【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】 ／ D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上； ●二線數(shù)字串行接口 SCK和 DATA，接口簡單，支持 CRC傳輸校驗，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，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)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(yīng)用電路 電源管理模塊 本系統(tǒng)設(shè)計的節(jié)點選用 3v的直流電壓，考慮到應(yīng)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(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，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件的架構(gòu)使得快速實現(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。隊列調(diào)度、通信協(xié)議棧的實現(xiàn)等操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的服務(wù)都在這些組件中實現(xiàn)。 3)應(yīng)用組件：這一層與具體的應(yīng)用功能相關(guān)，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)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(diào)度程序。調(diào)度程序具有兩層 結(jié)構(gòu)，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(wù)，只有當(dāng)組件狀態(tài)維護工作完成后，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，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(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(shù)；事件則是接 口 使用者需要實現(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)的實現(xiàn) 模塊 CM 接口 1B 中函數(shù)的實現(xiàn) 模塊 DM 接口 1B 中函數(shù)的實現(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)計及實驗測試 通過對傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的數(shù)據(jù)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?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。軟件設(shè)計主要由數(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)計進行詳細(xì)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(chǎn)品，也是目前應(yīng)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(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)和概念進行編程設(shè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進行原理研究、設(shè)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(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為運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的相關(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)軟件可分為實時監(jiān)測軟件和數(shù)掘管理軟件兩大部分進行設(shè)計，其中包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)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(jié)構(gòu)圖 實時監(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)擴普 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)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(jié)果。 2)參數(shù)配置模塊實現(xiàn)對節(jié)點和端口等基本參數(shù)的配置，以及完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點和其余傳感器節(jié)點的命令交互。 3)數(shù)據(jù)處理模塊對收到的數(shù)據(jù)進行解析和轉(zhuǎn)換，當(dāng)收到各個傳感器節(jié)點傳來的數(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)點當(dāng)前時問提交給傳感器匯聚節(jié)點的所檢測數(shù)據(jù) 值。 5)查詢模塊進行數(shù)據(jù)查詢，可 以對歷史數(shù)據(jù)進行查詢，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)點進行實時查詢，并可以同時查詢多個節(jié)點的數(shù) 據(jù)，同時以實時曲線的形式動態(tài)顯示數(shù)據(jù) 變化關(guān)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(yīng)節(jié)點，通知其改變數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)監(jiān)測進行超限設(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連接來實現(xiàn)，分配相應(yīng)的地址、端口和超時信息就 可以了。 有一點非常重要，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)進行進一步的解析、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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