无线传感器网络远程数据传输_本科毕业设计(编辑修改稿)

无线传感器网络远程数据传输_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

点具备处理能力。 节点的电能存储能力是很有限的，需要强大的资源管理和任务调度能力。 因此，传感器网络的路由协议是与传统网络截然不同的。 在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能。 而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。 167。 无线传感器网络的 协议 ZigBee协议基础 MAC层相关协议 ，没有网络层等高层协议规范。 因此为了保证 ZigBee 协议的完整性，保证 ZigBee 协议实现的一致性和标准性， ZigBee 联盟在 规范的基础土对 ZigBee 网络高层协议的详细内容和服务接 GAPI 进行了补充和标准化。 完整的 ZigBee 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 网络层以上协议山 ZigBee 联盟制定， 负责物理层和链路层标准， ZigBee 具体应用相关的应用层由协议栈用户自己 定义实现 ZigBee 协议构架。 167。 无线传感器网络构架 由于无线传感器和无线传感器网络巨大的市场和应用前景，目前全世界许多公司都推出了各自的无线传感器网络，这些技术百花齐放、各有千秋，但是这些技术之间，几乎不能相互兼容和互通。 无线传感器网络系统的基本架构包括三部分： 第一部分是无线收发芯片。 其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成 数字信息。 无线传感器收发芯片而言 IEEE 能为无线传感器应用提供最佳方案 ，这是因为 IEEE 规范可能是主 要且可能唯一的实用标准。 目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。 像 TI公司的 CC2420,CC2520 等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。 第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件 ，也称软件协议栈 work stack,网络堆栈有两个职责。 首先 ，它必须要处理节点间的无线链接通9 信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰， 并 具 有对网络自 组织 、 自恢复 的能力。 网络堆栈 的第二个职能是要具有很强的路由算法能力 ，确保讯息可靠高效地通过各种网络拓扑、星状、网状等等。 第三部分应用软件 ，这 部分包括各种根据用户现有开发的软件代码，这些代码目前大部分是采用 C 语言来进行开发 ，可以之间以接口和 API 方式协议栈的功能。 无线传感器和传感器网络 ， 由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等 特点 ，尽管目前无线传感器网络仍处于初步应用阶段，网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，但已经展示出了非凡的应用价值。 167。 以太网 以太网 (Ether)指的是由 Xerox 公司创建并由 Xerox、 Intel 和 DEC 公司联合开发的基带局域网规 范，是现有局域网采用的最通用的通信协议标准。 以太网络使 用 CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以 10Mbit/s 的速率运行在多种类型的电缆上。 以太网与 系列标准相类似。 以太网是应用最为广泛的 局域网 ，包括标准的以太网 （ 10Mbit/s)、快速以太网（ 100Mbit/s）和 10G（ 10Gbit/s） 以太网，采用的是 CSMA/CD 访问控制法，它们都符合。 167。 标准 规定了包括 物理层 的连线、电信号和 介质 访问层协议的内容。 以太网是当前应用最普遍的 局域网 技术，它很大程度上取代了其他局域网标准。 如 令牌环 、 FDDI 和 ARCNET。 历经 100M 以太网在上世纪末的飞速发展后，目前 千兆以太网 甚至 10G 以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。 常见的 应用为： 10M: 10baseT （铜线 UTP 模式） 10 100M: 100baseTX （铜线 UTP 模式） 100baseFX（ 光纤 线） 1000M: 1000baseT（铜线 UTP 模式） 该标准定义了在 局域网 （ LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。 以太网在互联设备之间以 10~100Mbps 的速率传送信息包，双绞线电缆 10 Base T 以太网由于其低 成本 、高可靠性以及 10Mbps 的速率而成为应用最为广泛的 以太网技术。 直扩的无线以太网可达 11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。 167。 CSMA/CD 共享介质以太网 带 冲突检测 的 载波侦听 多路访问 (CSMA/CD)技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。 这项技术最早出现在 1960 年代由夏威夷大学开发的 ALOHA，它使用无线电波为载体。 这个方法要比 令牌环网 或者主控制网要简单。 当某台电脑要发送信息时，必须遵守以下规则： 开始 如果线路空闲，则启动传输，否则转到第 4 步 ； 发送 如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小报文时间 （保证所有 其他 转发器 和终端检测到冲突），再转到第 4 步。 成功传输 向更高层的 网络协议 报告发送成功，退出传输模式。 线路忙 等待，直到线路空闲 ， 线路进入空闲状态 等待一个随机的时间，转到第 1 步，除非超过最大尝试次数。 超过最大尝试传输次数 向更高层 的网络协议报告发送失败，退出传输模式。 就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都通过一个共同的媒介（空气）来相互交谈。 每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。 如果两个客人同时开始讲话，那么他们都停下来，分别随机等待一段时间再开始讲话。 这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。 如果传输失败超过一次，将采用退避指数增长时间的方法（退避的时间通过截断二进制指数退避算法11 （ truncated binary exponential backoff） 来实现）。 167。 以太网的工作原理 以太网采用 带 冲突检测 的载波帧听多路访问（ CSMA/CD）机制。 以太网中 节点 都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太 网是一种广播网络。 以太网的工作过程如下： 当以太网中的一台 主机 要传输数据时，它将按如下步骤进行： 监听信道上是否有信号在传输。 如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止。 若没有监听到任何信号，就传输数据 传输的时候继续监听，如发现冲突则执行 退避算法 ，随机等待一段时间后，重新执行步骤 1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。 注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点） 若未发现冲突则发送 成功 ，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待 微秒（以 10Mbps 运行）。 12 第三章 基于 WSN 的侦察与监控系统 本 设计依托 是 全国大学生创新训练项目“ 基于 WSN 的侦察与监控系统 设计与实现 ” 开展的一个子课题， 基于 WSN 的侦察与监控系统 一个硬件制作和软件编程结合的 无线传感器网络系统 ，在硬件方面主要是完成了 汇聚节点 板、 传感器 节点板、电池板、温度传感器、震动传感器、人体红外传感器、温度传感器的电路设计和制作。 软件编程方面完成了本地监控软件和 远程 监控预警 软件 的设计。 167。 基于 WSN 的侦察与监控系统 设计 图 无线传感器网络监控平台系统结构图 本系统由各类传感器节点感应战场环境，通过无线传感器网络将感应的数据回传，通过计算机对 传感器数据的实时处理，以及开发的应用软件，实现了本地和远程同时对战场环境的实时监测。 本系统是一个完整的传感器网络，由 4 个采集节点、 1 个 汇聚 节点、 1 个便于用户查看和控制的上位机以及局域网内远程用户终端组成。 系统结构如图 所示。 采集节点用于对环境数据的采集、数据的预处理，同时承当数据的路由转发功能； 汇聚 节点负责整个网络的开启和维护，向采集节点发送命令，收集节点的数据以及和 PC 的串口通信；上位机是数据收集的终端设备，并且可以根据用户的需要对节点的采集时间间隔、休眠时间间隔、传感器的开关进行相应设置，上位机程 序分为了本地程序和远程程序。 本地程序主要将串口数据读出来放进 Access13 数据库，在本地进行分析处理，然后将结果显示在可视化界面上，并将 Access 数据库升迁至 SQL Server 数据库。 远程程序主要是通过局域网远程访问 SQL Server数据库里的数据，在远程计算机上实时更新监测数据，并根据预警值设置进行弹出图片窗口达到 远程 预警的目的。 167。 节点的硬件 系统 图 传感器网络硬件架构 图 为 ZigBee 无线 传感器 网络节点的硬件系统总体框图，该系统由 CC2530器件模块和无线收发模块组成。 CC2530 射频器件模块由 CC2530 器件和相关外围电路构成。 CC2530 内部集成有无线收发器和 8051 内核，可以简化电路设计，在单片机和无线收发器之间不加接口电路 就 能 够进行 通信，经 实际 测量发现，两个网络节点在空旷地面的通信距离是 10～ 75 m，如果 这个距离不能满足应用需要 ，可以 在 CC2530 器件与天线之间加一级接口电路即无线收发模块，用来放大接收和发送信息的功率，从而加大数据传送距离。 为降低各个模块的连接复杂程度，同时适应现代的电脑通信习惯，本设计在硬件允许的情况下将各个模块进行优化融合设计，实现了节点与 电脑的 USB 通信，模块简单化的连接，传感器通用化的接口，只需采取不同的智能传感器即能完成特定功能。 14 167。 侦查与监控系统 本地监控软件系统 本地监控 软件以 Windows 7 为操作系统平台，采用 C语言在 Visual Studio 2020 .NET 环境下 编写完成的 ， 并且 集成了大量实用的类库。 本系统上位机部分主要使用 Serial Port 类和 Thread 类进行串口通信 还有 多线程编程。 167。 本地监控软件 功能 设计 本地监控 软件的应用数据功能和管理控制功能分别 通过 显示窗口和设置窗口实现，显示窗口 分为 地 图监控、即时监控、数据分析、网络结构 四个界面。 本地监控 软件功能结构图 所示。 图 上位机软件功能结构图 软件各项功能设计 要求 如下： ① 地图监控 功能 应实现 显示节点在地图中的位置，并实时监测节点的状态，通过控制节点图标的亮、灭，判断节点是否加入网络 等。 ② 即时监控 应实现 实时显示节点运行情况和节点数据，节点信息经过串口发送 pc 解码后在窗口显示，并提供报警记录查看，即查看数据库中超出给定范围的数据。 ③ 数据分析 应 实现 选择不同的节点，将节点数据以表格和图表的形式展现，通过图表的展示，更能直观的掌握数据的变化情况；图表显示是将每次接受到的解码信息在坐标轴上描出，最终观察所描数据点的变化情况，此外，界面还提供15 历史数据查询功能，输入时间信息即可调取数据库中的历史信息。 ④ 网络结构显示 应实现 显示 节点组网 拓扑 结构。 ⑤ 设置窗口 应实现 可提供传感器设置、服务器设置、系统设置等功能。 ⑥ 传感器设置 应实现 根据测试需要，对各种传感器的参数进行设置。 传感器数据的解码是根据公式 Y=AX2+BX+C 进行计算的， Y 是解码后的传感器值， X 是原始值，通过设置参数 A、 B、 C 可实现不同的解码算法，另外还可设置各个节点的最大值与最小值，调整监测范围。 167。 本地 数据库设计 本地 监控软件 数据库采用 Access 2020 数据库， 数据 库 中主要需要两种类型数据表，一个是用于地图监控功能读取数据的节点信息数据表（ tnode 数据表），两个是用于记录单个传感器节点数据的单个传感器节点数据包（ tdata****数据表）。 要求节点信息数据表包括： nID、 nodeID、 typeID、 nodeName、 atatus、 posX、 posY、lastUpdat、 lastRecet、 areaID 等项。 要求单个传感器节点数据表包含： dataID、receiveTime、 nodeID、 传感器数据等项。 数据从串口传输到 PC， 监控软件 从 PC 串口读取数据后，根据数据帧结构进行数据分析得到数据。 数据在监控软件界面显示 的 同时 将数据 存入数据库。 数据库从串口读取数据后，按照通信协议，将收到的数据分析析，再在数据库里生成相应的数据表。 数据表设计如图 、图 所示。 图 节点信息数据表 图 单个 传感器 节点数据表 16 第四章 远程传输方案 实现 无线传感器 网络是通过与 PC 连接的，而现在的网络技术已经十分成熟，所以有许多网络技术途径都能够实现无线传感器网络数据的远程传输。 167。 数据远程传输方案的论证 在 本设计选择方案 论证过程中主要挑选了三种 备选 远程传输方案进行对比，一是开发基于移动蜂窝网络的 Andrew 系统无线终端网络应用；二是开发基于Windows Qt 系统的 ARM 平台的 WiFi 技术传输方案；三是 在运行 Windows 7 系统的 PC 上使用 SQL Server 远程访问本地终端数据库。 通过论 证三种方案的可行性都十分高，谷歌公司的 Andrew 系统集。