武汉理工大学
本科生毕业设计（论文）
基于无线传感器网络的 温湿度数据监测系统设计
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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年 月 日
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作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日
本科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名 刘海波
专业班级 电信0706班
指导教师 黄晓放
工作单位 武汉理工大学信息工程学院
设计（论文）题目：基于无线传感器网络的温湿度数据监测系统设计
设计（论文）主要内容：
1、了解无线传感网络的原理和机制； 2、对设计题目所涉及理论进行阐述； 3、编写相关的网络协议程序并进行注释； 4、设计相应的数据采集硬件电路；
5、对所设计的内容进行软件仿真并进行调试改进； 6、撰写设计后的心得体会。 要求完成的主要任务：
1、完成无线传感器网络的温湿度数据监测系统软件和硬件设计； 2、完成英文资料翻译，英译汉字数要求5000字以上；
3、论文中所用参考文献不少于25篇，其中英文资料不少于9篇； 4、毕业设计论文中要有12幅以上电路图和设计图； 5、完成毕业设计论文，字数不少于12000字。 必读参考资料：
1.《无线传感器网络》孙利民， 李建中， 陈渝 ， 朱红松 清华大学出版社2.《无线传感器网络原理与应用》 李善仓，张克旺 机械工业出版社 2008 3．《数据采集与处理技术》 马明建 西安交通大学出版社 2005
指导教师签名 系主任签名
院长签名（章）
2005
武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告
1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。无线传感器网络(WSNs)是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/AC能量转换器)等组成。近期微电子机械加工(MEMS)技术的发展为传感器的微型化提供了可能，微处理技术的发展促进了传感器的智能化，通过MEMS技术和射频(RF)通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)→智能传感器(Smart Sensor)→嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。 国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统(Remote Battlefield Sensor System，简称 REMBASS --伦巴斯)、网络中心战(NCW)及灵巧传感器网络(SSW))、智能尘(smart dust)、Inte Mote、Smart -Its项目、SensIT、SeaWeb、行为习性监控(Habitat Monitoring)项目、英国国家网格等。尤其是今年最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域技战术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”(A Line intheSand)无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子绊网(tripwires)到任何地方，以侦测运动的高金属含量目标。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。 我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与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。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部
分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。 传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。目前在我国国内的农业领域还没有应用到ZigBee技术。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和ZigBee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传送到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。 2、基本内容和技术方案 在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立多跳自组网，并利用ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温室中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。 本文主要研究内容 1 传感器节点硬件和软件系统的研究 传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推出
的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺点。 针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能够节省大量费用，方便无线传感器网络爱好者自行研制节点。 2 终端监控管理软件的设计 无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点，网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等；做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等。 目前，此类工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺点就是扩展性差。无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。 温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能： 1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查询获知温室内的农作物生长环境； 2)无线传感器节点适应露天环境长期工作： 3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定： 4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易于使用： 5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户，从而采取相应措施。
3、进度安排 1-3周 完成开题报告以及任务书； 4-6周 完成英译汉，字数不少于5000字； 7-10周 对所选题目进行研究分析，着手进行系统硬件和软件设计； 11周 进行中期检查； 12-13周 完成整体电路调试并完成论文初稿的撰写； 14-15周 完成论文撰写并准备论文答辩。 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日
目 录
摘 要 ................................................................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................................................................. III 1 绪论 .................................................................................................................................................................. 1 1.1 课题的背景、目的与意义 .......................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................................................... 1 1.2.1 无线传感器网络技术研究现状 .............................................................................................................. 1 1.2.2 温室测控系统研究现状 .......................................................................................................................... 3 1.3 本课题研究主要内容及论文组织结构 ...................................................................................................... 3 1.3.1 本文主要研究内容 .................................................................................................................................. 4 1.3.2 本论文的组织结构 .................................................................................................................................. 4 2 温室温湿度监测系统设计方案 ...................................................................................................................... 5 2.1 系统设计目标及技术指标 .......................................................................................................................... 5 2.1.1 系统功能特点 .......................................................................................................................................... 5 2.1.2 技术指标 .................................................................................................................................................. 5 2.1.3 节点硬件平台和软件系统 ...................................................................................................................... 5 2.2 系统体系结构 .............................................................................................................................................. 6 2.3 方案描述及工作流程 .................................................................................................................................. 7 3 传感器节点的硬件及软件系统 ...................................................................................................................... 8 3.1 硬件总体结构 .............................................................................................................................................. 8 3.2 主要元器件 .................................................................................................................................................. 9 3.2.1 处理器ATMEGA 128L ............................................................................................................................... 9 3.2.2 无线芯片CC2420 ................................................................................................................................... 10 3.2.3 传感器模块 .............................................................................................................................................11 3.2.4 电源管理模块 ........................................................................................................................................ 12 3.4 TinyOS操作系统概述 ............................................................................................................................... 13 3.4.1 TinyOS体系结构 ................................................................................................................................... 13 3.4.2 NesC语言 ............................................................................................................................................... 13 4 温湿度监测软件系统设计及实验测试 ........................................................................................................ 15 4.1 软件开发环境介绍 .................................................................................................................................... 15 4.1.1 LabVlEW简介 ......................................................................................................................................... 15 4.1.2 MoteWorks软件平台 ............................................................................................................................. 15 4．2 系统软件组成 .......................................................................................................................................... 16 4．3 软件开发关键技术 .................................................................................................................................. 17
4.3.1 数据格式 ................................................................................................................................................ 17 4.3.2 连接中间件Xserve ............................................................................................................................... 17 4.3.3 数据的解析和转换 ................................................................................................................................ 18 4.3.4 程序流程图和后面板程序 .................................................................................................................... 20 4.4 软件界面及功能介绍 ................................................................................................................................ 22 4．5 实验测试 .................................................................................................................................................. 23 5 总结与展望 .................................................................................................................................................... 25 5.1 主要成果与结论 ........................................................................................................................................ 25 5.2 本论文不足及进一步研究方向 ................................................................................................................ 25 5.3 前景展望 .................................................................................................................................................... 25 参考文献 ............................................................................................................................................................ 26 致谢 .................................................................................................................................................................... 29
摘 要
在现代化大型温室中，实现测控系统的无线化和网络化是目前该领域研究的重要课题之一。为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测量等问题，将无线传感器网络技术应用到温室温湿度测控系统中，实现现代化温室的网络信息化管理，对提升温室等设施农业生产水平具有重要意义。
论文首先论述了温室无线传感器网络应用系统的研究方案，给出了系统的软硬件平台设计要求。在此基础上，主要研究了以低功耗处理器ATmegal28L、无线芯片CC2420和温湿度传感器SHTl5为核心的传感器节点的硬件设计和TinyOS操作系统的移植问题。
为了实时获取无线传感器网络数据，介绍了在LabVIEW下开发无线传感器网络后台管理软件的方法。该软件通过连接中间件XServe提供的标准通用数据接151，读取XML Socket来获取实时的无线传感器网络数据。从而实现终端监控系统的可视化显示，方便用户的管理。
关键词：无线传感器网络；温室；温湿度；数据融合；LabVIEW
I
Abstract
In modem large-sized greenhouse，one of the key research subjects is to rise wireless measurement network．Adopting wireless sensor network technology,the greenhouse monitoring system can solves some problems existing in cable network and manual measurement，realizes network information automatic management，and improve the level offacility agricultural production．
Firstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses the research scheme of greenhouses monitoring system based
onwireless sensor network．On this basis，the research focuses on the hardware design of thenode system which takes temperature and humidity sensor,AVR ATmega l 28 L and CC2400 asthe components，and the transplantation of TinyOS operating system
in order to obtain the real·time data by wireless sensor network，a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wireless sensor network in LabVIEW．The software reads XM L socket to obtain wireless sensor network data that through standardgeneral interface provided by middleware．Consequently,the system visual management canbe convenient realized
Keywords：Wireless sensor networks；Greenhouse；Temperature and Humidity；Date fusion；LabVIEW
II
1 绪论
1.1 课题的背景、目的与意义
我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室每年以新增100～150公顷的面积快速发展。引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向[1]。然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的[2]。
无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式[3]。从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义[4]。
本课题基于无线传感器网络技术，研究温室环境中温湿度智能监测系统的相关技术，为实现温室无线传感器网络监测系统奠定良好基础。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 无线传感器网络技术研究现状
无线传感器网络是将无线通信技术、传感器技术和网络技术相结合构成的能够根据环境自主完成指定任务的智能自治测控网络系统。因其具有随机布设、自组织、环境适应等特点，非常适合应用于布线、电源供给困难的区域、人员不易到达的区域，已广泛应用于国防军事、工农业生产、环境科学、交通管理、灾害监测等领域。
从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国等发达国家在无线传感器网络领域方面有了较深入的研究。2003年，在美国自然科学基金委员会的支持下，制定了无线传感器网络的研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目与此同时加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、斯坦福大学等研究机构开始了无线传感器网络的理论与关键技术的研究[5]。斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空问方法以及由无
1
线网连接传感器和控制器构成的闭坏控制系统的框架；麻省理工学院丌始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。美国国防部及各军事部门都对无线传感器网络高度重视，将其视为一个重要的研究领域，并设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国Intel公司、Microsoft公司等信息业巨头也丌始了无线传感器网络方面的研究工作。在Intel资助下，康奈尔大学启动了COUGAR项目，提出“网络就是数据库”，着力于把分布式查询技术应用于感知数据查询。2004年12月ZigBee联盟制定出了ZigBeel.0标准，该标准是基于IEEE802.15.4的短距离、低功耗、低成本的远程监控、传感及控制的无线标准，提供了网络、安全和应用支持服务，极大地促进了无
[6]线传感器网络技术的快速发展。2002～2005年，乔治工学院在NSF资助下，进行了SensoNet
项目，研究适合无线传感器网络的通信协议、MAC协议、时问同步、拓扑控制和时空相关分析等。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家同样对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，近年来也纷纷展丌了相关领域的研究工作。克尔斯公司是从事无线传感器网络产业化中最著名的公司，主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案，截止2008年，该公司已经生产了Mica2、Micaz、IMote2等一系列典型的商业化传感器节点
国内有关无线传感器网络的研究也很快跟进，清华大学、西北工业大学、国防科技大学、中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所等单位从2002年起开展了无线传感器网络的相关研究。从2003年起，国家自然科学基会设立了20个与传感器网络关键技术相关的研究项目和重点项目，并带来了传感器网络技术研究的热潮。2004年底，国家发改委开始关注传感器网络的发展，并从2005年开始将传感器网络纳入下一代互联网络试验与应用示范项目中，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支持传感器网络与IPv6网络
[5]融合的路由等相关技术，有包括中科院计算所在内的数家单位获得了本项目的支持。2006
年初，国务院发布“国家中长期科学和技术发展规划纠要”，将传感器网络及其智能信息处理技术作为信息产业及现代服务业领域中的优先发展课题之一。截止2008年，中科院上海微系统己经通过系统继承的方式完成了终端节点和基站的开发，研制成功各种适合不同使用环境的无线监控网络心；中科院沈阳自动化所提出具有自主知识产权的工业无线网络WIA技术体系，并开发出工业无线网络WIA系列产品；浙江大学现代控制工程研究研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究拓引。在市场上推广应用比较多的是ZigBee模块，北京Helicom公司、深圳金图旭昂公司、成都无线龙公司和中科院计算所宁波分所都有相关产品，对无线传感器网络的研究推广做出一定的贡献。但整体从研究的深度和投入的力量来说，国内的水平相对落后，从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称，因此有很多工作要做[7]。
2
1.2.2 温室测控系统研究现状
世界上温室生产最发达的国家是荷兰，其温室以大型玻璃温室为主体，现有大型连栋玻璃温室面积1.1 m2，约占世界玻璃温室的1／4，居世界之首。此外，其他国家也广泛地把现代化温室技术运用到作物的种植中。英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。美国开发的计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产。
温室环境测控技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便，以荷兰为代表的欧美国家温室测控系统开始向网络化、无线化方向发展。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。
国内有关温室环境监控方面的研究起步较晚。温室环境测控设备大都是随着大型现代化温室一同引进的，由于规模大，能耗大，造价高，己被实践证明不适宜于我国的国情，更谈不上经济效益。随后出现了一些团外的仿造产品，造价仍较高，且处于实验阶段，故推广使用价值不大。近几年来，我国在温室结构和温室控制两方面开展了不少研究。“九五”、“十五”及“863”计划都对此给予了很大资助[8]。北京农业大学研制成功型实验温室环境监控计算机管理系统；吉林工业大学研制成功用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调节喷水量：中国农业机械化科学研究院研制成功新型智能温室，由大棚本体、通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统和计算机环境参数测控系统等组成。还有许多高等院校和科研院所都在进行温室控制系统的相关研究，并且许多单位都己建超或将要建起温室监控系统的总体框架。
随着无线传感器网络技术的快速发展，人们也开展了温室无线监测系统的应用研究。例如：北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”把无线传感器网络示范应用于温室农作物生产中；2008年10月，上海市计算机研究所研发三部已将自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统应用到了上海奉贤花卉大棚监测系统中，大大提高了工作效率。
1.3 本课题研究主要内容及论文组织结构
在深入了解国内外温室监控系统研究现状的基础上，根据现代无线技术的发展，介绍了一种新型的基于无线传感器网络的温室环境温湿度监控系统的解决方案。该系统采用多个集温度、湿度传感器于一体的传感器模块，分散的采集温室中的环境参数，建立多跳自
3
组网，并利用ZigBee无线通讯技术，将采集到的数据传送到终端监控中心。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。该系统避免了温室中布线的繁琐，同时该系统有体积小，可重复利用，便于安放等优点。
1.3.1 本文主要研究内容
1)传感器节点硬件和软件系统的研究
传感器节点是整个网络的最基本单元。目前市场上应用最广泛的是Crossbow公司推出的Micaz系列节点，但其存在价格昂贵、接口特殊，必须依赖其特殊程序下载硬件的缺点。
针对此类问题，论文第三章详细研究了传感器节点的组成结构，设计了节点硬件电路，并在Micaz节点的基础上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能够节省大量费用，方便无线传感器网络爱好者自行研制节点。
2)终端监控管理软件的设计
无线传感器网络的分析与管理是无线传感器网络研究和应用中的一个重点和难点，网络的分析与管理需要一个后台系统的支持。无线传感器网络更类似一个工具，像计算机一样，很多行业的人都需要这种技术来进行他们的各自研究和部署，这就导致需求是各式各样的。能够定制的人机交互图形化用户界面会很方便大家的使用，例如：做建筑监测的就需要GUI在采集到数据后还能够方便的进行信号处理、频潜转换了和小波变换等；做白控的就需要类似集散控制系统的，不但有数据采集，还可以看出节点分布等等[9]。
目前，此类工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺点就是扩展性差。本文第五章介绍了一利一采用LabVIEW工具实现无线传感器网络自定义管理软件的设计方法，从而实现监控系统终端的可视化界面显示，方便用户的管理。
1.3.2 本论文的组织结构
第1章绪论，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状进行论述；
第2章，阐述了整个系统的体系结构，分析了温室无线传感器网络监测系统的特点，提出了系统设计的总体方案及相关技术指标；
第3章，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件和软件系统，介绍了传感器节点的主要元器件及扩展接口；
第4章，详细介绍了开发客户端数据管理与分析软件系统的关键技术，最后进行了相关的实验测试；
第5章，总结了本论文完成的重要工作及对进一步研究的展望。
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2 温室温湿度监测系统设计方案
无线传感器网络在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线传感器网络技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。
2.1 系统设计目标及技术指标
2.1.1 系统功能特点
温室大棚无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能：
1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查询获知温室内的农作物生长环境；
2)无线传感器节点适应露天环境长期工作：
3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定：
4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易于使用：
5)具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用户，从而采取相应措施[10]。
2.1.2 技术指标
从技术层面上，该网络应具有如下要求：
1)通信与组网：负责监测环境信息的传感器节点自组织搭建无线网络，并向管理和基础服务层提供服务支持；
2)通信频段：2．4～2．4835 GHz；
3)采用通信协议标准：IEEE 802.1 5.4／ZigBee协议标准； 4)节点可靠通信范围：50m-100m；
5)传感器精度：温度：0.3℃(25。C时)，湿度： 2.0％RH(20-80％RH)； 6)电源管理：传感器节点使用电池，至少能使用半年以上[11]。
2.1.3 节点硬件平台和软件系统
硬件平台的设计，需要的相关传感与通信器件，必须要符合低成本、低耗电与小体积
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等条件，且必须容易布建、甚至具备可编程、可动态配置等特性。节点的硬件组成主要有两种方案：第一种方案是采用MCU+RF收发器，其中MCU可采用Atmel Megal28、TI MSP430等，RF收发器可采用TI CC2420、Freescale MCl3192、Ember EM240等；第二种方案是应用SOC片上系统，如Ember公司的EM250，TI公司的CC2430等[12]。
本文在节点硬件设计上采用第一种方案，包括传感器模块、Atmel Megal28控制模块、CC2420收发模块、存储模块和电源管理模块等。针对目前节点存在的不足，进行扩展接口的设计，降低节点成本。此外，硬件的设计中需要进行必要的性能仿真以确定硬件设计完成一部分，调试一部分，最终实现整个系统的整体联调，确定系统硬件可以达到设计要求。
随着无线传感器网络的深入研究，研究人员提出用于无线传感器网络的微型操作系统——TinyOS。本文设计的节点上的软件采用TinyOS.2.x版本。TinyOS在构建传感网络时，其中一个与上位机互连的节点作为基站，主要用来控制各个子节点，并聚集和处理它们所采集到的信息。TinyOS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递，最后达到协同一致的目的。
2.2 系统体系结构
无线温室监控系统主要包括监控中心、网关节点和传感器节点三部分。将监控系统部署于温室内，每个温室放置一定数量的传感器类型的节点，所有节点将自组织建立无线网络，并实时的将环境信息经多跳的方式上传到监控中心，从而实现监控温室的农作物生长环境的目的。
系统的具体结构见图2.1。
图2.1 无线传感器网络温室应用系统结构图
监控中心包括一台计算机系统和一套上位机软件，实现温室环境因素的实时数据显示、存储、分析以及监视，具有人机交互功能。
网关节点在对数据进行分析、融合等处理后通过以太网与监控中心相连，将数据送入监控中心。网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收
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集的数据转发到外部网络上。网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊通信设备[13]。
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，传感器节点相当于传统网络的前端设备，进行本地信息收集和数掘处理。传感器节点随机布置在温室内，执行数据采集、预处理和传输等工作，如温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度等信息，采用电池供电，通信距离有限。
2.3 方案描述及工作流程
在温室环境中，单个温室可以作为无线传感器网络一个测量控制区，网络中通过采用经过多个节点转发来实现信息的传递。网络中采用不同的传感器测量节点和具有简单执行控制的节点(能对风机、调温机器、阀门等设备进行相关控制)构成无线传感监测网络，其中节点用来测量土壤湿度、温度、空气湿度、成分、PH值、气压、光照强度和C02浓度等数据，以便知道温室中的环境状况，同时将生物信息获取方法应用于传感节点，为对温室环境进行适当的调控提供科学依据。最终使温室中的传感器执行控制的标准化、数据化，利用网关实现控制装置的网络化，从而达到现场组网方便、提高作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的[14]。
温室监控应用系统工作流程为：
1)传感器节点部署后，加电启动，等待网关加入无线传感器网络的命令； 2)管理员通过服务器发送启动命令到网关节点，启动允许加入无线传感器网络的参数；
3)网关发送启动命令到网络内每个传感器节点；
4)节点接收启动命令后加入网络，获取该网络的短地址信息，配置本地链路地址，建立路由；
5)节点向网关节点申请全局单播地址网络前缀，由网关节点分配节点全局单播地址，节点把配置参数经由网关传输并存储到服务器数据库中；
6)管理员发送节点采集命令，同时设置采集周期，经过网关，发送给监测区域内的传感器节点：
7)节点接收到采集命令后进行周期采集数据，并且将数据信息以数据包形式传送到服务器，并且根据自身传感器的类型开始采集外界环境息。
管理员配置监测区域内环境参数的浮动范围及发出警报的阂值，如果采集的数据值超过该范围，服务器终端示警，则根据相应位置信息自动启动温室内设备装置进行环境调节。
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3 传感器节点的硬件及软件系统
无线传感器节点是无线传感器网络系统中的基本组成元素，因此节点的硬件设计是整个系统的基础。综合考虑节点的使用场景、能量有效、微型化、低成本、扩展性和稳定性等因素，进行了温室无线传感器节点的硬件设计[15]。
在拥有硬件平台的基础上，还对操作系统进行了分析，简述了针对无线传感器网络开发的专用操作系统TinyOS，最后研究了如何针对具体的硬件平台移植操作系统。
3.1 硬件总体结构
传感器节点兼作传统网络的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。其结构如图3．1所示，传感器节点主要由感知、处理器、无线通信、身份标识和电源管理等五大模块组成，此外还包括数据存储模块和输出接口等[16]。感知模块负责采集监测数据并进行数据转换等预处理：处理模块是整个节点的中枢，负责处理数据、通信联网、配合电源管理以及定位等各种高级服务；无线通信模块负责网络节点的无线通信，交换控制消息和收发采集数据：身份标识模块负责标识网络中节点编号；电源模块负责节点的供电。
身份标识模块DS2401 数据存储和输出接口（RS-232，USB）等 无线通信模块CC2420 处理器模块Atmega128L 感知模块（SHT15） 电源管理模块
图3.1 硬件框图
考虑到系统的扩展性和灵活性，传感器节点要定义统一、完整的接口，在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，同时节点可以按照功能拆分成多个组件，组件之间可以通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下选择不同的组件自由配置系统，这
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样就不必为每个应用都开发一套全新的硬件系统。
基于以上考虑，硬件电路主要由传感器转换板、主控制板、网关接口板和电源四部分构成，彼此间相对独立，彼此之间预留接口便于系统的升级和维护，同时也降低了系统成本[17]。实际部署在监测区域内的非网关节点由传感器转换板和主控制板和电源构成，只有传感器节点充当网关节点和系统维护。
3.2 主要元器件
3.2.1 处理器ATMEGA 128L
在无线传感器网络中目前使用较多的微处理器有ATMEGA公司的AVR系列单片 机，如ATMEGA 128L、MSP430等超低功耗处理器，另外在32位嵌入式处理器市场中红极一时的嵌入式ARM处理器，但要在普通传感器节点中使用，其价格、功耗以及外围电路的复杂度还不十分理想，对于需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的传感器网络汇聚节点，ARM处理器是非常理想的选择。综合考虑以上因素，本设计采用ATMEGA公司的超低功耗单片机ATMEGA 128L[18]。
ATMEGA 128L单片机集成了硬件SPl控制器。该处理器有比较丰富的内部资源和外部接口，其具体特点如下：
● 片内有128KB程序存储器，能够编程，特别适合需要反复编程试验的应用环境； ●片内提供了一个串行外围接口控制器；
●片内提供8个通道的10位采样精度的ADC控制器：
●在电源管理方面，ATMEGA 128L设计了6种不同的睡眠模式，特别适合能量有限制的应用。这六种模式分别为：空闲模式、ADC减噪模式、掉电模式、省电模式、待机、扩展待机；
●传统的单片机通常在焊接以前烧写程序，一旦焊接到板子上就很难修改。 ATMEGA 128L支持多种在线编程方法，包括JTAG和SPI编程方法：
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基本外围电路如下图：
图3.2 ATMEGA 128L模块
3.2.2 无线芯片CC2420
CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2．4GHz IEEE802．15．4标准的射频收发器，工作于免授权的2．4GHz频段。该芯片包括众多额外功能，是第一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以O．181xmCMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。
CC2420的主要特性如下：
●工作频带范围为2．40-2.4835GHz：
●采用IEEE802．15．4规范要求的直接序列扩频方式； ●数据速率达250kbps，码片速率达2M／s；
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●采用0-QPSK调制方式；
●超低电流消耗(Rx：19 7mA，TX：174mA)高接收灵敏度(99dBm)； ●抗邻频道干扰能力强(39dB)；
● 内部集成有VCO，LNA，PA以及电源整流器，采用低电压供电(2 l～3 6V)； ●IEEE802 15 4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测16bitCRC 校验、电源检测：
●与控制微处理器的接口配置容易； ●采用QLP-48封装，外形尺寸只有7×7MM
CC2420从天线接收到射频信号后，首先经过低噪声放大器，变频到2MHz的中频，形成中频信号的同相分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器转换成数字信号，然后对数字信号进行后续处理。CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被数模转换器转换为模拟信号，通过低频滤波器，直接变频到设定的信道上。
CC2420内部使用1．8V工作电压，适合于电池供电的设备；外部数字I／O接口使用3．3 V电压，这样可以保持和3．3 V逻辑器件的兼容型。它在片上集成了一个直流稳压器，能够把3．3 v电压转化成1．8V电压。这样对于只有3．3 V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。基本外围电路如下图：
图3.3 CC2420外围电路
3.2.3 传感器模块
传感器模块拟采用瑞士Sensirion公司的温湿度一体的SHTxx系列，SHTxx系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专利的工业COMS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。本设计采用SHTl5温湿度传感器，陔芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制、测试及检测设备和数
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据记录器等领域[19]。
基本规格为：
●温度传感器(T)：测量范围：．40～+123．8℃；精度： 0．3℃(25。C时)；响应时间：<1 5s；重复性：士0．1℃；分辨率：0．01℃。
● 相对湿度传感器(RH)：测量范围：0～100％RH；精度：士2．0％RH(20～80％RH)；响应时间：<4s；重复性：士0．1RH；分辨率：0．03％RH。
● 电气特性：功耗；供电范围：2．4-5．5 V。 主要特点如下：
● 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；
●二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，可靠性高； ●测量精度可编程调节，内置A／D转换器；
●测量精度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；
● 高可靠性，采用CMOSensor工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。
SHTl5温湿度传感器采用SMD表面贴片封装形式，接口简单，总共有四个引脚，分别是电源引脚，串行接口引脚和接地引脚，如图所示：
图3.4 SHT1X典型应用电路
3.2.4 电源管理模块
本系统设计的节点选用3v的直流电压，考虑到应用中传感器节点的随意摆放，不能选用固定电源供电。因此，电源系统采刚外接2节干电池供电，为了保证两个电源之间相互没有干扰，传感器节点在电池输入的前端增加了一个手动开关，在使用外部供电的时候关闭电池开关。
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3.4 TinyOS操作系统概述
3.4.1 TinyOS体系结构
TinyOS是UC Berkeley大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统，专为无线传感网络而设计，操作系统基于构件的架构使得快速实现各种应用成为可能。同时，它也是一个基于事件的系统。其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用[20]。基于TinyOS的完整的系统由一个调度器和一些组件组成。组件通常又可以分为四类：硬件抽象组件、系统组件、应用组件、main组件。TinyOS的体系结构如图3．6所示。
1)硬件抽象组件：对硬件平台进行描述，管理各种硬件资源，为上层组件提供硬件操作接口，屏蔽了底层硬件的特性，保证了上层组件的硬件无关性。
2)系统组件：由数据采集组件、数据处理组件、数据通信组件构成。队列调度、通信协议栈的实现等操作系统提供给应用程序的服务都在这些组件中实现。
3)应用组件：这一层与具体的应用功能相关，实现系统应具有的具体功能。4)main组件：进行系统硬件的初始化，并开始执行调度程序。调度程序具有两层结构，第一层维护着命令和事件，它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理：第二层维护着任务，只有当组件状态维护工作完成后，任务能被调度
Main组件 应用程序组件 数据采集组件 数据处理组件 硬件抽象层 图3．5 TinyOS的体系结构
TinyOS的组件层次结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路由和传输数据。
通信组件 3.4.2 NesC语言
TinyOS是专门为无线传感器网络设计的操作系统，最初是用汇编和C语言‘编写的。但研究人员发现，C语言不能有效、方便地支持面向无线传感器网络的应用和操作系统的
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丌发。为此，经过仔细研究和设计，他们对C语言进行了一定扩展，提出了支持组件化编程的nesC语言棚，把组件化／模块化思想和基于事件驱动的执行模型结合起来。利用nesC开发TinyOS应用提高了应用丌发的方便性和应用执行的可靠性[21]。
nesC文件以．nc作为后缀，用nesC语言编写的应用程序是由许多功能独立的组件构成的，如图3．7所示。一个组件一般会提供一些接口可被看作是由这个组件实现的一组函数的声明。接口分为命令和事件两种。组件之间通过接口连接。在nesC语言的定义中，存在两种不同功能的组件：配件，主要描述不同组件接口之问的关系；模块，主要描述组件提供的接口中的功能函数。理解接口、组件、模块、配件的含义和相互关系是掌握nesC的关键。
1)接口：接口是一系列声明的有名函数集合，同时是连接不同组件之间的纽带。规定了接口的语法规范。接口由interface类型定义。nesC中
的接口是双向的，它实际上是提供者组件使用者组件的一个多功能交互通道。包含命令事件。命令的提供者实现的功能函数；事件则是接口使用者需要实现的功能函数。
2)组件：符合nesC的组件包括配件和模块。一个组件必须实现它提供的命令或使用的事件。组件中主要使用接1：3函数，由关键字uses interface和provides interface标识。一个组件规范中可以包含多个uses和provides命 令。
应用A的顶层配件模块Main与B,C,D接口之间的联系 配件B 模块BM的接口1B与其他接口的联系 配件C 模块CM的接口1B与其他接口的联系 配件D 模块DM的接口1B与其他接口的联系 模块BM接口1B中函数的实现 模块CM接口1B中函数的实现 模块DM接口1B中函数的实现 接口1B函数的定义 接口1B函数的定义
图3．6 基于nesC语言的一般应用程序框架
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4 温湿度监测软件系统设计及实验测试
通过对传感器网络所获得的数据进行查询和分析，才能对各种环境进行有效的监测。客户端数据分析与管理软件系统把传感器网络数据的逻辑视图与网络的物理实现分离开来，为用户提供一个简洁、易用的应用程序接口，使得传感器网络的体系结构对用户透明，用户只需远程监测或查询感兴趣的数据，而无需关心网络实现的细节[22]。
本章采用美国NI公司的LabVIEW8．2平台作为软件开发环境，并按照设计要求，完成无线传感器网络温湿度监控系统软件设计。软件设计主要由数据接收模块，数据解析与处理模块，显示与报警模块等3大功能模块组成。本章将对软件开发环境和软件系统各功能模块的设计进行详细的介绍。
4.1 软件开发环境介绍
4.1.1 LabVlEW简介
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能强大的图形化软件开发集成环境。LabVIEW可以非常方便的连接各种数据源并以图形化形式显示，可定制性和提供了丰富的处理函数库，就是其最大的好处。
图形化的程序语言，又称为“G”语言，采用这种语言进行编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图，它尽可能利用技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念进行编程设计[23]。因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称VI，VI由前面板、流程以及图标／连接器等3部分组成.
4.1.2 MoteWorks软件平台
Crossbow公司提供了MoteWorks软件开发平台，它是第一款用于工业的可开放源代码的，基于标准平台和支持OEM设备与系统丌发的软件平台。MoteWorks将无线传感器网络划分为三层：Mote Tier，Server Tier以及Client Tier。其中Mote Tier为运行在无线传感器网络节点上的相关程序，完成采集控制无线传感器网络的目的，同时集成了无线传感器网络TinyOS操作系统。Mote Tier采集并通过网关将相关网络数据传至网络层Server Tier处理。在Server Tier通过XServe提供了包括CSV，XML，Database，Modbus等多种标准通用数据接口。Client Tier为用户监测管理层，提供了数掘管理和监控等工具[24]。
XServe是连接无线传感器网络和应用管理程序之中。其核心是提供数据路由和对无线劂络数据进行更高层的解析，转换和处理等服务。同时，XServe提供了Conversion、Sockets
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和COM等丌发接口，可以作为客户端程序的开发平台。XServe体系结构由一套核心的服务，跨平台的可移植层和一套插件程序模块组成。用户可以通过XML配置文件定义数据解析程序，配置一个通用的数据接收模块来扩展XServe。
图4．1 XServe体系结构图
4．2 系统软件组成
整个系统软件可分为实时监测软件和数掘管理软件两大部分进行设计，其中包括数据接收、数掘处理与显示和超限报警等功能模块。
软件系统如图4．2所示：
GUI 实时监测部分 数据管理 参数配置 数据接收 数据处理 网络扩普 数据显示 数据查询 超限报警
图4.2 软件系统结构图
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1)GUI模块作为图形化界面，给用户提供操作接口，允许用户为图形界面上通过可视化方式或输入SQL语言发出查询请求，也允许用户以可视化方式展示查 询结果。
2)参数配置模块实现对节点和端口等基本参数的配置，以及完成网关节点和其余传感器节点的命令交互。
3)数据处理模块对收到的数据进行解析和转换，当收到各个传感器节点传来的数据后，通过处理后向数据显示、查询和其他应用提供数据源。
4)拓扑结构显示模块完成显示传感器网络拓扑结构的功能，可以动态显示网络中无线传感器节点的拓扑结构的变化和无线数据包的传输路径，从拓扑结构图中，用户还可以取得每个节点当前时问提交给传感器汇聚节点的所检测数据 值。
5)查询模块进行数据查询，可以对历史数据进行查询，此时是通过访问数据库查找符合查询条件的数据，同时以波形的形式显示数据和时间的关系。还可以对传感器网络中的任意一个节点进行实时查询，并可以同时查询多个节点的数
据，同时以实时曲线的形式动态显示数据变化关系。对节点的实时查询是通过发送实时查询命令给相应节点，通知其改变数据发送速率。
6)报警模块可以实现声光报警功能，可以对传感器网络中数据监测进行超限设置。
4．3 软件开发关键技术
4.3.1 数据格式
XServe为传感器网络提供了基本的路由服务，作为串行转发器，XServe可以让企业应用直接与传感器网络进行连接，应用程序直接向传感器网络发送和接收数据，并不进行高层次的解析、转换和处理[25]。
XServe还为企业应用提供了更高层次的服务，使其可以专注于业务逻辑。XServe可以把解析传感器数据包配置成一系列名值对应的格式，使传感器数据台义变得更加丰富。当解析数据时，XServe可以根据不同应用程序的需要把原始数据转换成多种对应的数据格式。以下便是XServe对传感器节点数据解析后的不同情况：
4.3.2 连接中间件Xserve
本文采用的方法就是通过XServe提供的标准通用数据接口开发自定义的无线传感器网络监测管理程序。采用XServe输出的XML接口作为数据源，通过Socket的方式连接到XServe中间件服务器，XServe中间件服务器可以配置成基于TcP／IP协议的XML数据流输出
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方式。通过在Cygwln编译环境下输入以下命令可以实现配置XServe工作在XML方式下：xserve-0—-xmlc-xmlport=9005—-s=eom4 命令中．xmlc表示输出转换过的XML格式数据，通过一xmlport=9005可以把解析后的数据发布到socket 9005端口上指定了网关接口板的设备端口。随后通过LabVIEW中调用TCP相关控件来连接9005端口，并从该端口获取数据信息。这步可以调用控件打开TCP连接来实现，分配相应的地址、端口和超时信息就可以了。
有一点非常重要，在网络模式下XML包是以数据流的形式连续不断的发送到9005端口上。因此XServe采用了一个简单通用的协议来解决这一问题。每当XServe解析完一个数据包，并试图将对应的XML包放置到9005端口时，它会先放出4个字节描述该包的大小，然后再放出XML包。所以在LabVIEW中也要按照此协议进行处理，先用读取TCP连接的4个字节，再将4个字节解析成数据格式，然后再读取这4个字节所表示长度的数据包。应用这套机制，就可以源源不断地处理XServe的数据包了。
4.3.3 数据的解析和转换
通过LabVIEW编写的相关程序可以成功连接中间件XServe，截取XML数据流，接下来要对获取的数据进行进一步的解析、转换，从而让后面的应用程序更方便的调用。
下面为经XServe转换的一个传感器MDA300数据包的部分数据[26]。 - 18 图4.3 XML函数库 由上图可见，(LvData)被连接至匹配模式函数，该函数作用为在字符串中查找目标字符段，并截取其之前或之后的字符串输出。因此该段代码的意义在于将XML原文件读取，并给出(LvData)与<／LvData)之间，实际标识数据的内容。因此，需要将程序修改如下： 图4．4 修改的XML函数库 19 如上图所示，我们用 4.3.4 程序流程图和后面板程序 在Xserve开启的情况下，就可以通过读取TCP数据控件将数据截取下来，再由建立的XML解析器处理，最后剩下的就是用户根据不同应用的需要自行设计各种功能了。 系统进行一次完整的监测程序流程如图4．8所示，系统报警提示条件可根据具体情况自行定制，整个监测系统在设定相关参数后，具有自动监测而无需人工干预的特点。监测程序启动后，首先要在后台启动XServe，这样数据就会以XML数据流的形式发送到Socket端口，接下来客户端软件将对数据进行读取、解析等工作，同时按照规定的模式模拟显示，从而达到对整个网络的实时监测。当程序接受到监测结束命令时，系统完成一次完整的待测目标监测任务，当系统需要长时间不间断监测时，监测程序将循环执行监测任务，直至满足初始设置的监测结束条件或人为中止。 20 开始 开启XSERVE 数据发送到Socket端口 读取，解析XML数据 可视化显示 数据监测，报警 存储，查询等 图4.5 系统程序流程图 系统程序代码如下图所示，按照功能模块可以划分为：数据连接模块、参数设定模块、数据解析和转换模块、数据显示和存储模块和功能实现模块。 结束 停止 远程监控 21 图4.6 部分关键程序 4.4 软件界面及功能介绍 本文设计的终端监控软件利用选项卡功能将界面分为三层：主界面、实时监测界面和历史查询界面。其中主界面可以实现系统参数设置、数据保存、设备列表和传感器节点数据监测等功能，下图为上位机监控主界面： 图4. 7 监控主界面 第二个选项卡为实时监测与报警界面，可蚍对网络中各节点温、湿度数据实时显示并 22 进行声光报 图4.8 监测报警界面 4．5 实验测试 本系统设计的终端监控软件成功与MICAz平台连接，数据接收正常。为了进一步测试本监测系统在实际应用中的可行性和可靠性，现对整个系统进行了相关的测试[27]。 测试环境：生化培养箱，温度范围5-10℃； 测试平台：LabVIEW8．2下开发的终端监控软件；M1CAz硬件平台； 测试目的：测试终端监控软件的实际运行情况和系统整体的工作情况。 测试方法如下： 1)将多个传感器节点随意放置在培养箱内，用来测试箱内温度变化情况；网关节点通过USB线与电脑相连，用来接收传感器节点采集的数据并传送到监控中心。 2)在终端计算机上打开监控软件，并进行相关设置，随后节点便可以自组织加入网络开始监测工作。 3)在监控中心，监控软件每隔1分钟接收、记录节点的测试温度，连续监测箱内温度变化情况，同时记录培养箱每分钟的温度变化。见表4.1。 4)最后将测试结果与培养箱温度电录进行比较，以此衡量系统运行可靠。 23 表4.1 实验结果比较 标准值 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 节点1 9.11 8.64 8.11 7.60 7.13 6.61 6.10 9.18 8.68 8.16 7.67 7.19 6.68 6.18 测量值 节点2 节点3 8.88 8.40 7.89 7.38 6.87 6.39 5.88 从对终端监测软件系统的测试过程和测试结果分析，可以得出以下结论； 1)软件系统动态运行状态较好，系统运行过程中没有出现错误提示及异常现象的发生，也没有出现数据丢失和等待数据接收的延迟现象，验证了软件系统在实际监测中运行具有良好的稳定性和兼容性。 2)从表4．1可以看出，系统测量准确，恒温箱设备记录的结果与监测软件系统自动运行测得的结果基本一致，误差范围基本保持在±O.3℃以内，能够满足实际应用的需要。测量值与实际值之间的误差主要由于传感器自己存在误差，本系统在网络传输过程中不会引入误差，由此验证了软件系统整体的正确性。 3)从图5 15可以看出．随着温度的变化，标准曲线的变化明显分为三个阶段：9-7 5℃区间温度变化比较快，7 5．5 5C区间变化比较缓和，5．5℃以下变化更平缓。测试曲线的变化趋势与标准曲线基本一致，两条曲线基本吻合，说明测量数据稳定、可靠。 本章根据系统总体设计要求解决了软件系统的关键性技术问题，在研究了无线传感器网络网关处数据获取和处理技术的基础上，借助于LabVIEW这一图形化自动测量编程工具，开发了一套无线传感器网络后台管理软件。该软件具有操作简单、扩展性好和友好的人机交互界面等特点。此方法为自定义开发类用户和广大无线传感器网络研究者自主开发软件提供了新的有效的途径。 24 5 总结与展望 5.1 主要成果与结论 本课题的需求是建立温室无线传感器网络监测系统。在温室内部署的无线传感器节点能够采集多种环境数据，建立多跳自组网，把监测数据发送到远程监控终端。监控终端负责环境信息的图形化显示、实时查询、统计分析和超限报警等。围绕课题需求进行了研究、开发和设计，本文的主要成果如下： 无线传感器节点硬件和软件系统设计。无线传感器节点是无线传感器网络的基本组成要素。硬件系统以低功耗处理器AVRATmegal28L和无线收发芯片CC2420为核心，包括温湿度传感器、身份标识芯片DS2401、可扩展接口等，进行了电路原理图、PCB设计以及电路调试。节点软件系统采用针对无线传感器网络开发的专用操作系统TinyOS，研究了如何针对具体的硬件平台移植操作系统。 5.2 本论文不足及进一步研究方向 由于时间限制，本论文的研究还存在一些不足之处，为满足实际需要，本系统还需要进一步深入研究，可以继续在以下方面开展工作： 1．本系统设计的节点还属于实验阶段，并不能真正的达到实际应用的要求。今后还需在节点天线、电源和射频通信方面不断进行完善。 2．节点软件系统的设计还需改进，主要包括TinyOS系统、应用程序、路由协议等。 3． 客户端数据监控与管理软件系统还需进一步改进。本软件己解决软硬件平台连接、数据接收和数据解析等关键问题，但是软件功能还需完善，如网络拓扑的动态显示、节点定位功能等。 4．本文对网内数据融合算法的研究还处于计算、仿真阶段，并没有经过实际验证。今后还需不断深入研究相关的数据融合方法，最终能够在实际网络环境中通过验证。 5.3 前景展望 该课题虽然是探索性研究，其研究成果如果能够推广应用，必然会提高管理工作效率，降低温室生产盲目性，进一步促进温室作物产量、产值的增长和品种增加和质量的提高。因此而引起的一系列经济效益的提高。 通过远程监测系统，利用网络将相关科研成果、温室无线监控管理经验、数据进行示范传播，作为发展中国家应用信息技术发展农业的经验将引起国际组织和各国的兴趣。 除了温室生产外，本监测系统经过相应的改动，完全可以应用在其他场景中，如在环保领域，传感器网络可以用于监控某些地区的环境污染情况；在智能家居领域，通过将信息家电互联到传感器网络中，可以为人们的居住生活提供一个舒适的环境。总之，基于无线传感器网络的监测系统将在未来生活中发挥重要的作用。 25 结 论 无线传感器节点硬件和软件系统设计。无线传感器节点是无线传感器网络的基本组成要素。硬件系统以低功耗处理器AVRATmegal28L和无线收发芯片CC2420为核心，包括温湿度传感器、身份标识芯片DS2401、可扩展接口等，进行了电路原理图、PCB设计以及电路调试。节点软件系统采用针对无线传感器网络开发的专用操作系统TinyOS，研究了如何针对具体的硬件平台移植操作系统。 由于时间限制，本论文的研究还存在一些不足之处，为满足实际需要，本系统还需要进一步深入研究。本系统设计的节点还属于实验阶段，并不能真正的达到实际应用的要求。客户端数据监控与管理软件系统还需进一步改进。本软件己解决软硬件平台连接、数据接收和数据解析等关键问题，但是软件功能还需完善。 该课题虽然是探索性研究，其研究成果如果能够推广应用，必然会提高管理工作效率，降低温室生产盲目性，进一步促进温室作物产量、产值的增长和品种增加和质量的提高。因此而引起的一系列经济效益的提高 26 参考文献 [1]丁国祥．温室企业靠技术的创新而发展[J]．农村实用工程技术，2003，(12)：27-31． [2]齐飞．2007年温室装备产业发展与技术发展形势综述(二)[J]．农业工程技术(温室园艺)，2007，(5)：13-14． [3]孙利民，李建中，陈渝等．无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005． [4]王雪．无线传感网络测量系统[M]．北京：机械工业出版社，2007． [5]于海滨，曾鹏，梁鞯．智能无线传感器网络系统[M]．北京：科学出版社，2006． [6]李建中，高宏．无线传感器网络的研究进展[J]．计算机研究与发展，2008，45(1)：1-15． [7]Guibas LJ．Sensing，tracking，and reasoning with 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特别感谢呕心沥血、含辛茹苦扰养我成长的父母双亲，感谢他们在我的求学生涯中付出的无私奉献、给予的极大鼓励与全力支持，他们最伟大的爱永远激励着我搏击人生、奋发向上。 最后，谨以此文献给所有关心和帮助过我的师长、亲友和朋友们! 刘海波 2011年5月27日 29 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容