毕业设计论文基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计.doc

武汉理工大学本科生毕业设计（论文）基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计学院（系）： 信息工程学院 专业班级： 电子信息工程0706 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名 专业班级 电信0706班指导教师 工作单位 武汉理工大学信息工程学院设计（论文）题目：基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计设计（论文）主要内容： 1、了解无线传感网络的原理和机制； 2、对设计题目所涉及理论进行阐述； 3、编写相关的网络协议程序并进行注释； 4、设计相应的数据采集硬件电路； 5、对所设计的内容进行软件仿真并进行调试改进； 6、撰写设计后的心得体会。要求完成的主要任务： 1、完成无线传感器网络的温湿度数据监测系统软件和硬件设计； 2、完成英文资料翻译，英译汉字数要求5000字以上； 3、论文中所用参考文献不少于25篇，其中英文资料不少于9篇； 4、毕业设计论文中要有12幅以上电路图和设计图； 5、完成毕业设计论文，字数不少于12000字。必读参考资料： 1.无线传感器网络孙利民， 李建中， 陈渝 ， 朱红松  清华大学出版社 2005 2.无线传感器网络原理与应用 李善仓，张克旺 机械工业出版社 2008 3数据采集与处理技术 马明建 西安交通大学出版社 2005指导教师签名 系主任签名 院长签名（章）武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。无线传感器网络(WSNs)是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/AC能量转换器)等组成。近期微电子机械加工(MEMS)技术的发展为传感器的微型化提供了可能，微处理技术的发展促进了传感器的智能化，通过MEMS技术和射频(RF)通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)智能传感器(Smart Sensor)嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统(Remote Battlefield Sensor System，简称 REMBASS -伦巴斯)、网络中心战(NCW)及灵巧传感器网络(SSW)、智能尘(smart dust)、Inte Mote、Smart -Its项目、SensIT、SeaWeb、行为习性监控(Habitat Monitoring)项目、英国国家网格等。尤其是今年最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域技战术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”(A Line intheSand)无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子绊网(tripwires)到任何地方，以侦测运动的高金属含量目标。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年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。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。目前在我国国内的农业领域还没有应用到ZigBee技术。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和ZigBee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传送到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。2、基本内容和技术方案在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立多跳自组网，并利用ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温室中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。本文主要研究内容1 传感器节点硬件和软件系统的研究传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推出的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺点。针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能够节省大量费用，方便无线传感器网络爱好者自行研制节点。2 终端监控管理软件的设计无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点，网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等；做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等。目前，此类工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺点就是扩展性差。无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能：1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查询获知温室内的农作物生长环境；2)无线传感器节点适应露天环境长期工作：3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定：4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易于使用：5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户，从而采取相应措施。3、进度安排1-3周 完成开题报告以及任务书；4-6周 完成英译汉，字数不少于5000字；7-10周 对所选题目进行研究分析，着手进行系统硬件和软件设计；11周 进行中期检查；12-13周 完成整体电路调试并完成论文初稿的撰写；14-15周 完成论文撰写并准备论文答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目 录摘 要IABSTRACTIII1 绪论11.1 课题的背景、目的与意义11.2 国内外研究现状11.2.1 无线传感器网络技术研究现状11.2.2 温室测控系统研究现状31.3 本课题研究主要内容及论文组织结构31.3.1 本文主要研究内容41.3.2 本论文的组织结构42 温室温湿度监测系统设计方案52.1 系统设计目标及技术指标52.1.1 系统功能特点52.1.2 技术指标52.1.3 节点硬件平台和软件系统52.2 系统体系结构62.3 方案描述及工作流程73 传感器节点的硬件及软件系统83.1 硬件总体结构83.2 主要元器件93.2.1 处理器ATMEGA 128L93.2.2 无线芯片CC2420103.2.3 传感器模块113.2.4 电源管理模块123.4 TINYOS操作系统概述133.4.1 TINYOS体系结构133.4.2 NESC语言134 温湿度监测软件系统设计及实验测试154.1 软件开发环境介绍154.1.1 LABVLEW简介154.1.2 MOTEWORKS软件平台1542 系统软件组成1643 软件开发关键技术174.3.1 数据格式174.3.2 连接中间件XSERVE174.3.3 数据的解析和转换184.3.4 程序流程图和后面板程序204.4 软件界面及功能介绍2245 实验测试235 总结与展望255.1 主要成果与结论255.2 本论文不足及进一步研究方向255.3 前景展望25参考文献26致谢29III摘 要在现代化大型温室中，实现测控系统的无线化和网络化是目前该领域研究的重要课题之一。为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测量等问题，将无线传感器网络技术应用到温室温湿度测控系统中，实现现代化温室的网络信息化管理，对提升温室等设施农业生产水平具有重要意义。论文首先论述了温室无线传感器网络应用系统的研究方案，给出了系统的软硬件平台设计要求。在此基础上，主要研究了以低功耗处理器ATmegal28L、无线芯片CC2420和温湿度传感器SHTl5为核心的传感器节点的硬件设计和TinyOS操作系统的移植问题。为了实时获取无线传感器网络数据，介绍了在LabVIEW下开发无线传感器网络后台管理软件的方法。该软件通过连接中间件XServe提供的标准通用数据接151，读取XML Socket来获取实时的无线传感器网络数据。从而实现终端监控系统的可视化显示，方便用户的管理。关键词：无线传感器网络；温室；温湿度；数据融合；LabVIEWIAbstractIn modem large-sized greenhouse，one of the key research subjects is to rise wirelessmeasurement networkAdopting wireless sensor network technology,the greenhousemonitoring system can solves some problems existing in cable network and manualmeasurement，realizes network information automatic management，and improve the level offacility agricultural productionFirstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses the research scheme of greenhouses monitoring system based onwireless sensor networkOn 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 components，and the transplantation of TinyOS operating systemin order to obtain the real·time data by wireless sensor network，a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wireless sensor network in LabVIEWThe software reads XM L socket to obtain wireless sensor network data that through standardgeneral interface provided by middlewareConsequently,the system visual management canbe convenient realizedKeywords：Wireless sensor networks；Greenhouse；Temperature and Humidity；Date fusion；LabVIEWII291 绪论1.1 课题的背景、目的与意义我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室每年以新增100150公顷的面积快速发展。引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向1。然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的2。无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式3。从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义4。本课题基于无线传感器网络技术，研究温室环境中温湿度智能监测系统的相关技术，为实现温室无线传感器网络监测系统奠定良好基础。1.2 国内外研究现状1.2.1 无线传感器网络技术研究现状无线传感器网络是将无线通信技术、传感器技术和网络技术相结合构成的能够根据环境自主完成指定任务的智能自治测控网络系统。因其具有随机布设、自组织、环境适应等特点，非常适合应用于布线、电源供给困难的区域、人员不易到达的区域，已广泛应用于国防军事、工农业生产、环境科学、交通管理、灾害监测等领域。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国等发达国家在无线传感器网络领域方面有了较深入的研究。2003年，在美国自然科学基金委员会的支持下，制定了无线传感器网络的研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目与此同时加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、斯坦福大学等研究机构开始了无线传感器网络的理论与关键技术的研究5。斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空问方法以及由无线网连接传感器和控制器构成的闭坏控制系统的框架；麻省理工学院丌始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。美国国防部及各军事部门都对无线传感器网络高度重视，将其视为一个重要的研究领域，并设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国Intel公司、Microsoft公司等信息业巨头也丌始了无线传感器网络方面的研究工作。在Intel资助下，康奈尔大学启动了COUGAR项目，提出“网络就是数据库”，着力于把分布式查询技术应用于感知数据查询。2004年12月ZigBee联盟制定出了ZigBeel.0标准，该标准是基于IEEE802.15.4的短距离、低功耗、低成本的远程监控、传感及控制的无线标准，提供了网络、安全和应用支持服务，极大地促进了无线传感器网络技术的快速发展。620022005年，乔治工学院在NSF资助下，进行了SensoNet项目，研究适合无线传感器网络的通信协议、MAC协议、时问同步、拓扑控制和时空相关分析等。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家同样对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，近年来也纷纷展丌了相关领域的研究工作。克尔斯公司是从事无线传感器网络产业化中最著名的公司，主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案，截止2008年，该公司已经生产了Mica2、Micaz、IMote2等一系列典型的商业化传感器节点国内有关无线传感器网络的研究也很快跟进，清华大学、西北工业大学、国防科技大学、中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所等单位从2002年起开展了无线传感器网络的相关研究。从2003年起，国家自然科学基会设立了20个与传感器网络关键技术相关的研究项目和重点项目，并带来了传感器网络技术研究的热潮。2004年底，国家发改委开始关注传感器网络的发展，并从2005年开始将传感器网络纳入下一代互联网络试验与应用示范项目中，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支持传感器网络与IPv6网络融合的路由等相关技术，有包括中科院计算所在内的数家单位获得了本项目的支持。52006年初，国务院发布“国家中长期科学和技术发展规划纠要”，将传感器网络及其智能信息处理技术作为信息产业及现代服务业领域中的优先发展课题之一。截止2008年，中科院上海微系统己经通过系统继承的方式完成了终端节点和基站的开发，研制成功各种适合不同使用环境的无线监控网络心；中科院沈阳自动化所提出具有自主知识产权的工业无线网络WIA技术体系，并开发出工业无线网络WIA系列产品；浙江大学现代控制工程研究研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究拓引。在市场上推广应用比较多的是ZigBee模块，北京Helicom公司、深圳金图旭昂公司、成都无线龙公司和中科院计算所宁波分所都有相关产品，对无线传感器网络的研究推广做出一定的贡献。但整体从研究的深度和投入的力量来说，国内的水平相对落后，从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称，因此有很多工作要做7。1.2.2 温室测控系统研究现状世界上温室生产最发达的国家是荷兰，其温室以大型玻璃温室为主体，现有大型连栋玻璃温室面积1.1 m2，约占世界玻璃温室的14，居世界之首。此外，其他国家也广泛地把现代化温室技术运用到作物的种植中。英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。美国开发的计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产。温室环境测控技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便，以荷兰为代表的欧美国家温室测控系统开始向网络化、无线化方向发展。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。国内有关温室环境监控方面的研究起步较晚。温室环境测控设备大都是随着大型现代化温室一同引进的，由于规模大，能耗大，造价高，己被实践证明不适宜于我国的国情，更谈不上经济效益。随后出现了一些团外的仿造产品，造价仍较高，且处于实验阶段，故推广使用价值不大。近几年来，我国在温室结构和温室控制两方面开展了不少研究。“九五”、“十五”及“863”计划都对此给予了很大资助8。北京农业大学研制成功型实验温室环境监控计算机管理系统；吉林工业大学研制成功用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调节喷水量：中国农业机械化科学研究院研制成功新型智能温室，由大棚本体、通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统和计算机环境参数测控系统等组成。还有许多高等院校和科研院所都在进行温室控制系统的相关研究，并且许多单位都己建超或将要建起温室监控系统的总体框架。随着无线传感器网络技术的快速发展，人们也开展了温室无线监测系统的应用研究。例如：北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”把无线传感器网络示范应用于温室农作物生产中；2008年10月，上海市计算机研究所研发三部已将自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统应用到了上海奉贤花卉大棚监测系统中，大大提高了工作效率。1.3 本课题研究主要内容及论文组织结构在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立多跳自组网，并利用ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温室中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。1.3.1 本文主要研究内容1)传感器节点硬件和软件系统的研究传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推出的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺点。针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能够节省大量费用，方便无线传感器网络爱好者自行研制节点。2)终端监控管理软件的设计无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点，网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等；做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等9。目前，此类工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺点就是扩展性差。本文第五章介绍了一利一采用LabVIEW工具实现无线传感器网络自定义管理软件的设计方法，从而实现监控系统终端的可视化界面显示，方便用户的管理。1.3.2 本论文的组织结构第1章绪论，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状进行论述；第2章，阐述了整个系统的体系结构，分析了温室无线传感器网络监测系统的特点，提出了系统设计的总体方案及相关技术指标；第3章，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件和软件系统，介绍了传感器节点的主要元器件及扩展接口；第4章，详细介绍了开发客户端数据管理与分析软件系统的关键技术，最后进行了相关的实验测试；第5章，总结了本论文完成的重要工作及对进一步研究的展望。2 温室温湿度监测系统设计方案无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。2.1 系统设计目标及技术指标2.1.1 系统功能特点温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能：1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查询获知温室内的农作物生长环境；2)无线传感器节点适应露天环境长期工作：3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定：4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易于使用：5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户，从而采取相应措施10。2.1.2 技术指标从技术层面上，该网络应具有如下要求：1)通信与组网：负责监测环境信息的传感器节点自组织搭建无线网络，并向管理和基础服务层提供服务支持；2)通信频段：2424835 GHz；3)采用通信协议标准：IEEE 802.1 5.4ZigBee协议标准；4)节点可靠通信范围：50m-100m；5)传感器精度：温度：0.3(25。C时)，湿度： 2.0RH(20-80RH)；6)电源管理：传感器节点使用电池，至少能使用半年以上11。2.1.3 节点硬件平台和软件系统硬件平台的设计，需要的相关传感与通信器件，必须要符合低成本、低耗电与小体积等条件，且必须容易布建、甚至具备可编程、可动态配置等特性。节点的硬件组成主要有两种方案：第一种方案是采用MCU+RF收发器，其中MCU可采用Atmel Megal28、TI MSP430等，RF收发器可采用TI CC2420、Freescale MCl3192、Ember EM240等；第二种方案是应用SOC片上系统，如Ember公司的EM250，TI公司的CC2430等12。本文在节点硬件设计上采用第一种方案，包括传感器模块、Atmel Megal28控制模块、CC2420收发模块、存储模块和电源管理模块等。针对目前节点存在的不足，进行扩展接口的设计，降低节点成本。此外，硬件的设计中需要进行必要的性能仿真以确定硬件设计完成一部分，调试一部分，最终实现整个系统的整体联调，确定系统硬件可以达到设计要求。随着无线传感器网络的深入研究，研究人员提出用于无线传感器网络的微型操作系统TinyOS。本文设计的节点上的软件采用TinyOS.2.x版本。TinyOS在构建传感网络时，其中一个与上位机互连的节点作为基站，主要用来控制各个子节点，并聚集和处理它们所采集到的信息。TinyOS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递，最后达到协同一致的目的。2.2 系统体系结构无线温室监控系统主要包括监控中心、网关节点和传感器节点三部分。将监控系统部署于温室内，每个温室放置一定数量的传感器类型的节点，所有节点将自组织建立无线网络，并实时的将环境信息经多跳的方式上传到监控中心，从而实现监控温室的农作物生长环境的目的。系统的具体结构见图2.1。图2.1 无线传感器网络温室应用系统结构图监控中心包括一台计算机系统和一套上位机软件，实现温室环境因素的实时数据显示、存储、分析以及监视，具有人机交互功能。网关节点在对数据进行分析、融合等处理后通过以太网与监控中心相连，将数据送入监控中心。网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊通信设备13。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，传感器节点相当于传统网络的前端设备，进行本地信息收集和数掘处理。传感器节点随机布置在温室内，执行数据采集、预处理和传输等工作，如温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度等信息，采用电池供电，通信距离有限。2.3 方案描述及工作流程在温室环境中，单个温室可以作为无线传感器网络一个测量控制区，网络中通过采用经过多个节点转发来实现信息的传递。网络中采用不同的传感器测量节点和具有简单执行控制的节点(能对风机、调温机器、阀门等设备进行相关控制)构成无线传感监测网络，其中节点用来测量土壤湿度、温度、空气湿度、成分、PH值、气压、光照强度和C02浓度等数据，以便知道温室中的环境状况，同时将生物信息获取方法应用于传感节点，为对温室环境进行适当的调控提供科学依据。最终使温室中的传感器执行控制的标准化、数据化，利用网关实现控制装置的网络化，从而达到现场组网方便、提高作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的14。温室监控应用系统工作流程为：1)传感器节点部署后，加电启动，等待网关加入无线传感器网络的命令；2)管理员通过服务器发送启动命令到网关节点，启动允许加入无线传感器网络的参数；3)网关发送启动命令到网络内每个传感器节点；4)节点接收启动命令后加入网络，获取该网络的短地址信息，配置本地链路地址，建立路由；5)节点向网关节点申请全局单播地址网络前缀，由网关节点分配节点全局单播地址，节点把配置参数经由网关传输并存储到服务器数据库中；6)管理员发送节点采集命令，同时设置采集周期，经过网关，发送给监测区域内的传感器节点：7)节点接收到采集命令后进行周期采集数据，并且将数据信息以数据包形式传送到服务器，并且根据自身传感器的类型开始采集外界环境息。管理员配置监测区域内环境参数的浮动范围及发出警报的阂值，如果采集的数据值超过该范围，服务器终端示警，则根据相应位置信息自动启动温室内设备装置进行环境调节。3 传感器节点的硬件及软件系统无线传感器节点是无线传感器网络系统中的基本组成元素，因此节点的硬件设计是整个系统的基础。综合考虑节点的使用场景、能量有效、微型化、低成本、扩展性和稳定性等因素，进行了温室无线传感器节点的硬件设计15。在拥有硬件平台的基础上，还对操作系统进行了分析，简述了针对无线传感器网络开发的专用操作系统TinyOS，最后研究了如何针对具体的硬件平台移植操作系统。3.1 硬件总体结构传感器节点兼作传统网络的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。其结构如图31所示，传感器节点主要由感知、处理器、无线通信、身份标识和电源管理等五大模块组成，此外还包括数据存储模块和输出接口等16。感知模块负责采集监测数据并进行数据转换等预处理：处理模块是整个节点的中枢，负责处理数据、通信联网、配合电源管理以及定位等各种高级服务；无线通信模块负责网络节点的无线通信，交换控制消息和收发采集数据：身份标识模块负责标识网络中节点编号；电源模块负责节点的供电。无线通信模块CC2420处理器模块Atmega128L感知模块（SHT15）身份标识模块DS2401数据存储和输出接口（RS-232，USB）等电源管理模块图3.1 硬件框图考虑到系统的扩展性和灵活性，传感器节点要定义统一、完整的接口，在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，同时节点可以按照功能拆