基于无线传感器网络的大棚监控系统(编辑修改稿)

基于无线传感器网络的大棚监控系统(编辑修改稿)内容摘要：

CSMA/CA 研究与仿真；结论。 各章组织如下： 第 一 章绪论。 本文研究的概要情况，包括研究背景、国内外研究现状及研究内容等； 第 二 章无线传感器网络简介。 首先介绍了无线传感器网络 的概念、 网络的实时性应用、 特点及挑战； 其次介绍了无线传感器网络与传统网络实时性能的区别， 并指出无线传感络的实时应用需要考虑的基本问题和解决方案。 最后介绍了仿真平台 OPNET。 第 三 章 CSMA/CA 和 ZIGBEEZIGBEE。 网络工作方式为信标网络和非信标网络，对不同的网络工作方式将采用不同的信道接入机制。 第四章 系统应用设计。 包含了 所需要的软件设备，开发环境，以及开发内容，和重要的数据采集提取 和读取部分。 重点说明了。 数据传输机制和数据线路的分析与整合 传感器的介绍 和应用程序的烧录 以及实用 第五章开发内容和传输机制 ； 项目开发详细内容 （包括传感器的配置、传感器烧录、数据的实时收集、实时数据的存储、实时数据的传输、实时数据在服务器端的接受及存储 TCPServer 及MySql、数据库及 Web 服务器安装、利用 JSP 曲线动态显示实时数据） 首先烧录整合好的温湿度传感器的代码。 接着连接传感器取得数据。 然后在ubuntu 中编译并运行 Com_Sensor 程序获取传感器实验箱的数据。 在 Ubuntu11 编译并运行 把数据发送到 tinyos ,tinyos 通过TCPServer 服务器接收数据并存入 MySQL 数据库。 最后将接收到的数据通过 tinyos 服务器以 jsp 曲线动态显示实时数据。 第六章 设置开发环境， 首先介绍了 标准，对此标准中的 CAMA/CA 道信 接入方式，并结合其工作流程进行了分析，提出一种具有优先级的 CSMA/CA 算法， 使数据分组可以根据其优先级的不同而选择不同 BE 和 CW，采用离散 Markov 链 模型分析了所提出算法的性能，最后进行仿真验证。 第七章。 C数据采集平台 二 无线传感器网络简介 无线传感器网络是 Ad hoc[10] 网络的特例，通过多跳无线方式传输数据。 因此在无 线传感器网络里实现实时传输具有很多与传统网络不同的难点。 本章首先介绍了无线传感 器网络的概念、 特点及挑战； 然后重点介绍了无线传感器网络与传统网络在实时性能方面 的比较及基本解决方案；最后对仿真平台 OPNET 进行了介绍。 无线传感器网络的概述 当前， 自织网的一个重要的发展方向是无线传感器网络， 我们可以把无线传感器网络 定义如下 [11]：无线传感器网是由一组按需随机分布的集 成有传感器、数据处理单元和通 信模块的微型传感器以自组织方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知、 采集和处理网 络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信息获取者。 信息获取者是传感器网的用户， 也是感知信息的接受和应用者。 信息获取者可以人， 也可以是计算机或其他设备。 例如，军队指挥官、一个由飞机携带的移动计算机都可以是 传感器网的信息获取者。 另外，一个传感器网可以有多个信息获取者，一个信息获取者也 可以是多个传感器网的用户。 信息获取者可以主动地查询或收集传感器的感知信息， 也可 以被动地接收 传感器网发布的信息。 信息获取者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制 定决策，甚至对感知对象采取相应的行动。 传感器网的感知对象是观察者感兴趣的监测目标， 如坦克、 军队、 动物、 有害气等。 感知对象的信息一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表示，如温度、 湿度、物体的大小、物体的移动速度等。 一个传感器网可以感知网络分布区域内的多个对 象，一个对象也可以被多个传感器网所感知。 现在的无线传感器网络的已经在很多应用领域发挥着重要的作用 [1217]。 军事应用无 线传感器网 络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁 性强等特点， 是数字战场无线数据通信的首选技术， 是军队在敌对区域中获取情报的重要 技术手段。 环境监控方面，无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比 如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成 分等 [1820]。 ALERT[21]系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依 此预测爆发山洪的可能性。 类似地，无线传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该 是有帮助的。 无线传 感器网络还为未来的远程医疗提供了更加方便、 快捷的技术实现手段 [22]，比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与 Inter 连接在一起 将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；文献 [23]中描述的城市车 辆监测和跟踪系统中成功地应用了无线传感器网络。 另外，网络的自组织、微型化和对外 部世界的感知能力的三大特点使其在仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，都将会孕育出全新的设计和应用模式 [2427]。 无线传感器网络的特点和挑战 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分 布式信息理论技术等， 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、 感知和采集各 种环境或监测对象的信息， 通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信 网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 从而真正实现“无处不在的计算”理 念。 无线传感器网络有着很多鲜明的特点 [28]，如大规模、自组织、电源能量和计算能力 有限、动态性和以数据为中心等特点。 这些特点都不同于传统数据网络，在实现各种网络 协议和应用系统时 带来了许多的约束，同时也提出了一系列挑战性问题 [2931]： 1)通信能力有限。 无线传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范 围只有几十到几百米。 传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。 同时由于无线传 感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响， 传感器可能会长时间脱离网络， 离线工作。 因此如何在有限通信能力的条件下高质量地完 成感知信息的处理与传输，是我们面临的第 1 个挑战。 2)电源能量有限。 传感器的电源能量极其有限。 网络中的传感器由于电 源能量的原因 经常失效或废弃， 因此电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。 如何在网络 工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是我们面临的第 2 个挑战。 3)计算能力有限。 无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。 这些传 感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。 但是，由于嵌入式处理器和存储器的 能力和容量有限， 传感器的计算能力十分有限。 如何让大量具有有限计算能力的传感器节 点协作地进行分布式信息处理，是我们面临的第 3 个挑战。 4)传感器数量大、 分布范围广。 无线传感器网络中传感器节点密集， 数量巨大外， 无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。 传感器数量大、 分布广的特点使得网络的 维护十分困难甚至不可维护，无线传感器网络的软、硬件必须具有高健壮性和容错性。 这 是我们面临的第 4 个挑战。 5)网络动态性强。 网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性， 并且经常有新节点加入或已有节点失效。 因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知 对象和观察者三者之间的路径也随之变化。 无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。 这是我们面临的第 5 个挑战。 6)大 规模分布式触发器。 很多无线传感器网络需要对感知对象进行控制， 如温度控制。 这样，很多传感器具有触发器。 成千上万的动态触发器的管理是我们面临的第 6 个挑战。 7)感知数据流巨大。 无线传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并 具有实时性。 每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。 我们需 要研究强有力的分布式数据流管理、 查询、 分析和挖掘方法。 这是我们面临的第 7 个挑战。 无线传感器网络与传统网络的实时性能研究比较 具有实时性 要求的通信网络与普通通信网络的不同在于引入了时间限制， 它要确保准 时地传递信息并且支持分布式计算。 因此， 使得网络性能在度量方面区别于普通通信网络， 其对于网络延迟具有更高的要求。 当无线传感器网络出现时， 人们也很自然地有了在传感 器网络上传送不同类型业务的需求， 并且希望无线传感器网络能像固定有线网络一样为不 同业务的服务质量提供保障。 然而，与固定的有线网络不同，在无线传感器网络中，无线 链路的带宽相对较低，节点的内存、能源等资源都相对受限。 因此，传统有线网络中的机 制无法直接应用于无线传感器网络中。 与有线网络的比较 在有线网实时化的研究领域中，有很多研究工作是修改网络协议底层的 MAC 层， 以期望获得定量的通道访问时间，从而保证通讯的实时性。 这种方案需要针对硬件 (网卡 等 )作改动，并且在修改了 MAC 层协议之后，上层协议集可能也需要进行相应的修改， 最终形成一个支持专有协议的专用系统， 另外一种有效的方式是在 的基础上采 用一种虚拟的基于令牌的介质访问方式， 以避免报文碰撞的发生。 这种方法不需要对硬件 做任何修改，但要增加新的协议软件。 一般来说，为了保证网络中节点间数据传输的实时性，通信协议需要考虑两个过程： 访问仲裁过程和传输控制过程。 访问仲裁过程决定一个节点什么时候可以通过网络介质发 送数据， 而传输控制过程决定节点可在介质上不间断传输数据的时间。 访问仲裁过程是为 了保证各个节点的实时性，而传输控制过程则是保证整个网络的实时性。 如令牌环 (Token Ring)协议 强调的是访问仲裁过程，而定时令牌协议 (Timed Token Protocol)， 如 ， FDDI 则强调的是传输控制过程。 如果两个过程能有机地结合在一起，就 能很好保证通讯协议的实时性。 和有线网络一样， 无线传感器网络的实时性能同样要求网络产生的数据必须在规定的 时间内传回数据中心， 数据的丢失或延迟到达可能会造成严重的后果。 由于无线传感器网 络是 Ad hoc 网的一个特例，数据包需要通过多跳传输才能到达目的地，因此实时传输过 程中数据包的调度除了考虑时间约束外还需要考虑距离约束。 其中距离是由源节点和目的 节点的物理位置决定的。 这是无线传感器网络和有线网络的不同之处。 在无线传感器网络中提供实时通信支持 面临着许多挑战。 首先，无线链路不稳定，易 受周围环境和噪声的影响，因此通信延迟很难估计；其次，许多无线传感器网络的应用需 要在仅有电池供电的情况下工作数月甚至数年， 这要求在满足应用实时性的同时必须考虑 如何减小网络的能量开销；再次，在无线传感器网络中不同数据包有不同延迟要求，高优 先级的数据包抵达基站节点的延迟要少于低优先级数据包； 最后， 无线传感器网络节点资 源受限，因此在设计相应的协议时需要减少通信以及能量开销。 但是为了保证节点间数据传输的实时性， 实时通信协议依然像有线实时网络一样需要 考虑两个过程： 访问仲裁过程和传输控制过程。 访问仲裁过程决定一个节点什么时候可以 通过无线介质发。