基于无线传感器网络的大棚监控系统Word文档格式.docx
- 文档编号:19653939
- 上传时间:2023-01-08
- 格式:DOCX
- 页数:33
- 大小:1.20MB
基于无线传感器网络的大棚监控系统Word文档格式.docx
《基于无线传感器网络的大棚监控系统Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于无线传感器网络的大棚监控系统Word文档格式.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
4.5TinyOS无线传感器网络操作系统分析
4.6tinyos系统控制
4.7nesC语言
4.8TinyOS系统的工作原理
4.9组件模型
4.10主动消息通信
4.11.zigbeXMote设备套件以外的功能选项设备
五.开发内容和传输机制
5.1开发内容
5.2数据传输机制
5.3技术路线
5.4传感器数据处理
5.5传感器节点烧录
六.设置开发环境
6.1.数据采集及A/D转换电路
6.2.CC2420无线通信电路
6.3.CC2420无线通信电路
6.4.zigbex服务器(HBE—EMPOSII)
6.5.针对zigbex的使用程序安装
6.6.TinyOS和Nesc
6.7.JAVA使用程序(tinyos的串行通信消息格式)
6.8.路由协议使用
七C#平台的数据采集
7.1
7.2
7.3
八系统调试及实地使用
1
2
3
九温度和湿度传感器控制
十总结和展望
主要符号表
CWContentionWindow竞争窗口
PQPriorityQueuing优先级调度
SDSlowCWDecreaseCW慢速递减算法
AOBAsymptoticallyOptimalBackoffAlgorithm渐进最优退避算法
BEBBinaryExponentialBackoff二进制指数退避
MACMediaAccessControl介质访问控制
QoSQualityofService服务质量
SBASenseBackoffAlgorithm感知退避算法
DSCRDualStageContentionResolution双重状态的竞争策略
EIEDExponentialIncreaseExponentialDecrease指数增加指数递减
FCFSFirstComeFirstService先进先服务
MILDMultiplicativeIncreaseLinearDecrease倍数增加线性递减
MIMDMultiplicativeIncreaseMultiplicativeDecrease倍数增加倍数递减
NSADNewSelf-AdaptiveDCF新自适应DCF
REBSResidualEnergyBasedtreeSplitting基于剩余能量的树形
分裂算法
P-MACPriority-basedFairMAC基于优先级的公平
MAC协议
CSMA/CACarrierSenseMultipleAccess冲突避免的载波侦听
/CollisionAvoided多路访问协议
LMILDLinear/MultiplicativeIncreaseLinearDecrease线性倍数增加线性递减
一绪论
随着计算机使用的推广,以计算机技术为代表的信息技术对人类社会已经产生了深刻的影响。
MarkWeiser在1991年首次提出了普适计算[1](ubiquitouscomputing)思想,普适
计算作为21世纪的计算模式,其基本思想是使计算机技术从用户意识中彻底消失。
在物
理环境中结合计算处理能力的控制能力,人和人、人和机器以及机器和机器的交互最终统
一到人和自然的交互。
无线传感器网络技术正是这种普适计算思想的延伸。
借助于由大量
微传感器构成的网络,可以实时地监控周围物理环境的变化,不断地将一些模糊的感觉量
化。
无线传感器网络将逻辑上的信息世界和真实的物理世界融合在一起,改变着人和自然
交互的方式。
人们可以通过无线传感器网络直接感知客观世界,从而极大地扩展现有的网
络的功能和人类认识世界的能力。
无线传感网络WSNs(WirelessSensorNetworks)技术作为
普适计算思想大系统中的一个典型使用,已经由军事领域扩展到其他许多领域,能够完成
诸如灾难预警和救助、家庭健康监测、精细农业、空间探索等传统系统无法完成的任务。
美国商业周刊和MIT技术评论中分别将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。
1.1研究背景
传感器是数据采集、信息处理的关键部件,它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值,使人们对物理世界形成量化认识。
目前传感器技术已广泛使用于国防、机械、电力、能源、交通等诸多领域。
随着微电子、计算机和网络技术的发展,传感器技术正在向微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展。
研究表明,只有网络化的智能传
感器技术才能适应各种控制系统对自动化水平、复杂性以及环境适应性越来越高的要求。
传感器网络的发展可以划分为以下四个阶段:
第一代传感器网络是由具有简单点对点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系
统,只是初步实现了信息的单向传递;
第二代传感器网络是由智能传感器和现场控制站组成的测控网络。
传感器和现场控制站间的信号传输方式和第一代传感器网络基本相同。
第三代传感器网络是基于现场总线的智能传感器网络。
现场总线的不断发展和基于现场总线通信协议的智能传感器网络的广泛使用,使智能传感器网络的通信技术进入局部测
控网络阶段。
第四代传感器网络是由大量无处不在的,具有通信和计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控
系统。
现在所指的无线传感器网络属于第四代传感器网络,是一种新型的无基础设施网络各个无线节点(传感器)静态地随机分布于某一区域,它们协作地监测、感知和采集网络分
布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的结果,
并最终传送给需要这些结果的用户。
无线传感器网络最初来源于美国高级国防研究计划署(DARPA)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[3]。
DARPA根据军方的要求研究无
线传感器网络中的通信、计算问题以及其在普适环境中的使用问题,从而建立了网络中心
战的思想体系。
随着无线通信、微处理器、微电机系统MEMS(MicroElectroMechanical
System)等技术的发展,使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能,为无线
传感器网络的构建奠定了基础。
目前,无线传感器网络广泛使用于跟踪、监测等领域,这些使用的共同特点是:
网络
负责监测周围区域并报告异常事件的发生,因此在这类使用中,网络传输的数据包所包含
信息的重要性将有很大不同,同时要求无线传感器网络能够将采集到的数据尽量在规定的
时间内传输到数据中心,然后由数据中心对数据进行分析,并将最终分析结果交给决策者
图1.1所示的是这些使用中的一个典型场景,无线传感器网络被随机部署在一个指定的保护区域,观察并报告是否有入侵者进入。
如图中吉普车所在地方的传感器发现了某种类型的入侵者[5],显然,监测到有入侵者的信息相比于正常情况信息更加重要,需要以更可靠、更及时的方式将入侵信息报告给指挥中心以便采取相应的措施。
因此,充分研究无线传感器网络的实时数据传输技术具有重大的理论意义和使用价值。
图1.1无线传感器网络实例
对于无线传感器网络,QoS问题最近才引起人们的关注。
特别是基于无线传感器网
络的图像、视频和流媒体等多媒体信息的传输需求的急剧增加,给无线传感器网络的设计
带来了极大的挑战,由于无线传感器网络是一种新兴的,由大量无线传感器节点通过自组
织的方式组成网络,节点的传感器负责采集监测数据,无线射频收发装置负责节点之间以
及节点和之间数据的交互,其工作方式以及承载的业务类型都和传统网络有着很大的区
别。
其自身特点使得现有的QoS支持机制都无法适用于无线传感器网络。
目前大多数无
线传感器网络使用中,人们关注较多的主要有两个问题:
如何保证网络能够及时可靠地发
现所实施使用中相关事件的产生和如何保证采集的传感数据在网络中传输时满足使用需
因此如何提高数据包传输的可靠性以及保证实时使用的延迟是目前无线传感器网络QoS研究的重点。
本文从保证实时使用的延迟的角度出发,分析了无线传感器网络的通信延迟中节点内
的排队延迟和由于节点竞争信道而产生的链路级延迟,对简单优先级调度算法、
IEEE802.15.4协议中的退避算法进行了分析,针对其不足提出了动态优先级调度算法和优
先级CSMA/CA算法。
1.2国内外研究现状
传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,推动了具有现代意义
的无线传感器网络的产生和发展。
无线传感器网络涉及众多学科,成为IT领域中的研究
热点之一。
现在,互联网络为人们提供快捷的通信平台,极大地方便了人们的信息交流。
无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力,将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,在下一代互联网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。
无线传感器网络的基本思想起源于20世纪70年代,研究的重点主要放在国防项目上。
1978年DARPA在卡耐基-梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组,拉开了无线传感器网络研究的序幕。
在美国自然科学基金委员会的推动下,加州大学伯克力分校、麻省理
工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了无线传感器网络的基础理论和关
键技术的研究。
英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的
研究工作。
加州大学伯克力分校提出了使用网络连通性重构传感器位置的方法、基于相关性的数据编码模式、用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、传感器网络上随时间变化的连续流可视化方法、允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、传感器网络上的数据分布式存储的地理表方法、确定传感器网络中结点位置的分布式算法等,同时专门为无线传感器网络开发了一种微型操作系统TinyOS。
TinyOS是一个适用于网络化嵌入式系统的编程框架,通过在这个框架内链接一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定使用的操作系统,这对于存储资源极为有限的系统来说非常重要。
针对无线传感器网络内节点众多,以及多并发操作的工作方式,TinyOS采用了事件驱动的体系结构。
加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境,用于考察无线传感器网络各方面的问题。
他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系统技术、支持多使用无线传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换初始感知为高级数据流的层次系统结构、无线传感器网络的时间同步的解决方法、自组织无线传感器网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等。
目前比较系统地利用无线传感器网络的实例是2002年Intel实验室和大西洋学院联合
进行的大鸭岛环境监测项目。
大鸭岛是一个对外来监控设备十分敏感的生态环境。
Intel
实验室和大西洋学院在大鸭岛上部署了传感器网络并进行了9个月左右的监控,得到了大量第一手数据。
实验表明传感器网络在这样的使用环境中有非常明显的优势。
生态环境监
测是无线传感器网络在使用上的一个方面,也是一个跨学科的课题。
传感器网络为实现更
加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态监测提供一个全新的手段。
我国现代意义的无线传感器网络及其使用研究几乎和发达国家同步启动,首次正式出
现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息和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(当时的项目名称:
重点地区灾害实时监测、
预警和决策支持示范系统)。
2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究和发展
中心,在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目,初步建立了传感器网络系
统的研究平台,在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和
使用系统等方面取得很大进展。
目前国内的一些科研单位和大学,如清华大学、中国科学
院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等己经初步开展了研究工作。
其中哈尔滨工业大学和黑
龙江大学在传感器数据管理系统方面提出了以数据为中心的无线传感器网络的数据模型、
一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术,并研制了一个无线传感
器网络数据管理系统。
在无线传感器网络中提供实时通信支持也面临着挑战。
首先,无线链路不稳定,易受
周围环境和噪声的影响,因此通信延迟难以估计;
其次,许多无线传感器网络的使用需要
在仅有电池供电的情况下工作数月甚至数年。
这要求在满足使用实时性的同时必须考虑如
何减小网络的能量开销,用于无线传感器网络的协议不能过于复杂;
再次,在无线传感器
网络中不同数据包有不同的延迟要求,高优先级的数据包到达簇头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,因此在设计相应协议时要减少通信以
及能量开销,仅使用节点内存的一小部分来保存相关状态。
目前为满足无线传感器网络的实时性需求较为成熟的方法有以下三种:
第一种是基于距离感知的实时通信调度体系结构RAP[6]。
它是针对无线传感器网络实时使用提出的一种新的体系结构,指出了无线传感器网络实时使用的特点及需要考虑的基本问题和基本解决方法。
RAP的查询和事件服务是建立在基于地理位置编址的通信模型之上的,路由层也使用基于地理位置编址的协议。
其次,RAP根据无线传感器网络的特点提出了单调速度调度VMS(VelocityMonotonicScheduling)策略,使得每一个数据包如果能按
照它要求的速度向着目标方向前进的话,它一定是可以实现它的端到端的期限的。
第二种是实时无状态路由协议SPEED[7]的网络层解决方案。
SPEED是地理位置信息相关的路由协议,它通过保证预期的发送速度提供了无线传感器网络的实时服务。
在一定的程度上实现了端到端的传输速率保证、网络拥塞控制以及负载平衡机制。
为实现上述目标,SPEED协议首先交换节点的传输延迟,以得到网络负载情况;
然后节点利用局部地理信息和传输速率信息做出路由决定,同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阀值之上。
在满足网络传输速率要求的前提下,数据传输延迟和源节点和目的节点之间的距离成正比。
另外SPEED协议无须MAC层提供Qos或实时性支持;
最后是建立在IEEE802.11标准之上的MAC层解决方案。
它把无线传感器网络中的
节点布置成蜂窝结构[8],并且采用EDF(EarliestDeadlineFirst)算法对数据包进行调度,在
单个蜂窝内实现了对无线媒介的无冲突访问[9]。
由于文献只进行一个蜂窝内的实验,蜂窝
间的通信问题未解决,而且要求网络部署成特殊结构(不能随机部署)等其它严格限制而不
具有实用性的特点。
1.3项目研究内容
网络延迟是衡量网络传输能力和实时性能指标之一,对于具有实时需求的使用来说,
网络的延迟不但会影响网络算法和协议的选择,而且对使用的成功和否起着至关重要的作
用。
本文研究的内容主要分为以下三个阶段:
第一阶段,对无线传感器网络的通信延迟进行分析和研究。
重点分析了影响排队延迟的相同节点内的信息竞争产生的延迟(节点级延迟)和不同节点间的信息竞争产生的延迟
(链路级延迟)。
第二阶段,在上阶段的研究工作的基础上,对节点级延迟进行研究:
1)利用M/M/1/n排队模型,按照先进先服务的规则对星型无线传感器网络中簇头节点
建模,分析数据分组的各项性能指标,在系统损失率的约束下,得到系统参数的优化结果。
2)针对在无线传感器网络中传输的数据分组重要性的不同,而将数据分组进行分级,
利用排队模型,按照优先级服务规则对簇头节点进行了建模,分析了数据分组的排队延迟,
通过仿真对系统的性能指标进行了分析。
3)根据以上的理论分析,针对简单优先级调度算法以及Drop-Tail的不足,提出了一
种动态优先级调度算法,并通过仿真对提出的动态优先调度算法进行了性能评价。
第三阶段,对链路级延迟进行的研究:
1)针对无线传感器网络中,由于同一时刻多个相邻节点竞争使用无线信道而造成的链
路级延迟,从而降低了链路的利用率,因此对IEEE802.15.4标准中规定的CAMA/CA信
道接入方式进行了分析研究。
2)针对在无线传感器网络中,数据分组在不同的使用背景下对传输性能有着不同的要
求(如在家庭网络环境中和在工业使用中,数据传输的吞吐量和实时性等性能要求是不同
的),提出了一种具有优先级的CSMA/CA算法,使数据分组可以根据其优先级的不同选
择不同的BE或CW值,采用离散Markov链模型对所提出算法性能进行分析,并进行了
仿真验证。
主要研究内容见图1.2所示。
图1.2主要研究内容
1.4本文结构
全文共分七章,内容包括:
绪论;
无线传感器网络简介;
无线传感器网络通信延分
析;
节点级延迟分析和仿真;
动态优先级分组调度算法研究和仿真;
具有优先CSMA/CA
研究和仿真;
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、网络的实时性使用、
特点及挑战;
其次介绍了无线传感器网络和传统网络实时性能的区别,并指出无线传感络的实时使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。
第四章系统使用设计。
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和整合
传感器的介绍和使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senddata.c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IEEE802.15.4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Adhoc[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和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和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。
2.1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使用者。
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。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 无线 传感器 网络 大棚 监控 系统
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)