毕业设计（论文）基于多Agent的无线远程温度监控系统.doc

XXXX大学论文 学号： XXXXXXXXX基于多Agent的无线远程温度监控系统学院名称： XXXX 专业名称： 计算机科学与技术 年级班别： XXXXXXXX 姓 名： XXX 指导教师： XXX XXX年XX月基于多Agent的无线远程温度监控系统摘 要 传统的温度监控系统大多采用人工测量或者在测量点与监控室之间搭建电缆的有线方式，不仅耗费了大量的人力、财力，而且电缆搭建在实际操作中并不容易，维护起来也相对困难，监测范围广泛或者在偏远环境恶劣地区更显得是无能为力。无线远程温度监控是则用无线传感器无线通信方式技术发射数据与接收数据和自动控制相结合的一种控制，基于这种技术采用多Agent系统对无线传感的数据进行接收分类、实时处理和无线传感器相协调、分析解释和显示，如果温度过高多Agent系统会实时处理采取报警模式。可用于各种环境中包括恶劣甚至危险的远程环境中，对各领域有着广泛的应用前景。关键词 无线网络；无线传感器；多Agent；温度监控；Based on the Agents wireless remote temperature monitoring systemAbstract Most of the traditional temperature monitoring system using artificial measurement or between the measurement point and control room set up cable cable way, not only cost a lot of manpower, financial resources, and cable structures, in practice it is not easy, the maintenance is also relatively difficult, monitoring wide range or in remote environments, more is helpless. Wireless remote temperature monitoring is to use wireless sensor data wireless communication technology launch and receive data with the combination of a kind of control, and automatic control technology based on the Multi Agent system based on the technique of wireless sensor to receive classification, the real-time processing of data and coordinated wireless sensor, analysis, interpretation and display, if the temperature is too high more than the Agent system can real-time processing take alarm mode.Can be used for a variety of environments including remote environment, bad or even dangerous for every field has a broad application prospect.Keywords Wireless network; Wireless sensor；The Agent; Temperature monitoring;前 言随着社会的发展和生活的需要，利用无线远程通信进行温度监控已经广泛运用到生活的各个领域。图1.1短距离无线通信的应用无线远程温度监控已经广泛用在日常生活中、工农业上、环境监测、军事国防等各个领域中。在当前的科技水平下，无线通信远程监控技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。它不需要像有线网络控制耗费巨大的通信资源，也不受环境、网络速度的影响。从实际情况, 本着低成本、低功耗的原则, 对该系统软硬件进行设计, 并解决了传统的有线监控系统的诸多问题, 具有简单、灵活和易开发等优点。无线传感器网络(Wireless sensor network)是由大量低成本、 能耗低的微小传感器节点(Sensor node)构成的无线网络测控系统6。因此本文通过无线传感器发射和接受的数据信息，运用多Agent技术来进行协调、协作与协商、求解完成一系列的监控。1 无线网络通信技术1.1 无线网络技术的技术标准无线网络技术，包括蓝牙技术、WIFI技术和家庭网络技术的HomeRF技术及ZigBee技术等。由于ZigBee技术具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度和高安全性等优点。因此本系统采用ZigBee无线网络进行数据通信5。与传统网络中的信号用电缆或光纤来传输不同，无线网络利用微波等无线技术进行信息传递。各Agent的通信模块均采用NRF24L01无线收发模块进行设计2，无线远程温度原理结构图如1.1所示。图1.1NRF24L01原理结构图Fig 1.1 NRF24L01 principle diagram1.2 无线网络技术的特点 移动性高。无线网络最明显的优势就是其移动性，移动性意味着可以在访问节点之间移动而不失去与网络的连接。无线网络中计算机通过无线方式进行通信，而不必依赖光缆或电缆，因此在信号覆盖范围内，可以以很大的灵活性自由移动。 安装简便。采用无线网络技术，避免了布线工程的种种困难，使网络的安装工作大大简化，安装网络只需安装无线接入点，并在每台设备中插入无线网卡。 传输速度快。目前WIFI技术的传输速度可以达到11Mbps，能够满足个人和社会信息化的大部分需求。 运行成本低。由于后期维护方便，运行成本只有有线网络的50%左右3。2 无线传感器网络2.1 国内外研究现状 WSN起源于20世纪70年代。20世纪80-90年代，研究主要在军事领域，成为网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研究的序幕；20世纪90年代中后期，WSN引起了学术界、军事界和工业界的广泛关注，发展了现代意义的无线传感器网络技术。 国内首次启动出现于1999年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域的五大重点项目之一。在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。我国2010年远景规划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展的产业之一。 国外美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究, 包括CEC、REM BASS、TRSS 、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、AMPS、NEST等研究项目。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元,帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了 WSN 的研究【8】。2.2 无线传感器的功能和特点 无线传感器节点是采集、存储、处理和传输数据。通过无线网络，节点之间可以进行信息交换，也可以把信息传送到远程终端。作为一种新型的网络，无线传感器网络主要有电源能力局限性、节点数量多、动态拓扑、自组织网络多跳路由、以数据为中心等特点【8】。2.3 无线传感器网络体系结构 典型的无线传感器结构如图2-3所示，传感器节点经多跳转发，再把传感信息送给用户使用，系统构架包括分布式无线传感器节点群、汇集节点、传输介质和网络用户端。传感器网络是核心，在感知区域中，大量的节点以无线自组网方式进行通信，每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力，传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户。图2.3无线传感器网络体系结构图Fig 2.3Wireless sensor network system structure diagram 节点是无线传感器网络的基本功能单元，典型的节点结构如图2.3.1所示，主要包括数据采集模式、数据处理和控制模块、无线通信模块和供电模块这四部分。图2.3.1无线传感器网络节点结构图Fig 2.3.1Wireless sensor network node structure2.4无线传感器网络工况设计 如图2.4.1和图2.4.2所示，系统从断电态进入到供电态后，无线传感器网络的主、从节点均进行初始化。节点初始化后主动组网，得到从节点相应信号后确定星型网络组建成功。组网成功后系统分为命令给出和测试数据传输2个阶段4。图2.4.1无线传感器网络通讯程序流程图Fig 2.4.1 Flow chart WSNs communication program图2.4.2无线传感器网络工况状态图Fig 2.4.2 Diagram of WSNS working condition3 Agent及多Agent3.1 多Agent系统的概念及特性 多Agent系统是由多个自主Agent所组成的一种分布式系统。其主要任务是要创建一群自主的Agent，并协调它们的智能行为。到目前为止，Agent还没有一个统一的形式化定义。一种比较普遍的观点认为：Agent是一种能在一定环境中自主运行和自主交互，以满足其设计目标的计算实体。此外，一个比较权威的定义是强定义和弱定义。弱定义认为Agent是具有自主性、社会性、反应性和能动性的计算机软件系统和硬件系统。强定义认为，Agent是一个实体，它的状态可以看成是由信念、能力、选择、承诺等心智构建组成。一个多Agent具有每一单个Agent都仅具有有限的信息资源和问题求解能力、多Agent系统本身不存在全局控制，即其控制是分布的、知识与数据均是分散的、计算是异步执行的等特性。Agent结构是指Agent的组成方式。其基本结构包括反应Agent、慎思Agent及混和Agent的结构。然而混合Agent结构把反应Agent和认知Agent结合在一起。 其混合Agent结构如图3.1.1所示：图3.1.1 混合Agent的基本结构（宋体5号，居中）Fig 3.1.1 The basic structure of mixed Agent多Agent的合作包括：Agent协调：是指对Agent之间的相互作用和Agent动作之间的内部依赖关系的管理。它描述的是一种动态行为，反映的是一种相互作用的性质。它的两个最基本的成分是：“有限资源的分配”和“中间结果的通信”。 Agent协作：协作是指Agent之间相互配合一起工作。它是非对抗Agent之间保持行为协调的一个特例。Agent协商：协商主要用来消解冲突、共享任务和实现协调，是多Agent系统实现协调和解决冲突的一种重要方法【9】。4 温度监控4.1温度监控的发展趋势在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎所有的工业部门都不得不考虑着温度的因素。现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。近年来，单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃发展，单片机已经渗透到工业，农业，国防，科研以及日常生活等各个领域。传统的温度采集的方法不仅费时，而且精度差满足不了各行业对于温度数据提高精度，设备高可靠性的需求。单片机的出现使得温度数据的采集和处理得到了很好的解决。选择适当的单片机和温度传感器以及前端处理电路，可以获得较高的测量精度，不但方便快捷，成本低廉，省事省力，而且大幅度提高了测量精度。4.2 温度单片机的设计内容 基于单片机的无线温度监控系统，采用AT89S51为主控芯片，DS18B20作为温度采集芯片，NRF905作为无线接收和发射模块，采用LCD1602液晶屏进行显示。该系统由发射系统和接收系统组成，发射系统进行温度采集以及数据发射，接收系统作为主系统，对数据接收处理并显示出来。该系统具有温度过限报警功能，设有4个独立按键，分别进行温度高低限定值的选择、设定，清除报警声和报警灯。采用9102三极管驱动蜂鸣器，当达到温度上下限值，就会给三极管一个高电平驱动蜂鸣器，实现声音报警，并且可以接个发光二级管，同时点亮二极管，实现发光报警。5 基于多Agent的无线远程温度监控系统5.1 总体系统的硬件设计 系统硬件电路主要分为：单片机AT89S51主、从系统，接收电路，显示电路，键盘电路，温度采集电路，发射电路，多Agent的计算机软件。设计总框图如图5.1.1所示。温度超过限定值温度在范围内运用多Agent运用多Agent运用多Agent运用多Agent运用多Agent温度采集AT89S51单片机（副） 无线发射液晶显示AT89S51单片机（主）无线接收声光报警独立键盘分析超过限定值图5.1.1总设计框图5.2 总体系统的硬件概述硬件电路是由单片机芯片AT89S51单片机为控制核心，具有在线编程，丰富的中断源、灵活性强、低功耗等功能，能在3V低压工作；温度的采集由DS18B20来构成，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片；无线收发模块用NRF24L01，工作于2.4GHz2.5GHz ISM频段，NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便；显示部份由1602 LCD来完成；报警电路采用三极管驱动蜂鸣器及发光二极管实现声光报警。5.3 系统体系结构设计 在设计中，将Agent思想应用到各网络节点，各Agent之间采用无线网络进行数据传输，由此设计了基于多Agent的无线远程温度监控系统。各Agent在进行硬件设计时，采用AT89S51为主控芯片作为系统的控制核心，负责数据的采集及处理工作。该系统分三层体系结构：主系统Agent，副系统Agent，报警程序Agent。其流程图如图5.3.1,5.3.2,5.3.3所示。键盘设定值检测设定值显示实际值显示接收副系统数据返回主程序温度超出范围否？报警YN图5.3.1主系统Agent程序流程图温度采集数据处理实际值发送主程序返回图5.3.2副系统Agent程序流程图Fig 5.3.2 Deputy system Agent program flow chart 设定值与实际值比较温度不大于报警下限温度不大于报警上限报警上限处理NYYN报警下限处理报警子程序返回图5.3.3温度报警子程序Agent流程图Fig 5.3.3 Temperature alarm subroutine flow chart of the Agent 主程序首先对LCD进行初始化，然后进行按键扫描，设定温度上下限值，接着初始化无线接收模块，然后温度数据，并判断是否超出设定范围，超过即启动报警程序，不超过则继续判断，如此循环。main()delay_ms(500); / 上电延时LCD1602_init(); / LCD初始化wireless_init();while (1)Count+; / 超时计数if (Count >= 140000)w_string(0x00, " No Signal! "); /显示无信号k_val = scan_key(); /扫描按键 key_action(k_val); /按键操作内容if (IRQ = 0) /是否接收到数据 read_chip_state();/读芯片状态 tra0 = 0x27; tra1 = 0x70;write_more_byte(tra,2);read_more_bytes(Rev_dat,16); / 读数据if (Rev_dat0+Rev_dat1) = 0xFF) /和校验Count = 0; /清零计数器w_string(0x00, "Real Wen du: C"); /显示当前温度if (Rev_dat0 < 0) /负温度显示 Rev_dat0 = -Rev_dat0; w_string(0x0C, "-"); w_data(0x0D, Rev_dat0);else / 正温度显示 w_string(0x0C, "+"); w_data(0x0D, Rev_dat0); 发射程序首先点亮信号灯并且初始化无线发射模块，接着读取温度数据并校验数据，然后发射温度数据并重置信号灯，数据正常发送，则信号灯稳定闪烁。main()int8 dataout16;LED = 0; / 上电LED亮Wireless_init(); /初始化无线模块while (1) start_temp_sensor(); / 初始化18B20delay_ms(1000);/ 延时1秒dataout0 = read_temp(); /读温度dataout1 = 0xFF - dataout0; /反转数据 作为校验LED = LED; / 重置LED指示灯Send_16Bytes_Data(dataout); / 发送数据传输程序包括发送数据和接收数据，即无线收发模块之间进行数据通信，设定好对应的通信地址和通信协议，即可实现数据的正确传送。/ 发送数据/ 输入值：addr：输入数据地址void Send_16Bytes_Data(unsigned char *addr) unsigned char *p = addr,tra12,i; CLR_SCN(); Write_one_byte(0xA0); for (i=0;i<16;i+) Write_one_byte(*p+); SET_SCN(); SET_CE(); for (i=0;i<60;i+); CLR_CE(); while (READ_IRQ() = 1); tra10 = 0x27; tra11 = 0x70; Write_more_byte(tra1,2); tra10 = 0xE1; Write_more_byte(tra1,1);/* 接收数据*/ 写一个字节到芯片/ 输入参数：dat：数据void write_one_byte(unsigned char dat) unsigned char i,dd=dat; for (i=0;i<8;i+) if (dd & 0x80) / 发送数据 SET_MOSI(); else CLR_MOSI(); SET_SCK(); / 发时钟 CLR_SCK(); dd <<= 1; 温度采集程序主要是对温度传感器DS18B20编程，向1-线总线上写字节，传送字节和读字节，然后将采集的数据交给单片机进行处理。/* 18B20写1个字节函数 向1-WIRE总线上写一个字节*/void write_byte(uint8 val)uint8 i;for (i=0; i<8; i+)DQ = 1; _nop_(); DQ = 0;nops(); /4usDQ = val & 0x01; /最低位移出delay(6); /66usval >>= 1; /右移一位DQ = 1; delay(1); /*18B20读1个字节函数 从1-WIRE总线上读取一个字节*/uint8 read_byte(void)uint8 i, value=0;for (i=0; i<8; i+)DQ=1; _nop_();value >>= 1; DQ = 0;nops(); /4usDQ = 1;nops(); /4us if (DQ) value|=0x80; delay(6); /66usDQ=1; return(value);LCD1602显示程序，首先进行1602的初始化，然后就是执行写命令和写数据这两个子函数，实现温度数据的实时显示和按键操作的动态显示。/* 初始化1602*/void LCD1602_init(void)w_cmd(0x38); / 16*2显示，5*7点阵，8位数据接口w_cmd(0x0C); / 显示器开w_cmd(0x06); / 文字不动，光标自动右移w_cmd(0x01); / 清屏/*等待繁忙标志*/void wait(void)P0 = 0xFF;doRS = 0; RW = 1; EN = 0; EN = 1;while (BUSY = 1);EN = 0; /*写数据*/void w_dat(uint8 dat)wait();EN = 0; P0 = dat; RS = 1; RW = 0;EN = 1; EN = 0; /* 写命令*/void w_cmd(uint8 cmd)wait(); EN = 0; P0 = cmd; RS = 0; RW = 0;EN = 1; EN = 0; /*发送字符串到LCD*/void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)w_cmd(addr_start | 0x80);while (*p != '0') w_dat(*p+); /*发送数字到LCD(0099)*/void w_data(uint8 addr_start, uint8 dat)w_cmd(addr_start | 0x80);w_dat(dat%100/10 + '0'); w_dat(dat%10 + '0');6 系统仿真由于无线模块NRF24L01在模拟仿真中无法实现，所以采用的是双机通信原理实现部分仿真。当温度低于最低门限值时，红灯亮，报警器报警，LCD显示当前温度；当温度在设置范围类时，LCD显示当前温度；当温度超过最高门限时，黄灯亮，报警器报警。仿真结果如图6.1.1所示。图6.1.1仿真原理图总 结 基于多Agent的无线远程温度监控系统加入了Agent的思想，采用单片机控制Agent的数据采集，利用NRF905无线收发模块对数据进行传输，提高了系统的工作效率。中继Agent减轻了工作上的负担，提高了系统数据处理和传输的速率。采用ZigBee协议对系统通信协议进行了设计，对系统的实现提供了软件依据。该系统解决了传统的温度监控系统人工测量或者在测量点与监控室之间搭建电缆的有线方式或者偏远地区和恶劣的环境中，在社会各方面具有很好的实际利用价值。致 谢 在此，衷心地感谢我的老师！通过薛老师敏捷的思维、丰富的上课经验给我留下了深刻的印象。在他的热心指导下使我能满怀信心地进行论文的填写工作，独立地解决了不少问题，增强了我的创造性思维，使我能胜利完成了本论文的工作。老师的真诚、热心和严肃使我印象很深，正是这样，我才学到了很多知识，再次表示对老师深深的谢意！ 自大一入学，各位老师一直以来的辛勤工作和教导使我能顺利地度过这难忘的三年，使我在综合素质提高、专业理论知识学习和实践工作能力等各方面受益匪浅。在写论文的过程中而且还得到了许多同学的关心、指导和帮助，没有他们的帮助，我的论文也不会顺利地完成，在此，我向我的同学和各位老师表示诚挚的感谢！参考文献1 Michael Palmer, Robert Bruce Sinclair,局域网与广域网设计与实现.M.清华大学出版社,2003，10.2杨继东，朱瑞龙，苗淼.J基于多Agent的无线网络水表抄表系统应用研究.3 张谦，刘童娜J研究综述与技术论坛专刊，20064 刘帆，杜红棉，范锦彪等M山西，传感器与微系统2014,33.55衣翠屏，柏逢明.基于ZigBee技术的CC2530粮库湿温度检测系统研究J.长春理工大学学报（自然科学版），2011,34（4）：53-576孙利民,李建中等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,2005.7余向阳.无线传感器网络研究综述J.专题论述，苏北航务管理处.8司海飞，杨忠，王珺.无线传感器网络研究现状与应用J.机电工程，2011,28（1）:16-209王万森.人工智能原理及其应用（第三版）M.电子工业出版社，2008.10彭伟.单片机C语言程序设计实训100例M.北京:北京航空航天大学出版社，2010.11候殿有.单片机C语言设计M.北京:人民邮电出版社,2010.12郑锋,王巧芝,程丽平.51单片机典型应用开发实例大全M.北京:中国铁道工业出版社,201113杜洋.爱上单片机M.北京:人民邮电出版社,2011. XXXXXXX年XX月于XXX大学