【正文】 een traditional field bus technologies such as CAN or RS485 and ZigBee works. To upload the data packets to those servers on inter, GPRS module is used in the design. The GPRS module provide userconfigurable TCPIP links to the servers in the inter, through which the user data could be uploaded and processed by some serverside applications or B/S Management Information Systems which is quite popular and widely deployed. Keywords: WSN wireless sensor work。 CAN。 GPRS Abstract 4 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 第一章、 概述和介紹 項目簡介 本項目利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)棉田信息監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控 ,通過測控區(qū)域內(nèi)節(jié)點間的自動組網(wǎng) ,在網(wǎng)絡(luò)容量足夠大 (監(jiān)控點多 )的基礎(chǔ)上保證信號傳輸?shù)陌踩蛯崟r性 ,還要能夠通過遠(yuǎn)程控制 (手機(jī)或者上位計算機(jī) )來實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備的管理。具有以下優(yōu)點。同時，微型化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽虼?，施工難度要比傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)小。 (3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集成多種類型的傳感器，使得同時采集多個事件特征數(shù)據(jù)成為可能。 (4)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。 (5)采用了無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)配合使用的方案，底層的節(jié)點采用無線方式，具有方便、靈活的特點， 網(wǎng)關(guān)之間采用 CAN 等現(xiàn)場總線的方式，具有穩(wěn)定、高速、 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)等特點，同時引入 GPRS 模塊，可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳到 Inter 中，使得系統(tǒng)具有與各種新建和已有信息管理系統(tǒng)進(jìn)行對接的可能，便于集成和擴(kuò)展系統(tǒng)功能。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，所需要研究的內(nèi)容包括通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等許多方面。 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，但是網(wǎng)絡(luò)的生存時間卻要求長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，采用節(jié)能的路由傳輸策略以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。美國的加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)等 高校已經(jīng)進(jìn)行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬系統(tǒng)，用于研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的問題。麻省理工學(xué)院已經(jīng)開始研究用于超低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法和技術(shù)。英國、日本、意大利等 國家的 一些高校和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作，且取得了一些初步的研究成果。以 ZigBee 為例， TI 公司不僅開發(fā)了基于 ZigBee2020 協(xié)議的協(xié)議棧軟件，還開發(fā)了 TI 自有的 SimplicTI 以及 TIMAC 等軟件協(xié)議棧，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和應(yīng)用更為容易， MicroChip 公司也稱開發(fā)過 ZigBee協(xié)議棧，目前 ST 意法半導(dǎo)體公司也推出了一些可以與其 CortexM0 系列低功耗處理器配套的 ZigBee 收發(fā)器芯片等。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 從國內(nèi)的研究來看，我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動 ,研究機(jī)構(gòu)如中科院、清華 /大學(xué)、國防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)等學(xué)術(shù)團(tuán)體對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了跟蹤研究。 2020 年 ,中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，在無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目，初步建立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機(jī)、移動機(jī)站和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大進(jìn)展。其對節(jié)點每跳距離的計算有利于解決節(jié)點的故障問題，提高節(jié)點的探測性能。 目前，國內(nèi)已經(jīng)開始有部分城市開始使用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)品，如濟(jì)南市的基于 ZigBee 的路燈照明控制系統(tǒng)。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 第二章 、 技術(shù)選型及方案設(shè)計 各種備選方案介紹 藍(lán)牙 (Bluetooth)技術(shù) 在 10 米到 100 米的空間內(nèi)，支持該技術(shù)的所有移動或非移動設(shè)備可方便地建立網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行音頻通信。各種信息化的移動便攜設(shè)備通過無線的連接方式實現(xiàn)資源共享。藍(lán)牙的工作頻率為 ，有效范圍為半徑約 10m 內(nèi)。多個 Pico 間也可互連形成散射網(wǎng)(Scatter)，在不需要用戶干預(yù)的情況下，可通過相應(yīng)的控制軟件建立連接，進(jìn)而傳輸數(shù)據(jù)。另外，藍(lán)牙對每個微微網(wǎng)只能配置7 個節(jié)點，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。 的最初規(guī)范是在 1997 年提出，主要目的是提供 WLAN 接入，是目前 WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 版本的復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無線平臺增加了困難， 標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有被工業(yè)界廣泛接受。 WiFi 規(guī)定了協(xié)議的物理 (PHY)層和媒體接入控制 (MAC)層，并依賴 TCP/IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價的，因此大多數(shù)便攜 WiFi 裝置都需要常規(guī)充電，這些特點限制了它在工業(yè)場合信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 的推廣和應(yīng)用。 lrDA 的宗旨是制訂以合理的代價實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以推動紅外通信技術(shù)的發(fā)展。紅外無線通信技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點對點通信的技術(shù)，也就是說，紅外通信是利用紅外光進(jìn)行通信的一種空間通信方式。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備 (如 PDA、手機(jī) )上被廣泛使用。 超寬頻 (UWB)技術(shù) 超寬頻 (UWB)技術(shù)始于 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時主要 研究微波網(wǎng)絡(luò)在面對時域脈沖時產(chǎn)生的瞬間行為。 UWB 技術(shù)帶寬相對較大，分辨率高，抗多徑衰落強(qiáng)，抗干擾強(qiáng)、保密性好、定位精確、系統(tǒng)容量大且傳輸速率高。 UWB 種類眾多，因此潛在的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，包括無線局域網(wǎng) (WLAN)、個人局域網(wǎng)絡(luò) (PAN)、短距離雷達(dá) (如汽車傳感器、防撞系統(tǒng)、智能型 高速公路感測系統(tǒng)及液態(tài)物體書評偵測系統(tǒng) )、穿地雷達(dá)，以及應(yīng)用在醫(yī)療監(jiān)視與運動員訓(xùn)練等領(lǐng)域的人體局域網(wǎng)絡(luò)。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 技術(shù)，這也包含了這種寓意。它的傳輸距離在 10m～ 100m的范圍內(nèi)，并且可以更大。其實這個傳輸距離已經(jīng)完全可以滿足家庭和辦公環(huán)境的應(yīng)用需求。 在標(biāo)準(zhǔn)化方面， 協(xié)議主要負(fù)責(zé)制定物理 (PHY)層和媒體控制(MAC)層的協(xié)議，其它協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，而高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作將由 ZigBee 聯(lián)盟 (ZigBeeAlliance)負(fù)責(zé)。 可靠 ：采用了碰撞避免（ CSMACA）機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙 (GTS, Guaranteed time slot)，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。設(shè)備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值是 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms； 網(wǎng)絡(luò)容量大 ：一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)； 安全 ： ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟 (ZigBee Alliance)制定， IEEE負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。從 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)被提出開始， ZigBee技術(shù)就在各種領(lǐng)域被應(yīng)用，經(jīng)歷了實踐檢驗，協(xié)議本身也經(jīng)過之后的兩次修改，日趨完善。 系統(tǒng)硬件構(gòu)建難度和復(fù)雜度相對較低，以 Texas Instrument 為代表的各大半導(dǎo)體廠商為 ZigBee 開發(fā)生產(chǎn)了一系列的專用芯片，包括射頻前端放大器、無線收發(fā)器、片上系統(tǒng)等各種檔次不同類型的芯片，這些芯片的出現(xiàn)，極大的降低了構(gòu)建 ZigBee 應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度和風(fēng)險性。 TI 和 Microchip 都有為 ZigBee 開發(fā)出了協(xié)議棧軟件，并且提供支持和維護(hù)，加上 ZigBee 協(xié)議本身應(yīng)用程序框架的支持，開發(fā)基于 ZigBee 技 術(shù)的應(yīng)用軟件變得更加方便。對于我們的監(jiān)測系統(tǒng)來說，功耗是一個很致命的限定因素，它直接關(guān)系到成本和可維護(hù)性， ZigBee 協(xié)議本身的低功耗設(shè)計，配合各種精心設(shè)計的 ZigBee 專用芯片，可以使功耗最大程度的降低。 868/915MHz頻段兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)。 媒體介入層： IEEE MAC(Medium Access Layer)層提供了兩種服務(wù)：MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過 MAC 層管理實體服務(wù)接入點訪問高層。 數(shù)據(jù)鏈路層： IEEE802 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層 MAC 和邏輯鏈路控制層 LLC(Logic Link Control Layer)。 MAC 子層使用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸；而 LLC 子層在 MAC 子層的基礎(chǔ)上，給設(shè)備提供面向連接和無連接的服務(wù)。 LLC 子層主要功能包括：傳 輸可靠性保障和控制，數(shù)據(jù)包的分段與重組，數(shù)據(jù)包的順序傳輸。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對節(jié)點分配地址，保證節(jié)點之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的 AES128 對通信加密。 在構(gòu)建基于 ZigBee 技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)時，我們將選用 TI 公司的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案 CC2430。支持各種低功耗模式，并且可以在外部數(shù)據(jù)中斷下迅速切換到正常工作模式。目前，該芯片廣泛應(yīng)用，所以容易獲取，開發(fā)工具和資料也很充足 [2][3]。 包括終端節(jié)點，路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計。路由器節(jié)點負(fù)責(zé)將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)匯聚網(wǎng)關(guān)的設(shè)計 網(wǎng)關(guān)主要采用 CAN 或者 485 等現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)間的互聯(lián)，并且通過網(wǎng)關(guān)上的 ZigBee 模塊與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，收集傳 感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并且通過串口或者 GPRS 模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C(jī)或者 Inter 中的計算機(jī)。 上位計算機(jī)軟件和手持設(shè)備及人機(jī)界面的設(shè)計 通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將溫度、濕度等環(huán)境因素的信息傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后通過有 線（ RS232）或者無線（ GPRS）上傳到上位計算機(jī)，并且存入數(shù)據(jù)庫，然后通過 B/S 方式的簡易信息管理系統(tǒng) 將數(shù)據(jù)展示給用戶，用戶也可以通過手機(jī)短信的方式與系統(tǒng)進(jìn)行簡單的交互。 圖 31系統(tǒng)抽象層次結(jié)構(gòu)示意圖 控制表示層： 這是整個系統(tǒng)的最上層，主要以 PC 端控制監(jiān)視程序和一些手持管理設(shè)備組成， 主要實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化，實時監(jiān)控報警，遠(yuǎn)程控制指令發(fā)送等功能。 數(shù)據(jù)感知層： 主要實現(xiàn)各種目標(biāo)物理量的采集、感知、傳輸，必要時可以作為上層控制信號接受終端，驅(qū)動執(zhí)行器進(jìn)行各種動作。通過這些功能模塊，實現(xiàn)對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的查看、修改、溫濕度的檢測、預(yù)警和簡易的控制功能。用戶分為兩個組：普通用戶和管理員，普通用戶只能查看系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)視結(jié)果，管理員可以發(fā)出修改和控制指令。初步界面如 圖 32 所 示。通過定期的更新和查詢，實現(xiàn)整個 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實時動態(tài)更新顯示。 溫度、濕度檢測報警模塊 首先，實現(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)測功能，通過解析下層的數(shù)據(jù)包，得到溫濕度監(jiān)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 18 測值，記錄歷史最高值，最低值，平均值，然后進(jìn)行保存，并通過折線圖進(jìn)行動態(tài)顯示。 圖 33上位機(jī)軟件截圖 2 網(wǎng)絡(luò)控制臺模塊 主要實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的顯示，網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)概述。 主要記錄有 ：系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)，無故障運行時間，網(wǎng)絡(luò)總數(shù)量，節(jié)點總數(shù)量，平均信號強(qiáng)度，系統(tǒng)總用戶數(shù)等信息。 圖 34上位機(jī)軟件截圖 3 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 19 終端動作控制模塊 如圖 35 所示， 顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各個執(zhí)行部件的動作狀態(tài)，發(fā)出驅(qū)動各部件的指令。每個部件有三種狀態(tài)，開啟、關(guān)閉、切換中。 圖 35上位機(jī)軟件截圖 4 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 手持設(shè)備 設(shè)計 手持設(shè)備主要實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境下的監(jiān)測和簡單控制，不在受限于計算機(jī)環(huán)境。 手持設(shè)備硬件設(shè)計 手持設(shè)備硬件模塊主要包括：主控制器 STC89C52RC、無線收發(fā) ZigBee 模塊、