无线传感器网络课程设计.docx

无线传感器网络课程设计远程数据采集系统设计学生姓名：指导教师：峰斌专 业： 电子信息工程班 级：D0745学 号：设计时间： 2011年1月3日至20年1月20日实验地点：新实验楼524随着无线网络技术的飞速开展和同益普及，低速、低功耗、低本钱的ZigBee无线网络技术，己成 为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ZigBee技术进行广泛深入的分 析和研究，使用ZigBee协议设计应用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下：介绍了 ZigBee相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、 ZigBee网络的根本框架、功能、特点等内容。(2)对ZigBee网络层、应用层及ZigBee应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了 ZigBee协议 栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编 程接口，展示了整个系统的应用程序编写过程。(3)分析了 ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍JN5121处理器模块、电源模块、时 钟模块、存储器模块以及各个接口模块的根底上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。(4)讨论了 ZigBee网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了嵌入式操作的定制及嵌入式数据库 的应用。(5)组建基于ZigBee技术的无线数据采集系统，以JN5121单片机和数字式温湿度传感器SHTlO设 计出了传感器网络节点，S3C2440控制器作为ZigBee网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送 到ZigBee网关。ZigBee网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能，良好的可移植性和扩展性，可以根据具体要求方 便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。关键词：ZigBee 技术，IEEE802.15.4,无线网络，Windows第一章绪论4课题的背景4国内外研究现状4课程设计意义和目标4第二章 无线传感器网络简介5传感器网络体系结构5无线传感器网络的特征7第三章远程数据采集系统硬件设计10系统结构和工作原理103.2 硬件平台113.3 供电电路设计12第四章远程数据采集系统软件设计134.1 软件总体框架134.2 ZigBee协调器节点程序144.3 ZigBee路由器节点程序17第五章总结与展望19参考文献20第一章绪论当今世界通信技术迅猛开展，无线通信技术已逐步深入到社会生活的各个领域，其中无线传感器网 络技术是很有前途的新兴技术之一。随着无线传感器网络支撑技术ZigBee通信协议的发布及完善，基于 ZigBee无线传感器网络的研发成为近年来国内外竞相开展的一个领域。这项技术的开展有力地推动了低 速率无线个人区域网LR-WPAN的开展，也将根本改变工业控制、测控、环境监测、汽车、医学等短路无 线网络应用现状,具有广泛的应用价值。本论文工作正式结合ZigBee无线传感器网络节点，并实现ZigBee 无线传感器星型网的根本应用，为进一步研究创立良好的根底。无线传感器网络的研究起步于90年代末期，从2000年起，传感器节点以及由其构成的无线传感器 网络引起军世界、学术界、工业界的极大关注和普遍重视。自20世纪90年代起，美国的很多大学和科研机构就开始了无线传感器网络的研究。加州大学伯克 利分校研制的用于无线传感器网络研究的演示平台现已成为研究无线传感器网络最主要的试验平台之 一、罗克韦尔技术研究中心与加州大学洛杉矶分校合作开发的无线传感器网络原型与系统已在美国一些 政府机构和工程工程上进行了相关实验、哈佛大学开展了传感器网络中痛讯理论根底等研究、麻省理工 学院致力于极低功耗无线传感器网络技术的研究等。无线传感器网络的研究首先在军方应用和推广，美 国陆军近年来连续启动了一系列研究方案，探索无线传感器网络在未来战争中的应用。DAPAR资助的 SenSlT工程，通过部署在战场的多种传感器组成的自组织特性的传感器网络，使指挥员和士兵可及时了 解战场形势、迅速全面地获得战场实况信息，大大提高了参战人员对战场态势的感知能力。2002年5月， 美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够预警以地铁、车站等公共场所目标的生化武器, 并及时采取防范对策的系统，系统集有毒气体检测传感器和网络于一体，该系统的研制有效增强了公共 场所抵御生化武器袭击的能力。在国内，无线传感器网络领域的研究也在很多科研机构展开。中科院上海微系统与信息技术研究所 从1998年开始就对无线传感网络进行了跟踪和研究，并完成了一些终端节点和根底的研发，中科院电子 所和沈阳所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展研究，2004年国家自然科学基金资助浙江大学 和中科院合作开展了无线传感器网络通信协议、定位、部署和覆盖等方面的研究，中科院宁波所计算技 术研究所也较早开展了无线传感器网络的研究,并于05年12月开发出了基于IEEE802. 15. 4协议的GAINS 节点和SNAMP平台。随着2004年底ZigBee协议的正式公布，关于ZigBee无线传感器网络的研究和应用在世界各地蓬勃 展开，ZigBee的特点使得它在无线传感器网络领域具有非常重要的地位。目前，ZigBee技术的研究处于 初期阶段。研究从节点的硬件设计、节点功能软件设计、协议研究及协议移植、计算机管理软件开发、 ZigBee星型网应用层开发等多方面同时展开。课题的主要任务是建立ZigBee开发初级平台，为后续的无线定位、路由开发等ZigBee技术的深入 研究和ZigBee产品开发奠定根底。具体就是在研究ZigBee技术及其协议栈的根底上，首先是设计与实 现硬件平台，其次课题组进行ZigBee组网研究和移植Microchip公司基于PIC单片机的ZigBee协议栈 MpZBeel. 0-3. 6到AVR单片机上，实现ZigBee协议的软件化，并进行ZigBee星型网的应用层开发和无线 传感器网络管理软件ZS_WSN的设计与开发，最后使用研制的节点、开发的无线传感器网络管理软件完成 ZigBee星型网的根本应用。第二章无线传感器网络简介传感器网络结构传感器网络结构如图2-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、会聚节点和管理节点。大量 传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿 着其它传感节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由会聚节 点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点岁传感器网络进行配置和管理，发布监测 任务以及收集监测数据。图2-1传感器网络节构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，每个传感器节点兼顾传统网络节点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，还要对其它节点转发来的数据进行存储、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。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。会聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相比照拟强,它连接传感器网络与Internet等外部网络, 实现两种协议栈之间的通信协议转化，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络 ±o会聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源， 也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。传感器节点结构传感器节点有传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供给模块四局部组成，如图2-2所示。 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储 和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线痛信， 交换控制消息和收发采集数据；能量供给模块位传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。图2-2传感器节点体系结构传感器网络协议栈随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。图2-3a所示是早期 提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈 的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台 使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任 务和资源共享。各层协议和平台的功能如下： 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和过失控制； 网络层主要负责路由生成与路由选择； 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信效劳质量的重要局部； 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到会聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟 踪其邻居的位置； 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。网络管理 能量/安全/移动-S 一 Qoi拓扑(a)(b)图2-3传感器网络协议栈图2T(b)所示的协议栈细化并改良了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比拟特殊。 它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持， 如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议的等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。 所以在图2-3a所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：另一局部独立在协议外层，通过各种 收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图2-3a中的每个协议层次中都要增加 能量控制代码，并提供给配置系统进行能量分配决策；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或 者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓 扑生成，反过来又为它们提供根底信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减 少网络能量消耗；网络管理那么要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息, 协调控制网络中各个协议组件的运行。与现有无线网络的区别无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对 等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有效劳质量要求的多媒体信道流。通常节点具有 持续的能量供给。传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大差异。传感器网络是集成了检测、控 制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，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，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。传统无线 网络的首要设计目标是提供高效劳质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设 计目标是能源高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。传感器节点的限制传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、本钱要求低廉、分 布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式 来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战