计算机硬件及网络]基于无线传感网络的空气质量监测系统设计

计算机硬件及网络]基于无线传感网络的空气质量监测系统设计内容摘要：

绪论。 介绍了目前的空气质量监测方法，课题的研究背景及研究意义，无线辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 传感器网络的研究进展和论文的主要研究内容和组织框架。 第 2章：无线传感器网络概述。 介绍了无线传感器网络的基本构架、体系结构、特点、应用和关键技术。 第 3 章：空气质量监测系统硬件设计。 介绍了 ZigBee 技术，系统的总体结构设计，传感器节点和汇聚节点的硬件设计。 第 4 章：空气质量监测系统软件设计。 介绍了 ZigBee 协议栈， IAR 集成开发环境，传感器节点和汇聚节点的应用程序设计。 第 5章：总结与展望。 总结本论文所做的工作，提出现有方案的不足之处，并对下一步工作进行了展望。 基于无线传感网络的空气质量监测系统设计 6 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络简介 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以 自组织 和 多跳 的方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知，采集，处理和 网络传输覆盖地理区域感知对象的检测信息，并报告给用户。 它的英文是 Wireless Sensor Network 简称 WSN。 大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其他网络发送给了用户 [9]。 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。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。 发达国家如美国，非常重视无线 传感器网络的发展， IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展。 波士顿大学， 还于最近创办了传感器网络协会，期望能促进传感器联网技术开发。 美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也 被 列入其中 [10]。 可以预计，无线传感器网络的广泛 应用 是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 无线传感器网络体系结构概述 近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（ MEMS）等技术的飞速发展，使得 低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络（以下简称传感器网络）就是由许多这些传感器节点协同组织起来的。 传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。 传感器网络被认为是 21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响 [11]。 2020年 2月份的美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术 ，传感器网络被列为第一。 传感器网络最初来源于美国先进国防研究项目局 (DARPADefense Advanced Research 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 Projects Agency)的一个研究项目，当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动。 但是由于当时技术条件的限制，使得传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和发展。 近年来随着无线通信、微处理器、 微电机系统 等技术的发展，使得传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越 来越广，国外各个研究机构对它的研究也正方兴未艾。 在传感器网络中，每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己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，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或有线网络连接的方式传送给最终用户。 无线传感器网络特点 传感器网络是由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点（ sensor node）组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元 、电源单元等功能模块组成（如图 21所示）。 除此之外根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等 [12]。 其中电源单元是最重要的模块之一，有的系统可能采用太阳能电池等方式来补充能量，但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。 定位系统对传感器网络的路由是很重要的，有些传感器节点采用全球定位系统（ GPS）进行定位，但是 GPS模块价格昂贵且体积难以减少，所以不可能全部节点都使用 GPS来进行定位。 此外， GPS 定位还受到其他限制，如部分应用于建筑物内部等。 通常情况下是在整个网络中会有某些传感器 节点配有 GPS 系统，其他节点通过局部定位算法得到它们与配有GPS 的节点之间的相对位置，这样所有节点都能知道各自的具体位置了。 除借助 GPS 的定位方式外，还有离散梯度法等间接定位方式。 基于无线传感网络的空气质量监测系统设计 8 图 21 传感器网络节点的组成模块 Fig 21 node module of Sensor work 传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战 [13]。 传感器网络的主要特点有： 1) 传感器网络的节点数量大、密度高 由于传感器网络节点的微型化，每个节 点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。 传感器网络的节点数量和密度都要比 一般 网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度 , 甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。 这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。 2) 传感器网络的节点有一定的故障率 由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正 常工作，要求传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。 3) 传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制 由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。 另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统 Inter网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法 [14]。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 4) 传感器网络的拓扑结构变化很快 由于传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。 此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。 5) 以数据为中心 在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北 角上的温度是多少”，而不会关心“节点 N所探测到的温度值是多少”。 这就是传感器网络的以数据为中心的特点。 而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户 [15]。 现在已经有一些致力于传感器网络的公司，如美国的 Crossbow 公司和 Dust公司等，其中 Crossbow 公司已经推出了 Mica系列传感器网络产品，到现在已经有了 Mica， Mica2，Mica2Dot三种产品。 他们还为 Mica开发了一套微型的操作系统 TinyOS。 Mica2Dot的大小和一枚硬币差不多，每个 Mica2可以分为两个模块，一个是基本的射频和处理模块 MPR（ Mote Processor Radio Board），另一个是可选的传感模块 MDA（ Mote Data Acquisition Board）。 Mica2工作在 915MHz的 ISM频段上，有两个可调的工作频率： [16]。 以 AA电池或钮扣电池作为能源， Atmel Atmega 微控制器的工作频率为4MHz，无线通信的最大速率为 40Kbps，单个节点之间最大的通信距离为 200英尺（约 60米）。 现在关于传感器网络的大多数科研和演示系统都是以 Mica为平台的。 由于传感器网络需要大规模铺设，要求每个传感器节点的成本很低，要达到实用化要求每个节点的价格控制在 1美元以下，现在每个传感器节点的造价大约在 80美元左右，但是相信随着集成技术的进一步提高和大规模生产带来的经济效益，传感器节点的成本将会很快下降。 另一方面由于节点的微型化要求每个节点的体积越来越小， Dust公司已经开始设计最终能够悬浮于空气中的“灵巧微尘”（ smart dust）传感 器，现已设计出的最小全功能“灵巧微尘”的直径只有 5mm左右，他们计划将在 1年之内最终设计出体积不大于1mm3的产品。 基于无线传感网络的空气质量监测系统设计 10 无线传感器网络应用 传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地 [17]。 这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。 现代战争越来越表现出信息战的特点，战争中信息的及 时获取和反应对整个战局的影响至关重要，利用传感器网络的特点可以给指挥部门提供及时准确的信息，这对增强国家的国防军事力量是非常重要的。 虽然传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感器节点的成本越来越低，而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的传感器网络现在已经能够进入民用领域。 现在传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来越多的可能的应用领域也不断展现在人们的面前，毫无疑问在传感器网络中隐藏着巨大的商机。 传感器网络在民用方面的应用主要有：生态环境监测；基础设施安全；先进制造；物流管理；医疗健 康；工业传感；智能交通控制；智能能源等。 传感器网络还有很多其他方面的应用，前景无限，这里就不一一列举了 [18]。 可以肯定的是，随着技术的进步和经济的发展，传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。 而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以 WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。 下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。 1) 网络拓扑控制 对于自组织 的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。 通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和 MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。 所以，拓扑控制是 WSN 研究的核心技术之一 [19]。 WSN 拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。 拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。 功率控制机制调节网络中每个节 点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的 DRNG 和 DLSS 算法。 层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。 2) 数据融合 在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。 但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的 问题。 如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗；如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。 因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。 通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。 3) 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据 中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。 为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。 由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式。