无线传感器的论文.docx
- 文档编号:9457995
- 上传时间:2023-02-04
- 格式:DOCX
- 页数:53
- 大小:64.77KB
无线传感器的论文.docx
《无线传感器的论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《无线传感器的论文.docx(53页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
无线传感器的论文
无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术正日趋成熟,随着硬件成本的进一步降低,其巨大的应用前景正逐渐体现。
介绍了现场总线湿度测量系统、数字式湿度测量系统和短距离无线多点湿度测量系统三种系统,并对比系统之间的优缺点。
本文采用低电压、低功耗的湿度传感器设计一种湿度信息采集的无线传感器网络节点。
将湿度传感模块和数据发送模块都放在一个单片机上,这样可以节省系统开发维护成本。
设计节点和组网的时候,节点只负责短距离传输数据,通过多跳的方式,将数据发送到基站上。
这样设计可以节省节点能源消耗,增加大规模数据传输距离,提升系统的应用范围。
基于WSN湿度采集节点,采集完数据后,传输到基站上,保证数据的可靠性和实时性。
再由节点以多跳的方式把数据传输到基站上,由基站统一传送,大大提高了数据的传输距离。
其可支持节点数,大大超越了现有系统所支持的节点数,支持节点的增加和删除,并且自动形成网络拓扑结构,不需要人为的干预。
虽然或多或少的会受环境所影响,但是通过实时监控节点状态和WSN所特有的可扩展性,可以第一时间检测出无效节点,可以减少损失。
对远程数据采集和传感器网络组网方案进行了研究和选择,并根据系统应用的要求,提出了层次型的体系结构,无线湿度测量系统的三种层次结构为PC机及监控软件构成的监控中心;由中心控制节点构成的传感器主网和由传感器节点、中继节点、路由节点构成的传感器子网。
关键词:
无线传感器网络湿度采集路由协议监控系统
AstudyanddesignofhumiditymeasuringsystemBASEDONWSN
Abstract
Wirelesssensornetworksasanewinformationcollectiontechnologyisbecomingmoremature,withafurtherreductionofhardwarecost,anditsgreatprospectisgraduallyreflected.Describesthefieldbusandhumiditymeasurementsystem,digitalhumiditymeasurementsystemandtheshort-rangewirelessmulti-pointhumiditymeasurementsystemofthreesystems,andcomparetheadvantagesanddisadvantagesbetweenthesystems.Thislow-voltage,lowpowerhumiditysensorandhumidityinformationtodesignawirelesssensornetworknodecollection.Thehumiditysensormoduleanddatatransmissionmodulesareonasinglechip,sothatsavessystemdevelopmentandmaintenancecosts.Whenthenodesandnetworkdesign,nodeisonlyresponsibleforshort-distancetransmissionofdata,throughmulti-hopmanner,tosenddatatothebasestation.Thisdesigncansavenodeenergyconsumption,increasedlarge-scaledatatransmissiondistanceandenhancesystemapplications.
MoisturecollectingonWSNnodes,collectingcompletedata,transmittedtothebasestationtoensuredatareliabilityandreal-time.Thenthenodemulti-hopwaytothedatatothebasestationbybasestationtosendaunified,greatlyimprovingthedatatransmissiondistance.Thenumberofnodescansupport,wellbeyondtheexistingnumberofnodessupportedbythesystemtosupportaddingandremovingnodes,andautomaticallyformanetworktopology,withouthumanintervention.Althoughmoreorlessbeinfluencedbytheenvironment,butthroughreal-timemonitoringWSNnodestatusanduniquescalability,canbethefirsttimetodetectinvalidnodes,canreducethelosses.
Remotedataacquisitionandsensornetworkresearchandnetworkingprogramchoicesandrequirementsoftheapplicationofthesystemproposedhierarchicalarchitecture,wirelesshumiditymeasurementsystem,thehierarchyofthethreemonitoringsoftwareforthePC,andcompositionofthemonitoringcenter,bythecentralcontrolnodeandthemainnetworkofsensorsconstitutedbythesensornodes,relaynodes,theroutingnodesofthesensorsubnets.
Keywords:
WSN;humidityacquisition;routeprotocol;monitoringsystem
第1章绪论1
1.1课题研究背景1
1.2课题的提出及研究意义1
1.3湿度测量系统的研究现状3
1.3.1现场总线湿度采集系统3
1.3.2数字式湿度采集系统3
1.3.3现有无线网络湿度测量系统4
1.4论文各部分的主要内容4
第2章无线传感器网络体系结构及其研究热点5
2.1无线传感器网络的体系结构5
2.1.1无线传感器网络的特点5
2.1.2无线传感器网络节点体系结构6
2.1.3无线传感器网络拓扑结构8
2.2无线传感器网络的研究热点9
2.2.1网络层9
2.2.2跨层设计10
2.2.3数据管理11
2.3无线传感器网络协议11
2.4无线传感器网络的应用领域12
2.4.1传感器采集模式12
2.4.2无线传感器网络的应用领域13
2.5本章小结15
第3章基于无线传感器网络的湿度测量系统原理16
3.1现场总线湿度测量系统16
3.1.1系统原理16
3.1.2系统组成16
3.2数字式湿度测量系统17
3.3短距离无线多点湿度测量系统的研究设计18
3.3.1系统硬件电路的设计19
3.3.2系统的软件设计19
3.4基于无线传感器网络的湿度测量系统原理21
3.4.1系统方案设计原则21
3.4.2系统总体结构设计22
3.5本章小结23
第4章湿度测量系统的硬件设计24
4.1系统节点硬件的模块化设计24
4.1.1无线传感器网络节点硬件设计原则24
4.1.2无线传感器网络节点结构24
4.2无线通信模块设计25
4.2.1无线通信模块的组成与工作原理25
4.2.2无线通信模块的硬件电路设计26
4.3数据采集模块设计28
4.4通信模块设计29
4.5本章小结30
第5章湿度测量系统的软件设计31
5.1湿度测量系统可行性分析31
5.1.1可行性分析31
5.1.2系统工作流程31
5.2无线湿度传感器网络路由协议32
5.2.1网络拓扑结构33
5.2.2路由协议的路径选择34
5.2.3主网节点路由协议的软件实现34
5.2.4子网节点路由协议的软件实现35
5.3无线湿度传感器网络数据通信协议37
5.4基于PC的监控程序软件设计38
5.5本章小结40
第6章总结与展望41
6.1总结41
6.2展望42
参考文献43
致谢46
第1章绪论
1.1课题研究背景
与传统数据采集相比,无线传感器网络具有灵活性高、智能化强、设置简单、准确性高等优点,将被广泛地应用在国防军事、环境监测、森林防火、医疗监护、工业控制、抗灾抢险等领域[1-9]。
通过直接感知客观世界的信息,无线传感器网络极大地扩展了现有网络的功能和人们认识世界的能力,使人们在任何时间、地点和任何环境条件下都能够获取监测区域内大量可靠的信息。
从而通过对所获取的数据信息进行分析处理并做出相应的处理措施。
美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中,分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的十大技术之一。
无线传感器网络技术的迅速发展引起了全世界范围的广泛关注。
最早开始无线传感器网络技术研究的是美国军方,此后美国国家自然基金委员会设立了大量与其相关的项目,国外著名公司如英特尔等在内的许多公司也都较早的加入了无线传感器网络的研究。
随着无线传感器网络理论和技术的不断成熟,其应用已经由军事国防领域扩展到环境监测、森林防火、医疗监护、工业控制和抗灾抢险等诸多领域。
由于具有巨大的科研价值和应用价值,许多国家对无线传感器网络表现出极大的兴趣,纷纷开展了此领域的研究工作。
所以无线传感器网络的研究及应用,特别是面向国防的应用研究,以提高国防军事信息化的水平及争取未来信息战中的主动权,不仅具有重要社会与经济意义,也具有十分长远的战略意义。
目前,无线传感器网络应用系统的各项技术研究都具有极大的应用相关性,构建适用于不同环境的特定应用系统是无线传感器网络的研究目的。
同时,由于无线传感器网络路由协议的性能是否优越,关系到整个无线传感器网络的性能,所以对无线传感器网络路由协议的研究是其具体应用研究的一个重要方面[10-15]。
1.2课题的提出及研究意义
在工业现场数据采集和无线湿度采集系统中,要使用大量的基于不同物理机制的传感器,且监控和采集的对象多而分散。
传统的使用线缆直接连接实现信号传输的方式,将严重限制数据采集点的安放灵活性,设备布线困难。
为达到实时、无人值守、不需重新布线的目的,所选用的传感器应该是有源的、准实时、低功耗和便于安装的。
因此,通过无线通信的方式传递数据是一种较为理想的选择,它与有线方式相比主要有成本低、携带方便、布线安装简便等特点,特别适用于远程多点无线数据传输系统的实现。
本文拟研究一种基于无线传感器网络技术的湿度测量系统,该系统通过制定多条路由的通讯协议实现传感器的组网。
采用低电压、低功耗的湿度传感器设计一种湿度信息采集的无线传感器网络节点。
整个监测系统从结构上分为三层:
第一层是由计算机和无线湿度采集监控软件所组成的用户监测层作为监控中心;第二层是负责收发指令和数据,并进行路由选择的中心控制节点,该节点安放在PC机附近,通过RS232与PC机相连,接受PC机的查询指令并以无线的方式发送给传感器网络;最底层是由l个路由节点、1个中继节点和若干个个无线传感器节点组成的传感器网络(路由节点和中继节点可根据需要设置为多个),这些节点由处理器模块、湿度传感器模块、无线通信模块等功能模块构成。
底层的各个节点负责采集湿度数据,采集到的湿度数据按照中心控制节点发出的路由路径指令完成远距离传输,最终传送到PC机进行数据处理。
系统的总体结果图如图1-1所示。
图1-1系统结构图
将湿度传感模块和数据发送模块都放在一个单片机上,这样可以节省系统开发维护成本。
设计节点和组网的时候,节点只负责短距离传输数据,通过多跳的方式,将数据发送到基站上。
这样设计可以节省节点能源消耗,增加大规模数据传输距离,提升系统的应用范围。
基于WSN湿度采集节点,采集完数据后,传输到基站上,保证数据的可靠性和实时性。
基于WSN湿度采集节点,再由节点以多跳的方式把数据传输到基站上,由基站统一传送。
大大提高了数据的传输距离。
基于WSN组网,其可支持节点数,大大超越了现有系统所支持的节点数。
基于WSN组网,支持节点的增加和删除,并且自动形成网络拓扑结构,不需要人为的干预。
基于WSN湿度采集节点,虽然或多或少的会受环境所影响,但是通过实时监控节点状态和WSN所特有的可扩展性,可以第一时间检测出无效节点,可以减少损失。
本文明确系统的设计目标,对远程数据采集和传感器网络组网方案进行了研究和选择,并根据系统应用的要求,提出了层次型的体系结构,无线湿度测量系统的三种层次结构为PC机及监控软件构成的监控中心;由中心控制节点构成的传感器主网和由传感器节点、中继节点、路由节点构成的传感器子网。
整个设计方案切实可行。
关于经费和落实情况,由于该项目属于企业公司产品改善和扩展内容,可以充分利用公司现有资源、配合产品销售演示和产品测试进行实验、改善并加以落实,相关费用可以摊到部门和产品项目中。
1.3湿度测量系统的研究现状
1.3.1现场总线湿度采集系统
随着计算机网络技术的飞速发展,现场总线技术在测控领域得到广泛应用。
二十世纪90年代以后,现场总线(Fieldbus)技术成为测控领域中的主导技术,而CAN是各种现场总线中非常有代表性的一种。
CAN(ControllerAreaNetwork)控制器局域网,是用于各种设备检测及控制的一种现场总线。
CAN总线是20世纪80年代德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。
它的应用范围遍及从高速网到低成本的多线路网络。
在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中,CAN总线的通信速率可达1Mbps。
同时,它也可以廉价地应用到交通运输工具的电气系统中,例如灯光聚束、电气窗口等,以替代所需要的硬件连接。
由于计算机没有专用的CAN总线接口,所以需要设计一个模块单元将CAN总线上的数据转换成USB接口数据,模块的一端接监控计算机的USB接口,另一端接CAN总线网络接口。
基于CAN总线的智能型传感器实现了对工业过程中湿度的自动测量,为实现自动化远程湿控、保持环境湿度符合工艺要求提供了高效的测控手段。
1.3.2数字式湿度采集系统
随着频率输出的数字传感器的出现,其显露出许多优点:
输出的数据都是数字量,可减小外界对采集信号的干扰,可直接送单片机处理,不需要A/D转换,电路简单,数据处理方便单总线方式可以一条总线上带10个传感器,非常适合温室内湿度的测量。
北京化工大学卫华传感工程开发部许多年以前就开发出“WH系列脉冲数字湿度传感器”。
它通过直接校准法,把被测湿度这些物理量直接转换成相对应的数字值。
这种湿度节点不需外加任何器件能与计算机直接接口和配合工作。
1.3.3现有无线网络湿度测量系统
现有的无线湿度采集系统,通过网络中的各个节点采集相关数据,各个节点间采用多跳的形式,将数据传给父节点,由父节点把数据统一传输网关。
传感器网络节点一般由WSP430单片机,SHT11湿度传感器,nRF401无线收发芯片等等组成。
利用无线收发元件构成的无线湿度测量系统的设计方法。
采用这种测量方案,不必敷设电缆,节省了费用和时间。
而且,改变测量点位置和增、减测量点的数目都非常简单。
由于采用CMOS材料的低功耗集成电路,测量可以使用电池供电,便于使用和维修。
1.4论文各部分的主要内容
第一章:
绪论。
介绍本文的研究背景和目的,综述温度测量系统的研究现状,介绍了现场总线湿度采集系统、数字式湿度采集系统和现有无线网络湿度测量系统三种系统。
第二章:
介绍无线传感器网络的特点、节点体系结构和应用领域,接着阐述了无线传感器网络跨层设计、数据管理和网络层等方面的研究热点,进而介绍无线传感器网络的通信协议栈,引出了周期性采样、事件驱动与存储和转发三种传感器采集数据模式。
第三章:
本章介绍了现场总线湿度测量系统、数字式湿度测量系统和短距离无线多点湿度测量系统三种系统,并对比系统之间的优缺点。
最后阐述基于无线传感器网络的湿度测量系统的原理。
第四章:
本章首先介绍了系统节点硬件的模块化设计,体积小、功耗低和稳定性高三个原则。
接着介绍无线通信模块的组成和工作原理,数据采集模块的原理。
串口通信实现在PC机和单片机之间的通信,系统测量得到的湿度数据传输给PC机监控系统,并进行数据处理和存储。
第五章:
本章进行湿度测量系统可行性分析,介绍系统的工作流程,阐述了无线湿度传感器网络路由协议包括网络图片结构和路由协议的路径选择,无线湿度传感器网络数据通信协议,最后介绍了基于PC的监控程序软件设计。
第六章:
总结与展望。
总结三坐标雕刻机控制系统的设计研究工作,并对其控制系统的下一步发展和不足之处进行阐述。
第2章无线传感器网络体系结构及其研究热点
2.1无线传感器网络的体系结构
2.1.1无线传感器网络的特点
无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处,但也存在很大的差别。
无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;通常情况下,大多数传感器节点是固定不动的。
另外,无线传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。
因此,以能量的高效利用为首要任务的无线传感器网络具有如下特点:
(1)资源受限
无线传感器网络中,由于节点成本和体积的限制,节点只具有有限的硬件资源,其计算能力、存储空间和数据处理能力等十分受限。
此外,节点携带能量有限,且因物理限制难以给节点补充能量。
(2)大规模网络
为了获得精确的信息,在监测区域内,通常要布置大量无线传感器节点,节点的数量可能成千上万,甚至更多。
再者由于无线传感器网络节点的通信能力有限,在范围很大的地理区域内,需要布置很多的节点才能覆盖整个监测区域,因而网络规模很大。
(3)自组织网络
在无线传感器网络应用中,通常情况下无线传感器节点放置的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量无线传感器网络节点于面积广阔的原始森林中,或随意放置到人无法到达或危险的区域。
这样就要求无线传感器节点具有自组织的能力。
(4)可靠的网络
由于节点布置在恶劣环境或人类不宜到达的区域,无线传感器节点可能工作在露天环境中,遭受风吹雨打等恶劣的环境影响,或者节点电池耗尽而失效。
这些都要求无线传感器节点的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
(5)应用相关的网络
对于不同的应用背景、不同的客观世界的物理量,无线传感器网络的要求不同,其硬件平台,软件系统和网络协议必然会有很大的差别。
这也是无线传感器网络不同于传统网络的显著特征。
(6)以数据为中心
与传统无线网络的路由协议以地址作为节点标识和路由依据不同,无线传感器网络通常只关心区域内某个观测指标的值,而不具体关心单个节点的观测数据;它不依赖于全网唯一的标识,通常包含多个节点到少数汇聚节点的数据流,按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向,以数据为中心形成消息的转发路径。
以上特点决定了无线传感器网络与传统网络在网络协议和网络应用特点方面有着较大的差别,需要建立适合自己的网络协议。
2.1.2无线传感器网络节点体系结构
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。
无线传感器网络体系结构如图2-1所示,该结构清晰地阐述了传感器网络研究的主要内容和组成的逻辑关系。
下面就将简要介绍该体系结构中各部分的功能。
图2-1系统结构图
各网络节点与接受端的互连所用的协议栈包括两个平面:
通信平面和管理平面。
通信平面由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层构成,而管理层由电源管理、移动管理和协同管理构成[16-22]。
通信平面实现网络节点之间的信息传递;管理平面负责检测和控制节点;节点把接受到的数据传递给管理平面,管理平面对节点进行检测和控制,使其能正常工作。
此协议栈综合说明了能源和路由意识,数据与路由协议相结合,通过无线媒介与能源有效通信互连,增强了传感器节点之间的协同能力。
(1)通信平面协议
物理层协议:
网络层的主要功能包括建立、维护和释放物理连接,选择信道,监测无线信号,调制、发送与接收数据等功能,其传输媒质主要有无线电、红外线、光波。
物理层的设计目标是实现网络的自组织和节能,减少节点功耗。
因为周围环境总是有噪声干扰,而且网络节点具有移动性,MAC层协议必须使节点公平、有效地共享无线信道,避免多个节点同时发送数据产生冲突。
数据链路层协议:
数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制,减少邻居节点广播引起的冲突。
网络层协议:
网络层的主要任务是分组路由、网络互联、拥塞控制等,完成数据的路由转发,实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信,支持多传感器协作完成大型感知任务。
传输层协议:
负责按照传感器网络应用的要求控制数据流,协作维护数据流。
应用层协议:
基于检测任务,可以针对不同的传感器任务采用各种相应的软件来完成。
(2)管理平面协议
在传感器网络中,各个节点的能量是非常有限的,因此合理有效地利用资源是延长传感器网络使用时间的关键问题。
电源管理、移动管理和协同管理负责协调各个节点之间的任务并且最大限度地降低整个网络的能源消耗。
电源管理部分控制各个节点对能量的使用,例如通过使节点在不工作时处于休眠状态来节省能源消耗;移动管理主要是对网络上的节点移动进行监测和控制,维护到汇聚点的路由,使传感器跟踪它的邻居,以平衡节点之间任务及能量的使用;协同管理模块协调并将各个传感器的任务分配细化到某个特定区域,在这个区域里的所有节点没有必要同时执行任务,能量多的节点承担相对多一些的任务。
协同管理确保了各个传感器节点可以联合起来以有效的方式运作,在移动的传感器网络中传递数据并实现资源共享。
(3)无线传感器的网络管理技术和应用支撑技术
无线传感器的网络管理部分也不是独立的模块,它们的功能渗透到各层中。
能量管理控制节点对能量的使用,实现能量合理有效的利用;网络管理主要是实现在传感器环境下对各种资源的管理,为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境;拓扑管理主要是为了节约能量,控制节点休眠状态转换,保持网络畅通和数据的有效传输;Qos支持是指为用户提供高质量的服务,是网络与用户之间及网络上互相通信的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 无线 传感器 论文