也開展了溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究。例如：北京市科委計劃項目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室農(nóng)作物生產(chǎn)中；2008年10月，上海市計算機(jī)研究所研發(fā)三部已將自主知識產(chǎn)權(quán)的自組織樹型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用到了上海奉賢

38、花卉大棚監(jiān)測系統(tǒng)中，大大提高了工作效率。</p><p>　　1.3 本課題研究主要內(nèi)容及論文組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　在深入了解國內(nèi)外溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代無線技術(shù)的發(fā)展，介紹了一種新型的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)采用多個集溫度、濕度傳感器于一體的傳感器模塊，分散的采集溫室中的環(huán)境參數(shù)，建立多跳自組網(wǎng)，并利用ZigBee無線通訊技術(shù)，

39、將采集到的數(shù)據(jù)傳送到終端監(jiān)控中心。監(jiān)控終端負(fù)責(zé)環(huán)境信息的圖形化顯示、實時查詢、統(tǒng)計分析和超限報警等。該系統(tǒng)避免了溫室中布線的繁瑣，同時該系統(tǒng)有體積小，可重復(fù)利用，便于安放等優(yōu)點。</p><p>　　1.3.1 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　1)傳感器節(jié)點硬件和軟件系統(tǒng)的研究</p><p>　　傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的最基本單元。目前市場上應(yīng)用最廣泛的是Cr

40、ossbow公司推出的Micaz系列節(jié)點，但其存在價格昂貴、接口特殊，必須依賴其特殊程序下載硬件的缺點。</p><p>　　針對此類問題，論文第三章詳細(xì)研究了傳感器節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計了節(jié)點硬件電路，并在Micaz節(jié)點的基礎(chǔ)上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能夠節(jié)省大量費用，方便無線傳感器網(wǎng)絡(luò)愛好者自行研制節(jié)點。</p><p>　　2)終端監(jiān)控管理軟件的設(shè)計</p>

41、<p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析與管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用中的一個重點和難點，網(wǎng)絡(luò)的分析與管理需要一個后臺系統(tǒng)的支持。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更類似一個工具，像計算機(jī)一樣，很多行業(yè)的人都需要這種技術(shù)來進(jìn)行他們的各自研究和部署，這就導(dǎo)致需求是各式各樣的。能夠定制的人機(jī)交互圖形化用戶界面會很方便大家的使用，例如：做建筑監(jiān)測的就需要GUI在采集到數(shù)據(jù)后還能夠方便的進(jìn)行信號處理、頻潛轉(zhuǎn)換了和小波變換等；做白控的就需要類似集散控制系統(tǒng)的，不

42、但有數(shù)據(jù)采集，還可以看出節(jié)點分布等等[9]。</p><p>　　目前，此類工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺點就是擴(kuò)展性差。本文第五章介紹了一利一采用LabVIEW工具實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定義管理軟件的設(shè)計方法，從而實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)終端的可視化界面顯示，方便用戶的管理。</p><p>　　1.3.2 本論文的組織結(jié)構(gòu)</p><p&g

43、t;　　第1章緒論，對課題的研究背景、意義以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述；</p><p>　　第2章，闡述了整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，分析了溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的特點，提出了系統(tǒng)設(shè)計的總體方案及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)；</p><p>　　第3章，詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件和軟件系統(tǒng)，介紹了傳感器節(jié)點的主要元器件及擴(kuò)展接口；</p><p>　　第4章，詳細(xì)介紹了開發(fā)

44、客戶端數(shù)據(jù)管理與分析軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最后進(jìn)行了相關(guān)的實驗測試；</p><p>　　第5章，總結(jié)了本論文完成的重要工作及對進(jìn)一步研究的展望。</p><p>　　2 溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有很多，本章就以溫室環(huán)境應(yīng)用為例，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，可以解決目前遠(yuǎn)程監(jiān)控中存在

45、的成本、數(shù)量、通信方面存在的諸多問題，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測農(nóng)作物生長的環(huán)境信息。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)功能特點</p><p>　　溫室大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用的目的是實現(xiàn)溫室環(huán)境溫濕度信息采集自動部署、自組織傳輸和智能控制。根據(jù)溫室生產(chǎn)的特點，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)時，從用戶角度考慮，系統(tǒng)需

46、要具有如下功能：</p><p>　　1)需要滿足常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，應(yīng)具有及時、準(zhǔn)確等功能，方便用戶實時查詢獲知溫室內(nèi)的農(nóng)作物生長環(huán)境；</p><p>　　2)無線傳感器節(jié)點適應(yīng)露天環(huán)境長期工作：</p><p>　　3)擴(kuò)展性好：由于農(nóng)作物環(huán)境各不相同，所以遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)也各不相同，傳感器的類型也需根據(jù)實際需要而定，因此節(jié)點的傳感器接口需靈活設(shè)

47、定：</p><p>　　4)軟件多樣化、人性化：功能設(shè)計上，既考慮信號的采集、監(jiān)控，又要考慮信息管理、綜合分析，因此需要多樣化的軟件以適應(yīng)系統(tǒng)的需求。同時，軟件要界面美觀、易于使用：</p><p>　　5)具有報警、控制功能：當(dāng)某個參數(shù)超過該設(shè)定值時，發(fā)出警報通知管理員和用戶，從而采取相應(yīng)措施[10]。</p><p>　　2.1.2 技術(shù)指標(biāo)</p>

48、;<p>　　從技術(shù)層面上，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有如下要求：</p><p>　　1)通信與組網(wǎng)：負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境信息的傳感器節(jié)點自組織搭建無線網(wǎng)絡(luò)，并向管理和基礎(chǔ)服務(wù)層提供服務(wù)支持；</p><p>　　2)通信頻段：2．4～2．4835 GHz；</p><p>　　3)采用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.1 5.4／ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；</p>

49、<p>　　4)節(jié)點可靠通信范圍：50m-100m；</p><p>　　5)傳感器精度：溫度：0.3℃(25。C時)，濕度： 2.0％RH(20-80％RH)；</p><p>　　6)電源管理：傳感器節(jié)點使用電池，至少能使用半年以上[11]。</p><p>　　2.1.3 節(jié)點硬件平臺和軟件系統(tǒng)</p><p>　　硬件平臺

50、的設(shè)計，需要的相關(guān)傳感與通信器件，必須要符合低成本、低耗電與小體積等條件，且必須容易布建、甚至具備可編程、可動態(tài)配置等特性。節(jié)點的硬件組成主要有兩種方案：第一種方案是采用MCU+RF收發(fā)器，其中MCU可采用Atmel Megal28、TI MSP430等，RF收發(fā)器可采用TI CC2420、Freescale MCl3192、Ember EM240等；第二種方案是應(yīng)用SOC片上系統(tǒng)，如Ember公司的EM250，TI公司的CC2430等

51、[12]。</p><p>　　本文在節(jié)點硬件設(shè)計上采用第一種方案，包括傳感器模塊、Atmel Megal28控制模塊、CC2420收發(fā)模塊、存儲模塊和電源管理模塊等。針對目前節(jié)點存在的不足，進(jìn)行擴(kuò)展接口的設(shè)計，降低節(jié)點成本。此外，硬件的設(shè)計中需要進(jìn)行必要的性能仿真以確定硬件設(shè)計完成一部分，調(diào)試一部分，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)，確定系統(tǒng)硬件可以達(dá)到設(shè)計要求。</p><p>　　隨著無線

52、傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，研究人員提出用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微型操作系統(tǒng)——TinyOS。本文設(shè)計的節(jié)點上的軟件采用TinyOS.2.x版本。TinyOS在構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)時，其中一個與上位機(jī)互連的節(jié)點作為基站，主要用來控制各個子節(jié)點，并聚集和處理它們所采集到的信息。TinyOS只要在控制臺發(fā)出管理信息，然后由各個節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞，最后達(dá)到協(xié)同一致的目的。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)</p>

53、;<p>　　無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和傳感器節(jié)點三部分。將監(jiān)控系統(tǒng)部署于溫室內(nèi)，每個溫室放置一定數(shù)量的傳感器類型的節(jié)點，所有節(jié)點將自組織建立無線網(wǎng)絡(luò)，并實時的將環(huán)境信息經(jīng)多跳的方式上傳到監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)監(jiān)控溫室的農(nóng)作物生長環(huán)境的目的。</p><p>　　系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)見圖2.1。</p><p>　　圖2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</

54、p><p>　　監(jiān)控中心包括一臺計算機(jī)系統(tǒng)和一套上位機(jī)軟件，實現(xiàn)溫室環(huán)境因素的實時數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析以及監(jiān)視，具有人機(jī)交互功能。</p><p>　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合等處理后通過以太網(wǎng)與監(jiān)控中心相連，將數(shù)據(jù)送入監(jiān)控中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到

55、外部網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊通信設(shè)備[13]。</p><p>　　傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，傳感器節(jié)點相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的前端設(shè)備，進(jìn)行本地信息收集和數(shù)掘處理。傳感器節(jié)點隨機(jī)布置在溫室內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸?shù)裙ぷ?，如溫度、濕度、二氧化碳?/p>

56、度和光照度等信息，采用電池供電，通信距離有限。</p><p>　　2.3 方案描述及工作流程</p><p>　　在溫室環(huán)境中，單個溫室可以作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個測量控制區(qū)，網(wǎng)絡(luò)中通過采用經(jīng)過多個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)信息的傳遞。網(wǎng)絡(luò)中采用不同的傳感器測量節(jié)點和具有簡單執(zhí)行控制的節(jié)點(能對風(fēng)機(jī)、調(diào)溫機(jī)器、閥門等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制)構(gòu)成無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點用來測量土壤濕度、溫度、空氣濕度、成分

57、、PH值、氣壓、光照強(qiáng)度和C02濃度等數(shù)據(jù)，以便知道溫室中的環(huán)境狀況，同時將生物信息獲取方法應(yīng)用于傳感節(jié)點，為對溫室環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最終使溫室中的傳感器執(zhí)行控制的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化，利用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化，從而達(dá)到現(xiàn)場組網(wǎng)方便、提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的[14]。</p><p>　　溫室監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)工作流程為：</p><p>　　1)傳感

58、器節(jié)點部署后，加電啟動，等待網(wǎng)關(guān)加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的命令；</p><p>　　2)管理員通過服務(wù)器發(fā)送啟動命令到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，啟動允許加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；</p><p>　　3)網(wǎng)關(guān)發(fā)送啟動命令到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個傳感器節(jié)點；</p><p>　　4)節(jié)點接收啟動命令后加入網(wǎng)絡(luò)，獲取該網(wǎng)絡(luò)的短地址信息，配置本地鏈路地址，建立路由；</p><p&g

59、t;　　5)節(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點申請全局單播地址網(wǎng)絡(luò)前綴，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點分配節(jié)點全局單播地址，節(jié)點把配置參數(shù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳輸并存儲到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中；</p><p>　　6)管理員發(fā)送節(jié)點采集命令，同時設(shè)置采集周期，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)，發(fā)送給監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點：</p><p>　　7)節(jié)點接收到采集命令后進(jìn)行周期采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)包形式傳送到服務(wù)器，并且根據(jù)自身傳感器的類型開始采集外界環(huán)境息。&

60、lt;/p><p>　　管理員配置監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境參數(shù)的浮動范圍及發(fā)出警報的閡值，如果采集的數(shù)據(jù)值超過該范圍，服務(wù)器終端示警，則根據(jù)相應(yīng)位置信息自動啟動溫室內(nèi)設(shè)備裝置進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。</p><p>　　3 傳感器節(jié)點的硬件及軟件系統(tǒng)</p><p>　　無線傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的基本組成元素，因此節(jié)點的硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。綜合考慮節(jié)點的使用場景、能量有效

61、、微型化、低成本、擴(kuò)展性和穩(wěn)定性等因素，進(jìn)行了溫室無線傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計[15]。</p><p>　　在擁有硬件平臺的基礎(chǔ)上，還對操作系統(tǒng)進(jìn)行了分析，簡述了針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的專用操作系統(tǒng)TinyOS，最后研究了如何針對具體的硬件平臺移植操作系統(tǒng)。</p><p>　　3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　傳感器節(jié)點兼作傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的終端和路由器雙重功能，除

62、了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖3．1所示，傳感器節(jié)點主要由感知、處理器、無線通信、身份標(biāo)識和電源管理等五大模塊組成，此外還包括數(shù)據(jù)存儲模塊和輸出接口等[16]。感知模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理：處理模塊是整個節(jié)點的中樞，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、通信聯(lián)網(wǎng)、配合電源管理以及定位等各種高級服務(wù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線通信，交換控制消

63、息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)：身份標(biāo)識模塊負(fù)責(zé)標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點編號；電源模塊負(fù)責(zé)節(jié)點的供電。</p><p><b>　　圖3.1 硬件框圖</b></p><p>　　考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活性，傳感器節(jié)點要定義統(tǒng)一、完整的接口，在需要添加新的硬件部件時可以在現(xiàn)有節(jié)點上直接添加，同時節(jié)點可以按照功能拆分成多個組件，組件之間可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合。在不同的應(yīng)用環(huán)境下選擇不同的組件

64、自由配置系統(tǒng)，這樣就不必為每個應(yīng)用都開發(fā)一套全新的硬件系統(tǒng)。</p><p>　　基于以上考慮，硬件電路主要由傳感器轉(zhuǎn)換板、主控制板、網(wǎng)關(guān)接口板和電源四部分構(gòu)成，彼此間相對獨立，彼此之間預(yù)留接口便于系統(tǒng)的升級和維護(hù)，同時也降低了系統(tǒng)成本[17]。實際部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的非網(wǎng)關(guān)節(jié)點由傳感器轉(zhuǎn)換板和主控制板和電源構(gòu)成，只有傳感器節(jié)點充當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點和系統(tǒng)維護(hù)。</p><p><b>　　

65、3.2 主要元器件</b></p><p>　　3.2.1 處理器ATMEGA 128L</p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目前使用較多的微處理器有ATMEGA公司的AVR系列單片</p><p>　　機(jī)，如ATMEGA 128L、MSP430等超低功耗處理器，另外在32位嵌入式處理器市場中紅極一時的嵌入式ARM處理器，但要在普通傳感器節(jié)點中使用，其

66、價格、功耗以及外圍電路的復(fù)雜度還不十分理想，對于需要大量內(nèi)存、外存以及高數(shù)據(jù)吞吐率和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點，ARM處理器是非常理想的選擇。綜合考慮以上因素，本設(shè)計采用ATMEGA公司的超低功耗單片機(jī)ATMEGA 128L[18]。</p><p>　　ATMEGA 128L單片機(jī)集成了硬件SPl控制器。該處理器有比較豐富的內(nèi)部資源和外部接口，其具體特點如下：</p><p>　　●

67、片內(nèi)有128KB程序存儲器，能夠編程，特別適合需要反復(fù)編程試驗的應(yīng)用環(huán)境；</p><p>　　●片內(nèi)提供了一個串行外圍接口控制器；</p><p>　　●片內(nèi)提供8個通道的10位采樣精度的ADC控制器：</p><p>　　●在電源管理方面，ATMEGA 128L設(shè)計了6種不同的睡眠模式，特別適合能量有限制的應(yīng)用。這六種模式分別為：空閑模式、ADC減噪模式、掉電模

68、式、省電模式、待機(jī)、擴(kuò)展待機(jī)；</p><p>　　●傳統(tǒng)的單片機(jī)通常在焊接以前燒寫程序，一旦焊接到板子上就很難修改。</p><p>　　ATMEGA 128L支持多種在線編程方法，包括JTAG和SPI編程方法：</p><p>　　基本外圍電路如下圖：</p><p>　　圖3.2 ATMEGA 128L模塊</p><

69、;p>　　3.2.2 無線芯片CC2420</p><p>　　CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2．4GHz IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，工作于免授權(quán)的2．4GHz頻段。該芯片包括眾多額外功能，是第一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以O(shè)．181xmCMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2

70、420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。</p><p>　　CC2420的主要特性如下：</p><p>　　●工作頻帶范圍為2．40-2.4835GHz：</p><p>　　●采用IEEE802．15．4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式；</p><p>　　●數(shù)據(jù)速率達(dá)250kb

71、ps，碼片速率達(dá)2M／s；</p><p>　　●采用0-QPSK調(diào)制方式；</p><p>　　●超低電流消耗(Rx：19 7mA，TX：174mA)高接收靈敏度(99dBm)；</p><p>　　●抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)；</p><p>　　● 內(nèi)部集成有VCO，LNA，PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2 l～3 6V)；

72、</p><p>　　●IEEE802 15 4MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測16bitCRC</p><p><b>　　校驗、電源檢測：</b></p><p>　　●與控制微處理器的接口配置容易；</p><p>　　●采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7×7MM</p>

73、<p>　　CC2420從天線接收到射頻信號后，首先經(jīng)過低噪聲放大器，變頻到2MHz的中頻，形成中頻信號的同相分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進(jìn)行后續(xù)處理。CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻。基帶信號的同相分量和正交分量直接被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過低頻濾波器，直接變頻到設(shè)定的信道上。</p><p>　　CC2420內(nèi)部使用1．8

74、V工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備；外部數(shù)字I／O接口使用3．3 V電壓，這樣可以保持和3．3 V邏輯器件的兼容型。它在片上集成了一個直流穩(wěn)壓器，能夠把3．3 v電壓轉(zhuǎn)化成1．8V電壓。這樣對于只有3．3 V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作?；就鈬娐啡缦聢D：</p><p>　　圖3.3 CC2420外圍電路</p><p>　　3.2.3 傳感器模塊</p>

75、<p>　　傳感器模塊擬采用瑞士Sensirion公司的溫濕度一體的SHTxx系列，SHTxx系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。本設(shè)計采用SHTl5溫濕度傳感器，陔芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制、測試及檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄器等領(lǐng)域[19]。</p><p><b&g

76、t;　　基本規(guī)格為：</b></p><p>　　●溫度傳感器(T)：測量范圍：．40～+123．8℃；精度： 0．3℃(25。C時)；響應(yīng)時間：<1 5s；重復(fù)性：士0．1℃；分辨率：0．01℃。</p><p>　　● 相對濕度傳感器(RH)：測量范圍：0～100％RH；精度：士2．0％RH(20～80％RH)；響應(yīng)時間：<4s；重復(fù)性：士0．1RH；分辨率：0

77、．03％RH。</p><p>　　● 電氣特性：功耗；供電范圍：2．4-5．5 V。</p><p><b>　　主要特點如下：</b></p><p>　　● 高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上；</p><p>　　●二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持C

78、RC傳輸校驗，可靠性高；</p><p>　　●測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器；</p><p>　　●測量精度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算功能；</p><p>　　● 高可靠性，采用CMOSensor工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。</p><p>　　SHTl5溫濕度傳感器采用S

79、MD表面貼片封裝形式，接口簡單，總共有四個引腳，分別是電源引腳，串行接口引腳和接地引腳，如圖所示：</p><p>　　圖3.4 SHT1X典型應(yīng)用電路</p><p>　　3.2.4 電源管理模塊</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計的節(jié)點選用3v的直流電壓，考慮到應(yīng)用中傳感器節(jié)點的隨意擺放，不能選用固定電源供電。因此，電源系統(tǒng)采剛外接2節(jié)干電池供電，為了保證兩個電源之

80、間相互沒有干擾，傳感器節(jié)點在電池輸入的前端增加了一個手動開關(guān)，在使用外部供電的時候關(guān)閉電池開關(guān)。</p><p>　　3.4 TinyOS操作系統(tǒng)概述</p><p>　　3.4.1 TinyOS體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　TinyOS是UC Berkeley大學(xué)伯克利分校開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng)，專為無線傳感網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件的架構(gòu)使得快速實現(xiàn)各種應(yīng)用

81、成為可能。同時，它也是一個基于事件的系統(tǒng)。其設(shè)計的主要目標(biāo)是代碼量小、耗能少、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用[20]。基于TinyOS的完整的系統(tǒng)由一個調(diào)度器和一些組件組成。組件通常又可以分為四類：硬件抽象組件、系統(tǒng)組件、應(yīng)用組件、main組件。TinyOS的體系結(jié)構(gòu)如圖3．6所示。</p><p>　　1)硬件抽象組件：對硬件平臺進(jìn)行描述，管理各種硬件資源，為上層組件提供硬件操作接口，屏蔽了底層硬件的特

82、性，保證了上層組件的硬件無關(guān)性。</p><p>　　2)系統(tǒng)組件：由數(shù)據(jù)采集組件、數(shù)據(jù)處理組件、數(shù)據(jù)通信組件構(gòu)成。隊列調(diào)度、通信協(xié)議棧的實現(xiàn)等操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的服務(wù)都在這些組件中實現(xiàn)。</p><p>　　3)應(yīng)用組件：這一層與具體的應(yīng)用功能相關(guān)，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)具有的具體功能。4)main組件：進(jìn)行系統(tǒng)硬件的初始化，并開始執(zhí)行調(diào)度程序。調(diào)度程序具有兩層結(jié)構(gòu)，第一層維護(hù)著命令和事件，它主

83、要是在硬件中斷發(fā)生時對組件的狀態(tài)進(jìn)行處理：第二層維護(hù)著任務(wù)，只有當(dāng)組件狀態(tài)維護(hù)工作完成后，任務(wù)能被調(diào)度</p><p>　　圖3．5 TinyOS的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　TinyOS的組件層次結(jié)構(gòu)就如同一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，更高層的組件則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。</p><p>

84、　　3.4.2 NesC語言</p><p>　　TinyOS是專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的操作系統(tǒng)，最初是用匯編和C語言‘編寫的。但研究人員發(fā)現(xiàn)，C語言不能有效、方便地支持面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和操作系統(tǒng)的丌發(fā)。為此，經(jīng)過仔細(xì)研究和設(shè)計，他們對C語言進(jìn)行了一定擴(kuò)展，提出了支持組件化編程的nesC語言棚，把組件化／模塊化思想和基于事件驅(qū)動的執(zhí)行模型結(jié)合起來。利用nesC開發(fā)TinyOS應(yīng)用提高了應(yīng)用丌發(fā)的方便性和

85、應(yīng)用執(zhí)行的可靠性[21]。</p><p>　　nesC文件以．nc作為后綴，用nesC語言編寫的應(yīng)用程序是由許多功能獨立的組件構(gòu)成的，如圖3．7所示。一個組件一般會提供一些接口可被看作是由這個組件實現(xiàn)的一組函數(shù)的聲明。接口分為命令和事件兩種。組件之間通過接口連接。在nesC語言的定義中，存在兩種不同功能的組件：配件，主要描述不同組件接口之問的關(guān)系；模塊，主要描述組件提供的接口中的功能函數(shù)。理解接口、組件、模塊、

86、配件的含義和相互關(guān)系是掌握nesC的關(guān)鍵。</p><p>　　1)接口：接口是一系列聲明的有名函數(shù)集合，同時是連接不同組件之間的紐帶。規(guī)定了接口的語法規(guī)范。接口由interface類型定義。nesC中</p><p>　　的接口是雙向的，它實際上是提供者組件使用者組件的一個多功能交互通道。包含命令事件。命令的提供者實現(xiàn)的功能函數(shù)；事件則是接口使用者需要實現(xiàn)的功能函數(shù)。</p>

87、<p>　　2)組件：符合nesC的組件包括配件和模塊。一個組件必須實現(xiàn)它提供的命令或使用的事件。組件中主要使用接1：3函數(shù)，由關(guān)鍵字uses interface和provides interface標(biāo)識。一個組件規(guī)范中可以包含多個uses和provides命</p><p><b>　　令。</b></p><p>　　圖3．6 基于nesC語言的一般

88、應(yīng)用程序框架</p><p>　　4 溫濕度監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計及實驗測試</p><p>　　通過對傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，才能對各種環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測?？蛻舳藬?shù)據(jù)分析與管理軟件系統(tǒng)把傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)的物理實現(xiàn)分離開來，為用戶提供一個簡潔、易用的應(yīng)用程序接口，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)對用戶透明，用戶只需遠(yuǎn)程監(jiān)測或查詢感興趣的數(shù)據(jù)，而無需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)[22]。

89、</p><p>　　本章采用美國NI公司的LabVIEW8．2平臺作為軟件開發(fā)環(huán)境，并按照設(shè)計要求，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計。軟件設(shè)計主要由數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)解析與處理模塊，顯示與報警模塊等3大功能模塊組成。本章將對軟件開發(fā)環(huán)境和軟件系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的介紹。</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹</p><p>　　4.1.1

90、LabVlEW簡介</p><p>　　LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW可以非常方便的連接各種數(shù)據(jù)源并以圖形化形式顯示，可定制性和提供了豐富的處理函數(shù)庫，就是其最大的好處。</p><p>　　圖形化的程序語言，又稱為“G”語言，采用這種語言進(jìn)行編程時，基本上不寫程序

91、代碼，取而代之的是流程圖，它盡可能利用技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念進(jìn)行編程設(shè)計[23]。因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱VI，VI由前面板、流程以及圖標(biāo)／連接器等3部分組成.</p><p>　　4.1.2 M

92、oteWorks軟件平臺</p><p>　　Crossbow公司提供了MoteWorks軟件開發(fā)平臺，它是第一款用于工業(yè)的可開放源代碼的，基于標(biāo)準(zhǔn)平臺和支持OEM設(shè)備與系統(tǒng)丌發(fā)的軟件平臺。MoteWorks將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為三層：Mote Tier，Server Tier以及Client Tier。其中Mote Tier為運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的相關(guān)程序，完成采集控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的，同時集成了無線

93、傳感器網(wǎng)絡(luò)TinyOS操作系統(tǒng)。Mote Tier采集并通過網(wǎng)關(guān)將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡(luò)層Server Tier處理。在Server Tier通過XServe提供了包括CSV，XML，Database，Modbus等多種標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)接口。Client Tier為用戶監(jiān)測管理層，提供了數(shù)掘管理和監(jiān)控等工具[24]。</p><p>　　XServe是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用管理程序之中。其核心是提供數(shù)據(jù)路由和對無線劂

94、絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高層的解析，轉(zhuǎn)換和處理等服務(wù)。同時，XServe提供了Conversion、Sockets和COM等丌發(fā)接口，可以作為客戶端程序的開發(fā)平臺。XServe體系結(jié)構(gòu)由一套核心的服務(wù)，跨平臺的可移植層和一套插件程序模塊組成。用戶可以通過XML配置文件定義數(shù)據(jù)解析程序，配置一個通用的數(shù)據(jù)接收模塊來擴(kuò)展XServe。</p><p>　　圖4．1 XServe體系結(jié)構(gòu)圖</p><p>

95、　　4．2 系統(tǒng)軟件組成</p><p>　　整個系統(tǒng)軟件可分為實時監(jiān)測軟件和數(shù)掘管理軟件兩大部分進(jìn)行設(shè)計，其中包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)掘處理與顯示和超限報警等功能模塊。</p><p>　　軟件系統(tǒng)如圖4．2所示：</p><p>　　圖4.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1)GUI模塊作為圖形化界面，給用戶提供操作接口，允許用戶為圖形界面

96、上通過可視化方式或輸入SQL語言發(fā)出查詢請求，也允許用戶以可視化方式展示查</p><p><b>　　詢結(jié)果。</b></p><p>　　2)參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對節(jié)點和端口等基本參數(shù)的配置，以及完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點和其余傳感器節(jié)點的命令交互。</p><p>　　3)數(shù)據(jù)處理模塊對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換，當(dāng)收到各個傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后，通過處理后

97、向數(shù)據(jù)顯示、查詢和其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源。</p><p>　　4)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示模塊完成顯示傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，可以動態(tài)顯示網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和無線數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中，用戶還可以取得每個節(jié)點當(dāng)前時問提交給傳感器匯聚節(jié)點的所檢測數(shù)據(jù)</p><p><b>　　值。</b></p><p>　　5)查詢模塊進(jìn)行數(shù)

98、據(jù)查詢，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，此時是通過訪問數(shù)據(jù)庫查找符合查詢條件的數(shù)據(jù)，同時以波形的形式顯示數(shù)據(jù)和時間的關(guān)系。還可以對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點進(jìn)行實時查詢，并可以同時查詢多個節(jié)點的數(shù)</p><p>　　據(jù)，同時以實時曲線的形式動態(tài)顯示數(shù)據(jù)變化關(guān)系。對節(jié)點的實時查詢是通過發(fā)送實時查詢命令給相應(yīng)節(jié)點，通知其改變數(shù)據(jù)發(fā)送速率。</p><p>　　6)報警模塊可以實現(xiàn)聲光報警功能，可以對

99、傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)監(jiān)測進(jìn)行超限設(shè)置。</p><p>　　4．3 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　4.3.1 數(shù)據(jù)格式</p><p>　　XServe為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了基本的路由服務(wù)，作為串行轉(zhuǎn)發(fā)器，XServe可以讓企業(yè)應(yīng)用直接與傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，應(yīng)用程序直接向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并不進(jìn)行高層次的解析、轉(zhuǎn)換和處理[25]。</p>&l

100、t;p>　　XServe還為企業(yè)應(yīng)用提供了更高層次的服務(wù)，使其可以專注于業(yè)務(wù)邏輯。XServe可以把解析傳感器數(shù)據(jù)包配置成一系列名值對應(yīng)的格式，使傳感器數(shù)據(jù)臺義變得更加豐富。當(dāng)解析數(shù)據(jù)時，XServe可以根據(jù)不同應(yīng)用程序的需要把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多種對應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。以下便是XServe對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)解析后的不同情況：</p><p>　　4.3.2 連接中間件Xserve</p><p&g

101、t;　　本文采用的方法就是通過XServe提供的標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)接口開發(fā)自定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理程序。采用XServe輸出的XML接口作為數(shù)據(jù)源，通過Socket的方式連接到XServe中間件服務(wù)器，XServe中間件服務(wù)器可以配置成基于TcP／IP協(xié)議的XML數(shù)據(jù)流輸出方式。通過在Cygwln編譯環(huán)境下輸入以下命令可以實現(xiàn)配置XServe工作在XML方式下：xserve-0—-xmlc-xmlport=9005—-s=eom4 命令

102、中．xmlc表示輸出轉(zhuǎn)換過的XML格式數(shù)據(jù)，通過一xmlport=9005可以把解析后的數(shù)據(jù)發(fā)布到socket 9005端口上指定了網(wǎng)關(guān)接口板的設(shè)備端口。隨后通過LabVIEW中調(diào)用TCP相關(guān)控件來連接9005端口，并從該端口獲取數(shù)據(jù)信息。這步可以調(diào)用控件打開TCP連接來實現(xiàn)，分配相應(yīng)的地址、端口和超時信息就可以了。</p><p>　　有一點非常重要，在網(wǎng)絡(luò)模式下XML包是以數(shù)據(jù)流的形式連續(xù)不斷的發(fā)送到9005

103、端口上。因此XServe采用了一個簡單通用的協(xié)議來解決這一問題。每當(dāng)XServe解析完一個數(shù)據(jù)包，并試圖將對應(yīng)的XML包放置到9005端口時，它會先放出4個字節(jié)描述該包的大小，然后再放出XML包。所以在LabVIEW中也要按照此協(xié)議進(jìn)行處理，先用讀取TCP連接的4個字節(jié)，再將4個字節(jié)解析成數(shù)據(jù)格式，然后再讀取這4個字節(jié)所表示長度的數(shù)據(jù)包。應(yīng)用這套機(jī)制，就可以源源不斷地處理XServe的數(shù)據(jù)包了。</p><p>

104、　　4.3.3 數(shù)據(jù)的解析和轉(zhuǎn)換</p><p>　　通過LabVIEW編寫的相關(guān)程序可以成功連接中間件XServe，截取XML數(shù)據(jù)流，接下來要對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的解析、轉(zhuǎn)換，從而讓后面的應(yīng)用程序更方便的調(diào)用。</p><p>　　下面為經(jīng)XServe轉(zhuǎn)換的一個傳感器MDA300數(shù)據(jù)包的部分?jǐn)?shù)據(jù)[26]。</p><p>　　<?xml version=”

105、1.0”?></p><p>　　-<MotePacket></p><p>　　-<ParsedDataElement></p><p>　　<Name>amtype</Name></p><p>　　<ConvertedValue>11</ConvertedValue

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108、nt></p><p>　　+<ParsedDataElement></p><p>　　+<ParsedDataElement></p><p>　　-<ParsedDataElement></p><p>　　<Name>board_id</Name></p>

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110、p><p>　　<ConvertedValue>134</ConvertedValue></p><p>　　</ParsedDataElement></p><p>　　-<ParsedDataElement></p><p>　　<Name>voltage</Name>&

111、lt;/p><p>　　<ConvertedValue>2783</ConvertedValue></p><p>　　</ParsedDataElement></p><p>　　-<ParsedDataElement></p><p>　　<Name>humid</Name&g