【導讀】撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。美軍“狼群”地面無線傳感器網絡標志著電子戰(zhàn)領域技戰(zhàn)術的最新突破。作為該領域提出的五個重大項目之一。開展了有關無線傳感器網絡方面的基礎研究工作。經承擔上海市內、外環(huán)智能交通工程。向公共安全應急指揮系統(tǒng)進發(fā)。目前在我國國內的農業(yè)領域還沒有應用到ZigBee技術。夠及早而且準確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農作物的產量。

　　

【正文】 可靠性高； ●測量精度可編程調節(jié)，內置 A／ D轉換器； ●測量精度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質量的露點計算功能； ● 高可靠性，采用 CMOSensor工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。 SHTl5溫濕度傳感器采用 SMD表面貼片封裝形式，接口簡單，總共有四個引腳，分別是電源引腳，串行接口引腳和接地引腳，如圖所示： 圖 SHT1X典型應用電路 電源管理模塊 本系統(tǒng)設計的節(jié)點選用 3v的直流電壓，考慮到應用中傳感器節(jié)點的隨意擺放，不能選用固定電源供電。因此，電源系統(tǒng)采剛外接 2節(jié)干電池供電，為了保證兩個電源之 間相互沒有干擾，傳感器節(jié)點在電池輸入的前端增加了一個手動 開 關，在使用外部供電 的時候關閉電池 開 關。 13 TinyOS操作系統(tǒng)概述 TinyOS體系結構 TinyOS是 UC Berkeley大學伯克利分校 開 發(fā)的 開 放源代碼操作系統(tǒng)，專為無線傳感網絡而設計，操作系統(tǒng)基于構件的架構 使得快速實現(xiàn)各種應用 成為可能。同時，它也是一個基于事件的系統(tǒng)。其設計的主要目標是代碼量小、耗能少、 并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應不同的應用 [20]?；?TinyOS的完整的系統(tǒng)由一個調度器和一些組件組成。組件通常又可以分為四類：硬件抽象組件、系統(tǒng)組件、應用組件、 main組件。 TinyOS的體系結構如圖 3． 6所示。 1)硬件抽象組件：對硬件平臺進行描述，管理各種硬件資源，為上層組件提供硬 件操作接口，屏蔽了底層硬件的特性，保證了上層組件的硬件無關性。 2)系統(tǒng)組件：由數據采集組件、數據處理組件、數據通信組件構成。 隊列調度、通信協(xié)議棧的實現(xiàn)等操作系統(tǒng)提供給應用程序的服務都在這些組件中實現(xiàn)。 3)應用組件：這一層與具體的應用功能相關，實現(xiàn)系統(tǒng)應具有的具體功能。 4)main組件：進行系統(tǒng)硬件的初始化，并 開 始執(zhí)行調度程序。調度程序具有兩層 結構，第一層維護著命令和事件，它主要是在硬件中斷發(fā)生時對組件的狀態(tài)進行 處理：第二層維護著任務，只有當組件狀態(tài)維護工作完成后，任 務能被調度 Main組件 應用程序組件 數據采集組件 數據處理組件 通信組件 硬件抽象層 圖 3． 5 TinyOS的體系結構 TinyOS的組件層次結構就如 同一個網絡協(xié)議棧，底層的組件負責接收和發(fā)送最原始的數據位，而高層的組件對這些位數據進行編碼、解碼，更高層的組件則負責數據打包、路由和傳輸數據。 NesC語言 TinyOS是專門為無線傳感器網絡設計的操作系統(tǒng)，最初是用匯編和 C語言‘編寫的。但研究人員發(fā)現(xiàn)， C語言不能有效、方便地支持面向無線傳感器網絡的應用和操作系統(tǒng)的 14 丌發(fā)。為此，經過仔細研究和設計，他們對 C語言進行了一定擴展，提出了支持組件化編程的 nesC語言棚，把組件化／模塊化思想和基于事件驅動的執(zhí)行模型結合起來。利用 nesC開發(fā) TinyOS應用 提高了應用丌發(fā)的方便性和應用執(zhí)行的可靠性 [21]。 nesC文件以． nc作為后綴，用 nesC語言編寫的應用程序是由許多功能獨立的組件構成的，如圖 3． 7所示。一個組件一般會提供一些接口可被看作是由這個組件實現(xiàn)的一組函數的聲明。接口分為命令和事件兩種。組件之間通過接口連接。在 nesC語言的定義中，存在兩種不同功能的組件：配件，主要描述不同組件接口之問的關系；模塊，主要描述組件提供的接口中的功能函數。理解接口、組件、模塊、配件的含義和相互關系是掌握 nesC的關鍵。 1)接 口 ：接 口 是一系列聲明的有名函數集合，同時是 連接不同組件之 間 的紐帶。規(guī)定了接口的語法規(guī)范。接口由 interface類型定義。 nesC中 的接口是雙向的，它實際上是提供者組件使用者組件的一個 多功能交互通道。包含命令事件。命令的提供者實現(xiàn)的功能函數；事件則是接 口 使用者需要實現(xiàn)的功能函數。 2)組件：符合 nesC的組件包括配件和模塊。一個組件必須實現(xiàn)它 提供的命令或使用的事件。組件中主要使用接 1： 3函數，由關鍵字 uses interface和 provides interface標識。一個組件規(guī)范中可以包含多個 uses和 provides命 令。 圖 3． 6 基于 nesC語言的一般應用程序框架 配件 B 模塊 BM 的接口 1B與其他接口的聯(lián)系 應用 A 的頂層配件模塊 Main 與 B,C,D 接口之間的聯(lián)系 配件 C 模塊 CM 的接口 1B與其他接口的聯(lián)系 配件 D 模塊 DM 的接口 1B與其他接口的聯(lián)系 模塊 BM 接口 1B 中函數的實現(xiàn) 模塊 CM 接口 1B 中函數的實現(xiàn) 模塊 DM 接口 1B 中函數的實現(xiàn) 接口 1B 函數的定義 接口 1B 函數的定義 15 4 溫濕度監(jiān)測 軟件系統(tǒng)設計及實驗測試 通過對傳感器網絡所獲得的數據進行查詢和分析，才能對各種環(huán)境進行有效的監(jiān) 測?？蛻舳藬祿治雠c管理軟件系統(tǒng)把傳感器網絡數據的邏輯視圖與網絡的物理實現(xiàn)分 離開來，為用戶提供一個簡潔、易用的應用程序接口，使得傳感器網絡的體系結構對用戶透明，用戶只需遠程監(jiān)測或查詢感興趣的數據，而無需關心網絡實現(xiàn)的細節(jié) [22]。 本章采用美國 NI公司的 LabVIEW8． 2平臺作為軟件開發(fā)環(huán)境，并按照設計要求， 完成無線傳感器網絡溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計。軟件設計主要由數據接收模塊，數據解析與處理模塊，顯示與報警模塊等 3大功能模塊組成。本章將對軟件開發(fā)環(huán)境和軟件系統(tǒng)各功能模塊的設計進行詳細的介紹。 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 LabVlEW簡介 LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件產品，也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能強大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。 LabVIEW可以非常方便的連接各種數據源并以圖形化形式顯示，可定制性和提供了豐富的處理函數庫，就是其最大的好處。 圖形化的 程序語言，又稱為“ G”語言，采用這種語言進行編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖，它盡可能利用技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念進行編程設計 [23]。因此， LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，提供了實現(xiàn)儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。使用 LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱 VI，VI由前面板 、流程以及圖標／連接器 等 3部分組成 . MoteWorks軟件平臺 Crossbow公司提供 了 MoteWorks軟件 開 發(fā)平臺，它是第一款用于工業(yè)的可 開 放源代碼的，基于標準平臺和支持 OEM設備與系統(tǒng)丌發(fā)的軟件平臺。 MoteWorks將無線傳感器網絡劃分為三層： Mote Tier， Server Tier以及 Client Tier。其中 Mote Tier為運行在無線傳感器網絡節(jié)點上的相關程序，完成采集控制無線傳感器網絡的目的，同時集成了無線傳感器網絡 TinyOS操作系統(tǒng)。 Mote Tier采集并通過網關將相關網絡數據傳至網絡層 Server Tier處理。在 Server Tier通過 XServe提供了包括 CSV， XML， Database， Modbus等多種標準通用數據接口。 Client Tier為用戶監(jiān)測管理層，提供了數掘管理和監(jiān)控等工具 [24]。 XServe是連接無線傳感器網絡和應用管理程序之中。其核心是提供數據路由和對無線劂絡數據進行更高層的解析，轉換和處理等服務。同時， XServe提供了 Conversion、 Sockets 16 和 COM等丌發(fā)接口，可以作為客戶端程序的 開 發(fā)平臺。 XServe體系結構由一套核心的服務，跨平臺的可移植層和一套插件程序模塊組成。用戶可以通過 XML配置文件定義數據解析程序，配置一個 通用的數據接收模塊來擴展 XServe。 圖 4． 1 XServe體系結構圖 4． 2 系統(tǒng)軟件組成 整個系統(tǒng)軟件可分為實時監(jiān)測軟件和數掘管理軟件兩大部分進行設計，其中包括數據接收、數掘處理與顯示和超限報警等功能模塊。 軟件系統(tǒng)如圖 4． 2所示： 圖 軟 件 系統(tǒng)結構圖 實時監(jiān)測部分 數據管理 參數配置 數據接收 數據處理 網絡擴普 數據顯示 數據查詢 超限報警 GUI 17 1)GUI模塊作為圖形化界面，給用戶提供操作接口，允許用戶為圖形界面上通過可視化方式或輸入 SQL語言發(fā)出查詢請求，也允許用戶以可視化方式展示查 詢結果。 2)參數配置模塊實現(xiàn)對節(jié)點和 端口等基本參數的配置，以及完成網關節(jié)點和其余傳感器節(jié)點的命令交互。 3)數據處理模塊對收到的數據進行解析和轉換，當收到各個傳感器節(jié)點傳來的數據后，通過處理后向數據顯示、查詢和其他應用提供數據源。 4)拓撲結構顯示模塊完成顯示傳感器網絡拓撲結構的功能，可以動態(tài)顯示網絡中無線傳感器節(jié)點的拓撲結構的變化和無線數據包的傳輸路徑，從拓撲結構圖 中，用戶還可以取得每個節(jié)點當前時問提交給傳感器匯聚節(jié)點的所檢測數據 值。 5)查詢模塊進行數據查詢，可以對歷史數據進行查詢，此時是通過訪問數據庫查 找符合查詢條件的數據，同時以波形 的形式顯示數據和時間 的關系。還可以對 傳感器網絡中的任意一個節(jié)點進行實時查詢，并可以同時查詢多個節(jié)點的數 據，同時以實時曲線的形式動態(tài)顯示數據 變化關系。對節(jié)點的實時查詢 是通過發(fā)送實時查詢命令給相應節(jié)點，通知其改變數據發(fā)送速率。 6)報警模塊可以實現(xiàn)聲光報警功能，可以對傳感器網絡中數據監(jiān)測進行超限設 置 。 4． 3 軟件開發(fā)關鍵技術 數據格式 XServe為傳感器網絡提供了基本的路由服務，作為串行轉發(fā)器， XServe可以讓企 業(yè)應用直接與傳感器網絡進行連接，應用程序直接向傳感器網絡發(fā)送和接收數據，并不進 行高層次的解析、轉換和處理 [25]。 XServe還為企業(yè)應用提供了更高層次的服務，使其可以專注于業(yè)務邏輯。 XServe可以把解析傳感器數據包配置成一系列名值對應的格式，使傳感器數據臺義變得更加豐富。當解析數據時， XServe可以根據不同應用程序的需要把原始數據轉換成多種對應的數據格式。以下便是 XServe對傳感器節(jié)點數據解析后的不同情況： 連接中間件 Xserve 本文采用的方法就是通過 XServe提供的標準通用數據接口開發(fā)自定義的無線傳感器網絡監(jiān)測 管理程序。采用 XServe輸出的 XML接口作為 數據源，通過 Socket的方式連接到XServe中間件服務器， XServe中間件服務器可以配置成基于 TcP／ IP協(xié)議的 XML數據流輸出 18 方式。通過在 Cygwln編譯環(huán)境下輸入以下命令可以實現(xiàn)配置 XServe工作在 XML方式下：xserve0— xmlcxmlport=9005— s=eom4 命令中． xmlc表示輸出轉換過的 XML格式數據，通過一 xmlport=9005可以把解析后 的數據發(fā)布到 socket 9005端口上指定了網關接口板的設備端口。 隨后通過 LabVIEW中調用 TCP相關控件來連接 9005端 口，并從該端口獲取數據信息。這步可以調用控件打開 TCP連接來實現(xiàn)，分配相應的地址、端口和超時信息就 可以了。 有一點非常重要，在網絡模式下 XML包是以數據流的形式連續(xù)不斷的發(fā)送到 9005端口上。因此 XServe采用了一個簡單通用的協(xié)議來解決這一問題。每當 XServe解析完一個數據包，并試圖將對應的 XML包放置到 9005端口時，它會先放出 4個字節(jié)描述該包的大小，然后再放出 XML包。所以在 LabVIEW中也要按照此協(xié)議進行處理，先用讀取 TCP連接的 4個字節(jié)，再將 4個字節(jié)解析成數據格式，然后再讀取這 4個字節(jié)所表示長 度的數據包。應用這套機制，就可以源源不斷地處理 XServe的數據包了。 數據的解析和轉換 通過 LabVIEW編寫的相關程序可以成功連接中間件 XServe，截取 XML數據流，接下來要對獲取的數據進行進一步的解析、轉換，從而讓后面的應用程序更方便的調用。 下 面 為經 XServe轉換的一個傳感器 MDA300數據包的部分數據 [26]。 ?xml version=””? 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