【導(dǎo)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(dān)。關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)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(wǎng)絡(luò)標(biāo)志著電子戰(zhàn)領(lǐng)域技戰(zhàn)術(shù)的最新突破。作為該領(lǐng)域提出的五個重大項(xiàng)目之一。開展了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。經(jīng)承擔(dān)上海市內(nèi)、外環(huán)智能交通工程。向公共安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)進(jìn)發(fā)。目前在我國國內(nèi)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域還沒有應(yīng)用到ZigBee技術(shù)。夠及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

　　

【正文】 可靠性高； ●測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置 A／ D轉(zhuǎn)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(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)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(yīng)用電路 電源管理模塊 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)選用 3v的直流電壓，考慮到應(yīng)用中傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在電池輸入的前端增加了一個手動 開 關(guān)，在使用外部供電 的時候關(guān)閉電池 開 關(guān)。 13 TinyOS操作系統(tǒng)概述 TinyOS體系結(jié)構(gòu) TinyOS是 UC Berkeley大學(xué)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(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件的架構(gòu) 使得快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用 成為可能。同時，它也是一個基于事件的系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是代碼量小、耗能少、 并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用 [20]?；?TinyOS的完整的系統(tǒng)由一個調(diào)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(yīng)用組件、 main組件。 TinyOS的體系結(jié)構(gòu)如圖 3． 6所示。 1)硬件抽象組件：對硬件平臺進(jìn)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(guān)性。 2)系統(tǒng)組件：由數(shù)據(jù)采集組件、數(shù)據(jù)處理組件、數(shù)據(jù)通信組件構(gòu)成。 隊(duì)列調(diào)度、通信協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)等操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的服務(wù)都在這些組件中實(shí)現(xiàn)。 3)應(yīng)用組件：這一層與具體的應(yīng)用功能相關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)具有的具體功能。 4)main組件：進(jìn)行系統(tǒng)硬件的初始化，并 開 始執(zhí)行調(diào)度程序。調(diào)度程序具有兩層 結(jié)構(gòu)，第一層維護(hù)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(jìn)行 處理：第二層維護(hù)著任務(wù)，只有當(dāng)組件狀態(tài)維護(hù)工作完成后，任 務(wù)能被調(diào)度 Main組件 應(yīng)用程序組件 數(shù)據(jù)采集組件 數(shù)據(jù)處理組件 通信組件 硬件抽象層 圖 3． 5 TinyOS的體系結(jié)構(gòu) TinyOS的組件層次結(jié)構(gòu)就如 同一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，更高層的組件則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。 NesC語言 TinyOS是專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和操作系統(tǒng)的 14 丌發(fā)。為此，經(jīng)過仔細(xì)研究和設(shè)計(jì)，他們對 C語言進(jìn)行了一定擴(kuò)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(qū)動的執(zhí)行模型結(jié)合起來。利用 nesC開發(fā) TinyOS應(yīng)用 提高了應(yīng)用丌發(fā)的方便性和應(yīng)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(yīng)用程序是由許多功能獨(dú)立的組件構(gòu)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(shí)現(xiàn)的一組函數(shù)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(guān)系；模塊，主要描述組件提供的接口中的功能函數(shù)。理解接口、組件、模塊、配件的含義和相互關(guān)系是掌握 nesC的關(guān)鍵。 1)接 口 ：接 口 是一系列聲明的有名函數(shù)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(shí)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(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)；事件則是接 口 使用者需要實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)。 2)組件：符合 nesC的組件包括配件和模塊。一個組件必須實(shí)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(shù)，由關(guān)鍵字 uses interface和 provides interface標(biāo)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(yīng)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(yīng)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(shù)的實(shí)現(xiàn) 模塊 CM 接口 1B 中函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 模塊 DM 接口 1B 中函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 接口 1B 函數(shù)的定義 接口 1B 函數(shù)的定義 15 4 溫濕度監(jiān)測 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測試 通過對傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，才能對各種環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān) 測。客戶端數(shù)據(jù)分析與管理軟件系統(tǒng)把傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)分 離開來，為用戶提供一個簡潔、易用的應(yīng)用程序接口，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)對用戶透明，用戶只需遠(yuǎn)程監(jiān)測或查詢感興趣的數(shù)據(jù)，而無需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的細(xì)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(shè)計(jì)要求， 完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)解析與處理模塊，顯示與報(bào)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(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 LabVlEW簡介 LabVIEW是實(shí)驗(yàn)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(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能強(qiáng)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(shù)據(jù)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(shù)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(jìn)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(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念進(jìn)行編程設(shè)計(jì) [23]。因此， LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)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(biāo)／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(biāo)準(zhǔn)平臺和支持 OEM設(shè)備與系統(tǒng)丌發(fā)的軟件平臺。 MoteWorks將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為三層： Mote Tier， Server Tier以及 Client Tier。其中 Mote Tier為運(yùn)行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)程序，完成采集控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的，同時集成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) TinyOS操作系統(tǒng)。 Mote Tier采集并通過網(wǎng)關(guān)將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡(luò)層 Server Tier處理。在 Server Tier通過 XServe提供了包括 CSV， XML， Database， Modbus等多種標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)接口。 Client Tier為用戶監(jiān)測管理層，提供了數(shù)掘管理和監(jiān)控等工具 [24]。 XServe是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用管理程序之中。其核心是提供數(shù)據(jù)路由和對無線劂絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高層的解析，轉(zhuǎn)換和處理等服務(wù)。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(jié)構(gòu)由一套核心的服務(wù)，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(shù)據(jù)解析程序，配置一個 通用的數(shù)據(jù)接收模塊來擴(kuò)展 XServe。 圖 4． 1 XServe體系結(jié)構(gòu)圖 4． 2 系統(tǒng)軟件組成 整個系統(tǒng)軟件可分為實(shí)時監(jiān)測軟件和數(shù)掘管理軟件兩大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)掘處理與顯示和超限報(bào)警等功能模塊。 軟件系統(tǒng)如圖 4． 2所示： 圖 軟 件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 實(shí)時監(jiān)測部分 數(shù)據(jù)管理 參數(shù)配置 數(shù)據(jù)接收 數(shù)據(jù)處理 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)普 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)查詢 超限報(bào)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(jié)果。 2)參數(shù)配置模塊實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)和 端口等基本參數(shù)的配置，以及完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和其余傳感器節(jié)點(diǎn)的命令交互。 3)數(shù)據(jù)處理模塊對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換，當(dāng)收到各個傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)后，通過處理后向數(shù)據(jù)顯示、查詢和其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源。 4)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示模塊完成顯示傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，可以動態(tài)顯示網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和無線數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 中，用戶還可以取得每個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時問提交給傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)的所檢測數(shù)據(jù) 值。 5)查詢模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，此時是通過訪問數(shù)據(jù)庫查 找符合查詢條件的數(shù)據(jù)，同時以波形 的形式顯示數(shù)據(jù)和時間 的關(guān)系。還可以對 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時查詢，并可以同時查詢多個節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)，同時以實(shí)時曲線的形式動態(tài)顯示數(shù)據(jù) 變化關(guān)系。對節(jié)點(diǎn)的實(shí)時查詢 是通過發(fā)送實(shí)時查詢命令給相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，通知其改變數(shù)據(jù)發(fā)送速率。 6)報(bào)警模塊可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，可以對傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)監(jiān)測進(jìn)行超限設(shè) 置 。 4． 3 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù) 數(shù)據(jù)格式 XServe為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了基本的路由服務(wù)，作為串行轉(zhuǎn)發(fā)器， XServe可以讓企 業(yè)應(yīng)用直接與傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，應(yīng)用程序直接向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并不進(jìn) 行高層次的解析、轉(zhuǎn)換和處理 [25]。 XServe還為企業(yè)應(yīng)用提供了更高層次的服務(wù)，使其可以專注于業(yè)務(wù)邏輯。 XServe可以把解析傳感器數(shù)據(jù)包配置成一系列名值對應(yīng)的格式，使傳感器數(shù)據(jù)臺義變得更加豐富。當(dāng)解析數(shù)據(jù)時， XServe可以根據(jù)不同應(yīng)用程序的需要把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多種對應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。以下便是 XServe對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)接口開發(fā)自定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測 管理程序。采用 XServe輸出的 XML接口作為 數(shù)據(jù)源，通過 Socket的方式連接到XServe中間件服務(wù)器， XServe中間件服務(wù)器可以配置成基于 TcP／ IP協(xié)議的 XML數(shù)據(jù)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(shí)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(zhuǎn)換過的 XML格式數(shù)據(jù)，通過一 xmlport=9005可以把解析后 的數(shù)據(jù)發(fā)布到 socket 9005端口上指定了網(wǎng)關(guān)接口板的設(shè)備端口。 隨后通過 LabVIEW中調(diào)用 TCP相關(guān)控件來連接 9005端 口，并從該端口獲取數(shù)據(jù)信息。這步可以調(diào)用控件打開 TCP連接來實(shí)現(xiàn)，分配相應(yīng)的地址、端口和超時信息就 可以了。 有一點(diǎn)非常重要，在網(wǎng)絡(luò)模式下 XML包是以數(shù)據(jù)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(dāng) XServe解析完一個數(shù)據(jù)包，并試圖將對應(yīng)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(jìn)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(shù)據(jù)格式，然后再讀取這 4個字節(jié)所表示長 度的數(shù)據(jù)包。應(yīng)用這套機(jī)制，就可以源源不斷地處理 XServe的數(shù)據(jù)包了。 數(shù)據(jù)的解析和轉(zhuǎn)換 通過 LabVIEW編寫的相關(guān)程序可以成功連接中間件 XServe，截取 XML數(shù)據(jù)流，接下來要對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的解析、轉(zhuǎn)換，從而讓后面的應(yīng)用程序更方便的調(diào)用。 下 面 為經(jīng) XServe轉(zhuǎn)換的一個傳感器 MDA300數(shù)據(jù)包的部分?jǐn)?shù)據(jù) [26]。 ?xml version=””? 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