基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究

基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究

姓名：马琦申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：张记龙

20090521

中北大学学位论文基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究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。其次，研究了无线传感器网络数据融合的基本理论和方法。为了减少簇内数掘冗余，提高测量精度，提出了一种改进后的自适应数据融合算法。该算法从节点测量数据自身着手，通过迭代得到各个节点测量数据的无偏估计值，以各个节点与估计值的欧氏距离作为各节点可信度的描述，融合处理得到更准确的结果。最后，为了实时获取无线传感器网络数据，介绍了在ＬａｂＶＩＥＷ下丌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ＸＭＬＳｏｃｋｅｔ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中北大学学位论文ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨｕｍｉｄｉｔｙＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＷｉｒｅｌｅｓｓＡｂｓｔｒａｃｔＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓＩｎｍｏｄｅｍｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｄｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔｓｉｓｔｏｒｉｓｅｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｄｏｐｔｉｎｇｃａｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｃａｂｌｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｍａｎｕａｌｓｙｓｔｅｍｓｏｌｖｅｓｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｒｅａｌｉｚｅｓｎｅｔｗｏｒｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｆａｃｉｌｉｔｙａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｃｈｅｍｅｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅａｓｎｏｄｅｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｔａｋｅｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒ，ＡＶＲＡＴｍｅｇａｌ２８ＬａｎｄＣＣ２４００ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆＴｉｎｙＯＳｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＳｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄａｔａｒｅｄｕｎｄａｎｃｉｅｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｄａｔａｆｕｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｓｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈａｔａｎｓｅｎｓｏｒｉｍｐｍｖｅｄａｄａｐｔｉｖｅｄａｔａｆｕｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｉｓｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｇｅｔｓｔｈｅｕｎｂｉａｓｅｄｅｓｔｉｍａｔｅｓｆｏｒｅｖｅｒｙｎｏｄｅｖｉａｉｔｅｒａｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｔｅｓｔｉｎｇｄａｔａ，ａｎｄｍａｋｅｓｔｈｅＥｕｃｌｉｄｅａｎｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｎｏｄｅｓａｎｄｅｓｔｉｍａｔｅｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｓｔｈｅｎｏｄｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒＦｉｎａｌｌｙ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｒｅａｌ·ｔｉｍｅｄａｔａｂｙｗｉｒｅｌｅｓｓｏｎｎｅｔｗｏｒｋ，ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｎｅｔｗｏｒｋｉｎｍｉｄｄｌｅｗａｒｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｏｒＬａｂＶＩＥＷ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｒｅａｄｓＸＭＬｓｏｃｋｅｔｔｏｏｂｔａｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｄａｔａｔｈａｔｔｈｒｏｕｇｈｓｔａｎｄａｒｄｃａｎｇｅｎｅｒａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｖｉｓｕａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｂｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｒｅａｌｉｚｅｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＬａｂＶｌｌ３：Ｗｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨｕｍｉｄｉｔｙ，Ｄａｔｅｆｕｓｉｏｎ，原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：蜀叠日期．矽例关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：导师签名：日期：婢：笸。垒一中北大学学位论文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力．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，是温室环境因子决策支持系统的主要目标和方向心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，丌发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的。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。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。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、环境适中北大学学位论文应等特点，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，国际上丌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（ＮＳＦ）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ｉｓ．４］ｏ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饰－町丌始了无线传感器网络的理论与关键技术的研究。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线网连接传感器和控制器构成的闭坏控制系统的框架口１；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哺１。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公司阳’叫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…１，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ｎ剀，该标准是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４…·¨３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¨置Ⅲ１。同本、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。克尔斯博（Ｃｒｏｓｓｂｏｗ）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［Ｊｉ．１８］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。。引从２００２年起丌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２中北大学学位论文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，国家丌始关注传感器网络的发展，并从２００５年丌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ｍ’旧叫¨。２００６年初，发布“国家中长期科学和技术发展规划纠要（２００６．２０２０）”，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心２１。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丌发，研制成功各种适合不同使用环境的无线监控网络心３１；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，并丌发出工业无线网络ＷＩＡ系列产品出４１：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。但整体而吉‘，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。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力．ｈｍ２，约占世界玻璃温室的１／４，居世界之首心６｜。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瞳７１。美国丌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，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的丌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；！！Ｊ１０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３中北大学学位论文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丌始向网络化、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丌展了不少研究。“九五”、“十五”及“８６３”计划都对此给予了很大资助。北京农业大学研制成功“ＷＪＧ．１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心争＝’¨。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，人们也丌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’’『Ｆ式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。坩’。到目前为止，能够真『Ｆ的满足实际应用的案例还非常少，还需要长期的研究和探索。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４中北大学学位论文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本文主要研究内容一、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。此外，还对ＹｉｎｙＯＳ。”。３们操作系统的移植进行相关研究。二、无线传感器网络数据融合算法研究无线传感器网络具有区别于其他网络的特殊之处：（１）传感器节点数量庞大，密集部署，协同合作：（２）传感器节点的能源、计算能力和存储能力非常有限；（３）由于环境和能量因素，导致无线传输的数据易受干扰，传感器节点易失效；（４）无线传感器网络以数据为中心。『Ｆ是因为这些特点，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法显然是不合适的。因为网络存在大量冗余信息，不仅会浪费大量通信带宽、能量资源，还会降低信息的收集效率，甚至造成网络的瘫痪。为避免上述问题，就需要使用数据融合技术，即在传输过程中对数据进行综合处理，得出更为准确完整、更符合用户需求的信息。本文在第四章对无线传感器网络数据融合技术进行了研究，深入研究网内自适应融合算法，对传统的簇内自适应融合算法进行改进，以提高数据测量精度。三、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５中北大学学位论文机一样，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（ＧｒａｐｈｉｃＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＧＵＩ）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（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ，ＤＣＳ）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。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本论文的组织结构本章为绪论，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状进行论述；第二章，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；第三章，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件和软件系统，首先介绍了传感器节点的主要元器件及扩展接口，然后详细分析了ＴｉｎｙＯＳ操作系统的移植技术；第四章，研究了无线传感器网络网内数据融合技术，并在传统的数据融合算法基础上提出了一种改进的簇内自适应加权融合算法，并通过实际数据加以验证；第五章，详细介绍了丌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；第六章，总结了本论文完成的重要工作及对进一步研究的展望。６中北大学学位论文２温室环境监控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控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。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Ｊ＇白Ｊ自组织搭建无线网络，并向管７中北大学学位论文理和基础服务层提供服务支持；（２）通信频段：２．４～２．４８３５ＧＨｚ：８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ协议标准；（３）采用通信协议标准：ＩＥＥＥ（４）节点ｌ＇白Ｊ可靠通信范围：５０ｍ－１００ｍ；（５）传感器精度：温度：士０．３℃（２５。Ｃ时），湿度：士２．０％ＲＨ（２０－８０％ＲＨ）；（６）电源管理：传感器节点使用２ｘＡＡ电池，至少能使用半年以上。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ＡｔｍｅｌＭｅｇａｌ２８、ＴＩＭＳＰ４３０等，ＲＦ收发器可采用ＴＩＣＣ２４２０、ＦｒｅｅｓｃａｌｅＭＣｌ３１９２、ＥｍｂｅｒＥＭ２４０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。本文在节点硬件设计上采用第一种方案，包括传感器模块、ＡｔｍｅｌＭｅｇａｌ２８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（Ｍｉｃａｚ）存在的不足，进行扩展接口（ＩＳＰ、串口等）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『Ｆ确，峰持完成一部分，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３－ｌ再Ｊ传感器类型的节点，所有节点将白组织建８中北大学学位论文立无线网络，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。幽２．１无线传感器网络温室应川系统结构幽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（也叫汇聚节点）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。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９中北大学学位论文用经过多个节点转发来实现信息的传递（多跳方式）。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，同时将生物信息获耿方法应用于传感节点，为对温室环境进行适当的提供科学依据。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。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丌始采集外界环境息。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，则根据数ｊｊｊ｝的相应位置信息自动启动温室内设备装置进行环境调节。１０中北大学学位论文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，并参考克尔斯博（Ｃｒｏｓｓｂｏｗ）公司丌发的Ｍｉｃａ系列节点，进行了温室无线传感器节点的硬件设计。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丌发的专用操作系统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掘进行存储、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，传感器节点主要山感知、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（ＲＳ一２３２、ＵＳＢ）等。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Ｉ’白Ｊ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。身份标识梗块ｌＩ数据存储和输出接Ｄｓ２４０１Ｉｔｎ（Ｒｓ．２３２，ｕｓＢ）等无线通信梗块ＣＣ２４２０处理器梗块Ａｔｍｅｇａｌ２８Ｌ感知梗块（ＳＨＴｌ５）电豫管理梗块图３．１便ｆ，Ｉ：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，中北大学学位论文组件之｜＇日Ｊ可以通过标准接１５１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，这样就不必为每个应用都丌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（主要包括处理器模块和无线通信模块）、网关接口板和电源四部分构成，彼此之『白Ｊ相对，彼此之间预留接１２，便于系统的升级和维护，同时也降低了系统成本。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时‘接插网关接口板。３．２主要元器件３．２．１处理器ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ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ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ、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ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ。ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ单片机集成了硬件ＳＰｌ控制器。剐，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，能够编程上力。次，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（ｓｅｒｉａｌｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＳＰＩ）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，ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ设计了６种不同的睡眠模式，特别适合能量有的应用。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。ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ支持多种在线编程方法，包括ＪＴＡＧ和ＳＰＩ编程方法：ｌ２中北大学学位论文●工作电压范围宽，为２．７Ｖ～５．５Ｖ，适合电池供电的应用环境。基本外围电路如下图：Ａ９ＡＩＯＲ瑚Ｔ瑚Ｘｏ∞ｏＣ３ＡｏｏＢ２３Ｌ！丛！．！丝）０Ｔｊｄ）０６Ｎ『ｏＡ１３Ａ１４ｏ口Ｃ１３Ｕ１℃３塑墅蔷ＳＳＳｏ（ＭＯＳＩＭ暇ＯＡ．ｍⅢ宙＾１２ＳＬｏ∞ＯＣｌＡ０ｃｌＢＯｃｌＣ船躲器量罾普器器量罾一一一一图３．２ＡＴＭＥＧＡ１２８Ｌ模块３．２．２无线芯片ＣＣ２４２０ＣＣ２４２０是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的首款符合２．４ＧＨｚＩＥＥＥ８０２．１５．４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：１３中北大学学位论文●工作频带范围为２．４０㈣４８３５ＧＨｚ：●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２ＭＣｈｉ口／ｓ；●采用０．ｏＰｓＫ调制方式；·超低电流消耗（Ｒｘ：１９７ｍＡ，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（２ｌ～３６Ｖ）；●ＩＥＥＥ８０２１５４ＭＡＣ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（４总线ＳＰＩ接口１；·采用ＱＬＰ－４８封装，外形尺寸只有７×７ＭＭ嘲。ＣＣ２４２０的内部结构如图３３所示。ＣＣ２４２０从天线接收到射频信号后，首先经过低噪声放大器，在ｊ下变下变频到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。幽３．３ｃＣ２４２０内部内部功能模块“１４中北大学学位论文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３．３Ｖ电压，这样可以保持和３．３Ｖ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３．３ｖ电压转化成１．８Ｖ电压。这样对于只有３．３Ｖ电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能『Ｆ常工作。基本外围电路如下图：图３．４ＣＣ２４２０外罔电路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（ＣＭＯＳｅｎｓ⑩），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据记录器等领域。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：＜１５ｓ；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（ｔｙｐ．３０ｐ．Ｗ）；供电范围：２．钆５．５Ｖ。１５中北大学学位论文主要特点如下：●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（ＬＣＣ）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（两线双向）和接地引脚，如图所示：ＳＨＴ１Ｘ（ｓｌａｖｅ）幽３．５ＳＨＴＩｘ典型戍川电路㈨３．２．４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丌关，在使用外部供电的时候关闭电池丌关。具体电路如图所示。Ｊ３ＶＣＵＶＳＮＳＲ图３．６供电电路ｌ６中北大学学位论文３．３扩展接口设计本系统设计的节点还扩展了ＪＴＡＧ和ＩＳＰ接口，使用户可以不用依赖原有的特殊程序下载器，不仅便于自制节点，还降低了节点的成本。ＪＴＡＧ和ＩＳＰ接口电路如图３．７所示，需要注意的是ＭＥＧＡｌ２８的ＩＳＰ与其它ＡＶＲ不同，使用了ＰＤＩ和ＰＤＯ，而不是ＭＯＳＩ和ＭＩＳＯ。（ａ）ＪＴＡＧ接口电路Ｖ∽儿．峪Ｐ１５７９ＳＰＩＰＤＩＲＳ１ＮＩ／ＳＰＩＳＣＫＳＰＩＰＤＯｋ。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。‘。‘。。。。。。。。。一（ｂ）ＩＳＰ接口电路幽３．７ＪＴＡＧ和ＩＳＰ接口电路３．３．２串口ＲＳ－２３２ＲＳ．２３２是美固电子工业协会ＥＩＡ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｉｎｄｕｓｔｒｙａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）伟ＪｌＪ定的一种串行物理接口标准。ＲＳ是英文“推荐标准”的缩写，２３２为标识号。因为整个系统为３ｖ供电，串口采用低电压高速传输的ＲＳ．２３２收发器ＭＡＸ３２２１芯片外加ＤＢ９接口，电路如图３．８所示。ＭＡＸ３２２１工作电压为３Ｖ～５．５Ｖ，数据信号率可达２５０Ｋｂｐｓ。它将ＴＴＬ电平转换成２３２电平，也能将外部的２３２电平转换成ＴＴＬ电平。１７中北大学学位论文幽３．８ＵＡＲＴ接口电路３．４ＴｉｎｙＯＳ操作系统概述３．４．１ＴｉｎｙＯＳ体系结构ＴｉｎｙＯＳ是ＵＣＢｅｒｋｅｌｅｙ（力Ｎ＇）、¨大学伯克利分校）丌发的丌放源代码操作系统，专为无线传感网络而设计，操作系统基于构件（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．ｂａｓｅｄ）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。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３．９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，并丌始执行调度程序。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（负责各种计算），只有当组件状态维护工作完成后，任务／ｊ‘能被调度。蝻侧。ｌ８中北大学学位论文Ｍａｉｎ组什廊川删序组什数据采集细什数据处理组１，｜：便ｆ，Ｉ：抽象层图３．９ＴｉｎｙＯＳ的体系结构通信组什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。３．４．２ＮｅｓＣ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丌发。为此，经过仔细研究和设计，他们对Ｃ语言１进行了一定扩展，提出了支持组件化编程的ｎｅｓＣ语言棚１，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。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的组件（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）构成的，如图３．１０所示。一个组件一般会提供一些接（ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ）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（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ），主要描述不同组件接口之问的关系；模块（（ｍｏｄｕｌｅ），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１３（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）：接１３是一系列声明的有名函数集合，同时是连接不同组件之ｆｎｊ的纽带。文献。ｍ１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（ｐｒｏｖｉｄｅｒ）并ｌＪ使用者组件（ｕｓｅｒ）ｆｎＪ的一个多功能交互通道。接１２１又包含命令（ｃｏｍｍａｎｄｓ）３口事件（ｅｖｅｎｔｓ）。命令是接１３的提供者实现的功能函数；事件则是接１３使用者需要实现的功能函数。（２）组件（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）：符合ｎｅｓＣ的组件包括配件和模块。一个组件必须实现它１９中北大学学位论文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ｕｓｅｓｉｎｔｅｒｆａｃｅ和ｐｒｏｖｉｄｅｓｉｎｔｅｒｆａｃｅ标识。一个组件规范中可以包含多个ｕｓｅｓ和ｐｒｏｖｉｄｅｓ命令。图３．１０基．ＪｉｎｅｓＣ语言的一股戍川科序框架３．５Ｔｉｎｙ０Ｓ移植分析任何操作系统的丌发都是针对某些硬件完成，将操作系统移植到另外的硬件平台上需要做一系列的工作。ＴｉｎｙＯＳ操作系统的移植主要考虑硬件处理器是否支持对ｎｅｓＣ（ｇｃｃ）的编译，以及对ＴｉｎｙＯＳ中与硬件平台相关部分的处理。３．５．１操作系统移植步骤在选定了系统硬件平台及丌发工具之后，针对这些工具对操作系统进行移植，大致需要做以下工作¨饥¨１。（１）深入了解所采用的硬件平台、操作系统及丌发工具首先，要深入认识系统所使用的处理器或者微控制器，了解其中断处理机制，是否有软中断或者是陷进指令和存储器的使用机制等等。（２）编写移植代码在移植过程中可能要对操作系统中的部分模块或者配置文件等进行修改，还有对所使用的编译器进行移植，针对使用的编译器做一些转换工作。２０中北大学学位论文（３）进行移植的测试在编写完所有的移植代码之后，就可以编写几个简单任务程序进行测试，分析移植是否成功，是否产生错误等。（４）封装服务函数操作系统移植成功后需要对移植中某些函数进行封装，以便应用程序丌发。３．５．２ＴｉｎｙＯＳ移植实例下面通过一个简单的应用程序例子来解释ＴｉｎｙＯＳ下使用ｎｅｓＣ编写应用程序的结构和使用细节，并具体说明如何让ＴｉｎｙＯＳ在本系统的硬件平台上运行。应用程序Ｂｌｉｎｋ的作用是使节点上的红色的ＬＥＤ灯以１ＨＺ的频率闪烁，以此来测试操作系统ＴｉｎｙＯＳ能在我们的硬件平台上证确运行。（１）创建硬件平台硬件平台相关的定义在ｔｏｓ／ｐｌａｔｆｏｒｍｓ文件央下，我们根据自己的硬件设计，要定义自己的平台Ｍｉｃａｚ，它主要由射频芯片ＣＣ２４２０和ＡＴＭＥＬ公司的微处理器芯片Ａｔｍｅｇａｌ２８Ｌ构成。下面介绍建立Ｍｉｃａｚ的步骤：①在ｔｏｓ／ｐｌａｔｆｏｒｍｓ文件央下创建Ｍｉｃａｚ文件央，类似于ｍｉｃａ等。②在Ｍｉｃａｚ文件央下，创建．ｐｌａｔｆｏｒｍ文件。主要包括在该平台上编译所需要的一些配置参数，首先需要添加在Ｍｉｃａｚ平台上编译应用程序所需的一些接口的路径，其次包含传递给ｎｅｓＣ的参数列表，如编译器、ＣＰＵ类型、调度方式等。③在Ｍｉｃａｚ文件央下，创建ｈａｒｄｗａｒｅ．ｈ文件。该文件主要定义与平台相关的常量、管脚，以及其它一些外部的头文件，如波特率、系统主时钟频率等。④定义一个ｍａｋｅ目标。ＴｉｎｙＯＳ的应用程序通过ｍａｋｅ来编译，ｍａｋｅ的应用形式是ｍａｋｅ＜ｐｌａｔｆｏｒｍ＞，因此需要在ｔｉｎｙｏｓ－２．ｘ／ｓｕｐｐｏｒｔ／ｍａｋｅ文件央下添加Ｍｉｃａｚ平台目标Ｍｉｃａｚｔａｒｇｅｔ，这样ＴｉｎｙＯＳ的ｂｕｉｌｄ系统才能识别出该平台，从而币确编译。⑤实现一些平台特定的接口函数。应用程序很有可能需要调用一些与特定平台相关的接口，例如ＩＯ口的配置等，这些接口也需要在此文件央下实现。通过上面五个步骤，就可以方便地建立自己的硬件平台Ｍｉｃａｚ，并可用ｍａｋｅＭｉｃａｚ命令来编译ＴｉｎｙＯＳ应用程序。值得注意的是，上述步骤是假设射频、ＣＰＵ等部分的驱２１中北大学学位论文动是现成的，只需要组合即可。若选择的硬件芯片目前还没有支持的话，则需要自己添加相应的驱动程序。（２）编写应用程序ＢｌｉｎｋＢｌｉｎｋ应用程序由两个组件组成：一个名为“ＢｌｉｎｋＣ．ｎｃ”的模块和一个名为“ＢｌｉｎｋＡｐｐＣ．ｎｃ”的配件。前面讲过，“ＢｌｉｎｋＡｐｐＣ．ｎｃ”就是Ｂｌｉｎｋ应用程序的配置，也是ｎｅｓＣ编译器用来生成可执行程序文件的源文件。另一方面，“ＢｌｉｎｋＣ．ｎｃ”是提供Ｂｌｉｎｋ应用程序实际实现的文件。“ＢｌｉｎｋＡｐｐＣ．ｎｃ”是用来将“ＢｌｉｎｋＣ．ｎｃ”模块与Ｂｌｉｎｋ应用程序所需的其他组件连接（ｗｉｒｅ）起来的。分析应用程序功能可发现，配件ＢｌｉｎｋＣ应陔由Ｌｅｄ组件ＬｅｄｓＣ和时钟组件Ｔｉｍｅｒ构成，Ｔｉｍｅｒ负责定时，产生１ｓ的时钟频率：ＬｅｄｓＣ则负责闪灯；此外，程序还需要一个主程序ＭａｉｎＣ来实现应用程序的启动和初始化工作。配件Ｂ１ｉｎｋＡｐｐＣ．ｎｃ实现了ＢｌｉｎｋＣ模块和ＭａｉｎＣ，ＴｉｍｅｒＭｉｌｌｉＣ，ＬｅｄｓＣ组件的连接关系。根据ｎｅｓＣ语法规则，ＢｌｉｎｋＡｐｐＣ的连接语句为：Ｍａｉｎ．ＳｔｄＣｏｎｔｒｏｌ·＞ＳｉｎｇｌｅＴｉｍｅｒ．ＳｔｄＣｏｎｔｒｏｌ；Ｍａｉｎ．ＳｔｄＣｏｎｔｒｏｌ一＞ＢｌｉｎｋＣ．ＳｔｄＣｏｎｔｒｏｌ：Ｂ１ｉｎｋＣ．Ｔｉｍｅｒ－＞ＳｉｎｇｌｅＴｉｍｅｒ．Ｔｉｍｅｒ；Ｂ１ｉｎｋＣ．Ｌｅｄｓ．＞ＬｅｄｓＣ；Ｍａｉｎ是在ＴｉｎｙＯＳ应用程序中首先被执行的一个组件。确切的说，在ＴｉｎｙＯＳ中执行的第一个命令是Ｍａｉｎ．ＳｔｄＣｏｎｔｒ０１．ｉｎｉｔ０，接下来是Ｍａｉｎ．ＳｔｄＣｏｎｔｒ０１．ｓｔａｒｔ（）。因此，ＴｉｎｙＯＳ应用程序在其配置中必须要有Ｍａｉｎ组件。接口ＳｔｄＣｏｎｔｒｏｌ是用来初始化和启动ＴｉｎｙＯＳ组件的一个公共（通用）接口。（３）编译Ｂｌｉｎｋ程序ＴｉｎｙＯＳ支持多个平台。每个平台在ｔｏｓ／ｐｌａｔｆｏｒｍ目录下都有自己的目录。此处，以Ｍｉｃａｚ平台为例。为节点编译Ｂｌｉｎｋ应用程序只需在ａｐｐｓ／Ｂｌｉｎｋ目录下输入ｍａｋｅＭｉｃａｚ命令即可。编译好的界面如图３．１１所示：２２－ｐ北大学学位论文削３１１绷译结果削（４）加载并运行ＢＩｉＩｌｌｃ程序把程序下载到节点中需要有个编程调试扳ＭＩＢ５２０．该板是由Ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司开发的。我们直接在节点上扩展了在线编程接口ＩＳＰ，不再需要专门的编程主板，而直接用ＩＳＰ转接线将节点上的ＩＳＰ口通过标准的ＤＢ３２并行端口电缆接到ＰＣ机的并口Ｊｋｌｉ９可。然后就可以在Ｃｙｇｗｉｎ环境下通过ｍａｋｅ＜ｐｌａｔｆｏｒｍ＞ｉｎｓｔａｌｌ命令下载程序了。之后，打丌电源，若红色ＬＥＤ灯每秒闲烁一下则表明程序编译和加载成功。通过上面的例子可以看出，在新的平台上面移植ＴｉｎｙＯＳ操作系统，首先要考虑的是平台处理器所支持的编译器能否正确地编译ｎｅｓＣ语言：其次，则主要考虑实现平台的硬件设备在ＴｉｎｙＯ￥下的驱动程序。完成这两个工作以后，ＴｉｎｙＯＳ的移植就非常简单了，只需要按照上面的步骤将＂ＩｌｌｌｙＯＳ源码安装到新的平台上即可。目前，ＴｉｒＩｙＯＳ己经提供了对许多硬件平台的支持库文件．为ＴｉｎｙＯＳ的移植提供了极大的方便。中北大学学位论文４无线传感器网络数据融合算法研究无线传感器网络的大多数应用都是由大量传感器节点构成的，共同完成信息收集、目标监测和感知环境的任务。然而无线传感器网络在电池供电能力、网络通信能力、计算处理能力、存储容量以及网络带宽等几方面存在很大的资源。在信息收集过程中，如果采用各个节点单独传送数据到汇聚节点，然后进行数据处理的方法显然是不合适的。因为网络存在大量冗余信息，浪费了网络通信带宽、消耗过多的能量并缩短了网络的生存周期，此外还降低了网络通信效率，从而影响了信息收集的实时性。为了避免上述问题，无线传感器网络在收集数据的过程中需要采用数据融合（ＤａｔａＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ／ＤａｔａＦｕｓｉｏｎ）技术ｎ引，实现对节点传感数据的融合处理。在大多数无线传感器网络应用当中，许多时候只关心监测数据，并不需要收到大量原始数据，数据融合是处理该类问题的有效手段。无线传感器网络的网内数据融合处理面临着多方面的挑，饯：节点能源有限；多数据流的同步；数据的时问敏感特性；网络带宽的；无线通信的不可靠性；网络的动态特性。因此，研究可以应用于无线传感器网络的节点数据分组策略，实现对网内传感数据快速、有效的融合处理具有重要的意义。本章在对无线传感器网络中多传感器数据融合的概念、作用作简要介绍的基础上，针对无线传感器网络网内数据融合所面临的一些挑战，提出了一种改进的自适应加权的数据融合方法，并通过一个实例验证了陔方法的有效性。４．１无线传感器网络网内数据融合４．１．１多传感器数据融合多传感器数据融合…（Ｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒ（Ｍｕｌｔｉ—ｓｅｎｓｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤａｔａＦｕｓｉｏｎ），ｔｇ称２＿为多传感器信息融合Ｆｕｓｉｏｎ），是２０世纪７０年代产生并迅速发展的一个新学科。根据国外最新描述，数据融合比较通用的定义可以概括为：利用计算机技术对按时序取得的若干信源的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合为完成所需要的决策和估计任２４中北大学学位论文务而进行的信息处理过程。陔定义强调了数据融合的３个核心方面，即：（１）数掘融合是在几个层次上完成对多源信息的处理过程，其中各个层次都表示不同级别的信息抽象：（２）数掘融合包括探测、互联、相关、估计以及信息组合；（３）数据融合的结果包括较低层次上的状态和身份估计，以及较高层次上的整个战术态势估计。多传感器数据融合技术通过一定的融合算法将来自多个信息源的信息进行合并，以产生更准确的信息，并根据这些信息做出可靠的决策，即根据观测信息给出一个关于状态的最优估计。多传感器系统是数据融合技术的硬件基础，多源信息是数据融合的加工对象，具有最优估计的融合算法是数据融合的核心。数据融合的方法普遍应用在同常生活中，比如在辨别一个事物的时候通常会综合各种感官信息，包括视觉、触觉、嗅觉和听觉等。单独依赖一种感官获得的信息往往是不足以对事物做出准确判断，而综合多种感官数据，对事物的描述才会更准确。在多传感器应用中，许多时候只关心监测结果，并不需要收到大量的原始数据，数据融合是实现此目的的重要手段。传统的多传感器数据融合是对不同的知识源和传感器采集的数据进行融合，以实现对观测现象更好的理解。而无线传感器网络的网内数据融合主要是为了减少网络内的数据传输量，达到减少能量消耗、延长网络生存周期的目的。在无线传感器网络中主要存在两种通信量：从用户到网络的查询和从节点到用户的感知数据。每一个节点都有可能对环境进行感知或作为对其他节点产生的数据进行转发的中继节点。这些节点产生的数据有可能使网络发生拥塞。然而，无线传感器网络大规网内数据融合的主要思想是：删除冗余、无效和可信度较差的数据，同时将来自不同节点的数据结合起来进行融合处理，达到提高数据精度、减少网络数据传输数量的目的¨乏＂１。这与传统的多传感器数据融合技术有所不同。对于无线传感器网络的实际应用，２５４．１．２无线传感器网络网内数据融合模密集部署的特点导致这些数据中的大部分是无效的，因此需要在传送过程中对数掘进行处理，减少无效数据、提高测量精度，从而出现了网内数据融合的概念。中北大学学位论文数据融合技术主要用于处理同一类型传感器的数据，而且其具体的实现与应用密切相关。例如在森林防火的应用中，需要对多个温度传感器探测到的环境温度数据进行融合；在粮仓监测应用中，需要对多个湿度、温度传感器探测到的环境湿度与温度数据进行融合处理以便作出正确的管理决策：在移动机器人导航定位中，需要对多个传感器感知的距离与方位信息进行融合处理实现机器人的精确定位与导航；在目标自动识别中，需要对图像监测传感器数掘进行融合处理后再进行传输。数据融合是当今信息时代的一个重要课题，国内外许多的学者针对传感器数据的融合问题进行了研究。文献［４５］采用加权平均法对多传感器数据进行融合，虽然陔方法简单直观但调整和设定权系数的工作量很大，并带有一定的主观性。文献［４６］以Ｂａｙｅｓ估计理论为基础得到了多传感器最优融合数据，适用于具有可加高斯噪声的不确定性信息，该方法首先要去除可能有错误的传感器数据信息，再对剩下的一致传感器提供的信息进行融合处理，其信息不确定性描述为概率分布，需要给出各传感器对目标类别的先验概率。文献［４７—４９］则采用了分批估计法、ｑ分类和Ｄ．Ｓ证据理论的融合方法。４．１．３无线传感器网络网内数据融合的作用在无线传感器网络中，数据融合起着十分重要的作用，集中表现在增强所收集数据的准确性、节省整个网络的能量以及提高数据的传输效率等三个方面。一、获得更准确的信息无线传感器网络由大量配备低廉传感器的节点组成，部署在各利，各样的环境中，从单一节点获得的信息在一定程度上存在不可靠性。这些不利因素主要来自以下几方面：（１）受到成本及体积的，无线传感器网络中节点配置的传感器精度一般较低；（２）无线通信机制使得所传送的数据更容易受到干扰而遭破坏；（３）恶劣的工作环境除了会影响数据的传送外，还会破坏节点的功能部件，令其工作异常，报告错误的数据。由此可见，仅收集少数几个分散节点的传感数据很难确保感知信息的币确性，需要通过对监测同一对象的多个传感器所采集的数据进行综合，有效地提高所获得信息的精度和可信度。另外，由于临近的多个节点对同一区域进行监测所获得的信息之间差异性很小，如果个别节点报告了错误的或者误差较大的信息，很容易在本地处理过程中通过２６中北大学学位论文简单的比较算法进行排除。需要指出的是，虽然可以在数据全部传送ＮＰＥ聚节点以后进行集中式融合处理，但这种方法得到的结果往往不如在网内进行融合处理的结果精确，有时甚至会产生融合错误。数据融合一般需要数据源局部信息的参与，如数据产生的地点、产生数据的节点所归属的组或簇等。相同地点的数据，如果属于不同的组则可能代表完全不同的数据含义。例如，对于树下和树上的节点分别测：量不同高度情况下目标区域的温度，虽然二维环境下看它们在同一个地点，但这两个节点的温度数据是不能够进行融合的。正是这些局部信息的参与使得局部数据融合比集中式数据融合更具有优势。二、节省能量无线传感器网络是由大量节点覆盖到监测区域而组成的。鉴于单个节点的监测范围和可靠性有限，在进行网络部署时，需要使节点达到一定的密度以增强整个网络的鲁棒性和监测信息的准确性，有时甚至需要使多个节点的监测范围互相交叠。这种监测区域的相互重叠会导致临近节点报告的信启、存在一定程度的冗余。比如对于监测温度的无线传感器网络，每个位置的温度可能会由多个节点进行监测，这些节点所报告的数据全部发送至ｌＪ？Ｉ－聚节点与仅发送一份数掘相比，除了使网络消耗更多的能量外，汇聚节点并不会获得更多的信息。数据融合就是针对上述情况对冗余数掘进行网内处理，即中ｌ’日Ｊ节点在转发传感器的感知数据之前，首先对数据进行综合，去掉冗余信息，在满足应用需求的前提下将需要传输的数掘量最小化。网内处理利用的是节点的计算资源和存储资源，其能量消耗与数据传送相比要少很多。文献瞄伽指出，如果使用Ｍｉｃａ节点，发送一个比特的数据所消耗的能量约为４０００ｎＪ，而处理器执行一条指令所消耗的能量仅为５ｎＪ，即发送一个比特数据的能耗可以用于执行８００条指令。因此，在一定程度上尽量进行网内数据融合处理，减少数据传输量，可以有效地节省能量。理想的融合情形下，中Ｉ、日Ｊ节点可以把１１个长度相等的输入数据分组合并成１个等长的输出分组，只需要消耗不进行数掘融合所消耗能量的１／ｎ即可完成数据传输；最差的情况下，融合操作并未减少数据量，但通过减少分组个数，可以减少信息的协商和竞争过程所造成的能量丌销。在半导体产业中，摩尔定律预示随着集成电路的发展，处理器的处理能力会不断提２７中北大学学位论文高，而功耗也会逐渐降低，因此，进行网内数据的融合处理，利用低能耗的计算资源减小高能耗的通信丌销是非常有意义的。三、提高数据收集效率对节点数据分组后的网内数据进行融合处理，可以在一定程度上提高网络收集数据的整体效率。数掘融合减少了需要传输的数据量，可以避免由于多个节点同时传送数据而增加数掘链路层的调度难度、造成频繁的冲突碰撞，减轻了网络的传输拥塞，降低了数据的传输延迟。即使有效数据量并未减少，通过对多个数据分组进行合并可以减少分组个数，避免传输中的冲突碰撞现象，同时也可以提高无线信道的利用率。４．２基于自适应加权的无线传感器网络簇内数据融合算法传感器测量的数据总是存在噪声，所以根据检测数据得到的估计值会存在估计误差，而陔估计误差也是一个随机量，因此评价一个估计算法的好坏一般都以均方误差作为评价指标。对于多个节点的检测数据，由于各个传感器的测量精度和测量环境不同，测量的准确性必然存在差异，如果对多个传感器一视同仁，不加区别地将检测数据加以处理利用，必然带来检测结果的不精确从而导致系统处理结果的误差，有时这个误差会很大。所以需要针对各个传感器在检测系统中所处的地位和检测的准确性，有选择地对传感器的重要性加以区别。这就是自适应加权数据融合算法的依据。４．２．１传统自适应加权融合算法由于各个传感器的精度不可能完全一样，也就是说每个传感器的可信度难以完全一致，为了使融合的结果更优，可根据各个传感器所得到的测量值自适应地寻找其对应的权数以达到最优的融合结果，即所谓自适应加权融合算法。算法结构如图４．１。而筋巧靠图４．Ｉ白适应加权融合算法结构２８中北大学学位论文各个传感器对应不同的权重值，在总均方误差最小这一最优条件下，根据各个传感器的测量值以自适应的方式找到其对应的最优权重值，使融合后的ｉ值达到最优凸ｋ５２３。假设１１个传感器的方差分别仃。，ｔ３ｒ：，…，仃。，所要估计的真值为Ｘ，各传感器的测量值分别为ｘｌ，ｘ２，…，ｘｎ，它们彼此互相，并且是Ｘ的无偏估计，各传感器的加权因子分别为ＷＩ，Ｗ２，…，、Ⅳｎ，则融合处理后的ｗｎ值和加权因子应该满足以下关系：舅＝∑ｗ，ｘｆ‘一‘‘式中，ｗ，为第ｆ个传感器的权值，且∑Ⅵ＝１。则总方差均方为：（４．１）仃２＝Ｅ殴一舅）２】＝Ｅ旧嵋Ｇ—ｘＪ）２＋２，耋：。嵋＿Ｇ—ｘ，敞一工圳ＬＩ≠Ｊ（４．２）Ｊ因为ＸＩ，ｘ２，…，ｘ。彼此互相，并且是Ｘ的无偏估计，所以Ｅ№一ｘ，融一ｘ，）Ｊ＝ｏ，（ｆ≠ｊ；ｉ－－１～２．．，胛；／＝ｌ…２．．，胛），故可写成：仃２＝Ｅ［盖印（ｘ一毛）２］＝蓦以盯ｊ２其中，ｏｒ，为各个传感器的方差。极值理论得到，加权因子为：ｌ（４．３）依据总均方误差最小的准则，即应求出式（４．３）在式（４．１）下的条件极值，由多元函数Ⅵ２——ｉ——一（４．４）砰善％２ｏｉ乙ｙ一４．２．２改进后的自适应加权融合算法由于传统自适应加权融合算法需要测量数据的先验知识，本文针对此问题进行了改进。该方法是从传感器测量数据自身着手，首先，通过迭代得到各个节点测量数据的无偏估计值，其次，求取各个传感器测量数据值与估计值之间的欧氏距离，以归一化的欧２９中北大学学位论文氏距离作为自适应加权融合的权值，根据式（４．１）得到最后的融合结果。一、无偏估计设传感器测量数据值ｚ（Ｏ是由原始数据值ｄ（ｆ）和噪声Ｐ（ｆ）叠加而成的，即：ｚ（Ｚ）＝ｄ（ｉ）＋ｅ（ｆ）（４．５）这里假设各传感器的噪声是互不相关的，且具有零均值，标准差为占。通过初始值将传感器测量数据分为两类，由于噪声是随机作用于各个传感器的，则可以认为两类数据上噪声干扰仍为Ｐ（ｆ），即：ｚ－（ｆ）＝们）＋Ｐ（ｆ）（４。６）ｚ２（ｆ）＝ｄ２（ｆ）＋ｅ（ｉ）（４．７）在迭代算法中，需要对分类后的数据分别求其均值，则：Ｅ｛ｚ。（讲＝Ｅ“（ｆ）＋巳（ｆ））＝Ｅ｛ｄ。（ｆ））（４．８）Ｅｋ（力｝＝Ｅ坎（ｆ）＋吃（ｆ）｝＝Ｅ娃（力）（４．９）上式说明，随着迭代次数的增加，平均测量数据值将趋于真值。因此，用迭代算法求得的最佳无偏估计值基本不受噪声干扰的影响。根据上述分析，迭代算法描述如下：首先选择多传感器测量的最大值与最小值的平均值作为估计值的初始值，然后根据初始值将传感器测量数据分为两类，并根据分类数据的特性来选取新的估计值，再用新的估计值分类，经过几次循环，使得中心数据最接近真值，受噪声影响最小。（１）选择一个初始无偏估计值瓦＝ｐ２陋＝ｏ）７＂０：毕０一———ｉ—一）０１．４（”·１式中，Ｚ二，乙分别表示数据中的最大和最小测量数据值。（２）利用估计值ｒ。把多传感器测量数据分为两组墨和Ｒ：，其中Ｒ。＝ｐ（刀）Ｉｄ（玎）≥丁‘｝（４．１１）Ｒ：＝ｐ（刀）Ｉｄ（甩）＜丁‘｝（４．１２）３０中北大学学位论文（３）分别计算Ｒ．和Ｒ：组的平均测量值，其中白２—两幺２—阿ｄ（ｆ）（∥∑ｄ（ｆ）×Ⅳ（ｆ）（４．１３）∑圳×Ⅳ（ｆ）（４．１４）式中，ｄ（ｆ）表示第ｆ个传感器的测量值，Ⅳ（，）表示传感器ｆ的权重，一般Ⅳ（ｉ）＝Ｉ。（４）选择新的估计值ｒ“１丁川：拿冬（５）如果Ｔ‘＝Ｔ“１，则结束，否则Ｋ＝Ｋ＋１，转步骤（２）二、权值设定（４．１５）假设有，ｚ个传感器，测量数据用，２维列向量Ｄ＝（ｄｌ，．一，ｄ。）表示。为了反映不同节点数据与中心数据之Ｉ＇８Ｊ的偏差大小，可以通过测量各个节点数据与中心数掘的欧氏距离：，，＝√（∥，一丁）２根据欧氏距离自适应得设定权值，距离越大权值越小，距离越小权值越大：（４．１６）ｗｉ＝ｙ／／，，∑，，一，＝Ｉ（４．１７）其中ｗ为权值，满足归一化原则∑１４＇ｉ＝１。４．２．３自适应加权数据融合算法的应用步骤在实际应用中，自适应加权数掘融合算法的计算步骤如下：（１）用式（４．１０）、（４．１１）和（４．１２）把多传感器测量数据分为两组Ｒ。和Ｒ２；（２）用式（４．１３）、（４．１４）币１１（４．１５）计算出新的估计值丁“１；３ｌ中北大学学位论文（３）如果Ｔ‘＝Ｔ“１，则结束，否则Ｋ＝Ｋ＋１，重新计算上一步骤：（４）用式（４．１６）矛Ｈ（４．１７）计算出最优加权因子ｗ；（５）由式（４．１）计算出融合估计值羔。４．３实例分析下面以生化培养箱（即恒温箱）环境温度检测的数据融合处理为例，具体阐述本文融合算法的实现过程。测试方案为：在培养箱内分散部署１０个配备有温度传感器的节点，预先对培养箱温度范围进行设置，节点采样时ｆ白Ｊ为１０ｓ，对数据进行记录分析。某一时刻的检测数据见表４．１所示，其真实值为９．７℃。表４．１传感器１ｒ点洲蜒数据值为了说明本文算法的优越性，使用传统自适应加权融合算法和分批式估计算法进行比较。表４．２给出了当节点１的测量值随机扰动±Ｏ．１（即节点１的测量值变为９．３８或９．１８）后的三种方法结果的比较。表４．２二种方法融合结果比较从表中可以看出，不管节点ｌ的测量值是否随机扰动，本文算法在三种情况下融３２中北大学学位论文合结果分别是９．６７６４℃、９．６７９８℃和９６７１６℃，真差分别为Ｏ．０２３６、Ｏ．０２１１和０．０２８４，真差比其它两种方法的真差都小，这说明改进后的自适应加权融合算法比分批估计法、传统的自适应加权法更接近真值９．７０℃，提高了融合的精度。为了详尽的说明三种方法的融合效果，将试验测量次数提高到１００次，其仿真结果如图４２所示。荔÷＿｝髂黼蟛酾燮图４．２１００次实验的仿真结果从图４．２可以看出，最下方的实曲线为本文提出的融合算法，中间的虚线为传统的加权融合算法，最上方的虚点线为分批式估计算法。由此可见，本文算法的绝对误差最小，在精确性和稳定性上有明显的优势，并经过多次重复性仿真试验仍表现出较好的鲁棒性。由上述分析可知，本文提出的改进后的自适应加权融合算法的融合效果更准确，波动性较小，更稳健。这主要是因为该方法不需任何传感器测量数据的先验知识，而且是在没有假设测量数据服从正态分布的情况下得到融合结果，提高了融合结果的客观性。同时该算法简洁易行，在有随即扰动的情况下影响非常小，能够避免有效数据的损失，数据融合精度较高。３３中北大学学位论文５终端监控管理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。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。５．１软件开发环境介绍５．１．１ＬａｂＶｌＥＷ简介ＬａｂＶＩＥＷ是实验室虚拟仪器集成环境（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｋｂｅｎｃｈ）的简称，是美国国家仪器公司（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简称ＮＩ）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。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（ｆｒｏｎｔｐａｎｅｌ）、流程Ｉ虱（ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ）以及图标／连接器（ｉｃｏｎ／ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）等３部分组成‘５蛳３。３４中北大学学位论文５．１．２ＭｏｔｅＷｏｒｋｓ软件平台Ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司提供了ＭｏｔｅＷｏｒｋｓ软件丌发平台，它是第一款用于工业的可丌放源代码的，基于标准平台和支持ＯＥＭ设备与系统丌发的软件平台∞利。ＭｏｔｅＷｏｒｋｓ将无线传感器网络划分为三层：ＭｏｔｅＴｉｅｒ，ＳｅｒｖｅｒＴｉｅｒ以及ＣｌｉｅｎｔＴｉｅｒ。其中ＭｏｔｅＴｉｅｒ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。ＭｏｔｅＴｉｅｒ采集并通过网关将相关网络数据传至网络层ＳｅｒｖｅｒＴｉｅｒ处理。在ＳｅｒｖｅｒＴｉｅｒ通过ＸＳｅｒｖｅ提供了包括ＣＳＶ，ＸＭＬ，Ｄａｔａｂａｓｅ，Ｍｏｄｂｕｓ等多种标准通用数据接口。ＣｌｉｅｎｔＴｉｅｒ为用户监测管理层，提供了数掘管理和监控等工具。ＸＳｅｒｖｅ是连接无线传感器网络和应用管理程序之ｆｎＪ的中ｌ’日Ｊ件。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和ＣＯＭ等丌发接口，可以作为客户端程序的丌发平台。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瞄…。数据诵ｊ寸９００１图５．１ＸＳｅｒｖｅ体系结构图５．２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５．２所示：３５中北大学学位论文幽５．２软什系统结构图（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ｉｄ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问的关系。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随Ｈ，－ｊ－ｆ，Ｊ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詈。３６中北大学学位论文５３软件开发关键技术５３１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。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：删５．３由ＸＳｅｒｖｅ解析后的传感器信息５３２连接中间件ＸＳｏｒｖｅ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洌Ｉ管理程序。采用ＸＳｅｒｖｅ输出的ＸＭＬ接口作为数据源，通过Ｓｏｃｋｅｔ的方式柬连接到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…３的ＸＭＬ数据流输出方式。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一９００５可以把解析后中北大学学位论文的数据发布到ｓｏｃｋｅｔ９００５端口上，．Ｓ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。图５．４定义读取数据长度５．３．３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。下图为经ＸＳｅｒｖｅ转换的一个传感器ＭＤＡ３００数据包嘞·删的部分数据。３８中北大学学位论文《咖ｌｖｅｒｓｉｏｎ０１ｒ’）一＜ＭｏｔｅＰａｃｋｅｔ＞一＜ＰａｒｓｅｄＤａｔａＥｉｅｍｅｎｔ＞＜Ｎａｍｅ硝ｍＷｐｅ４Ｎａ…‘ｃＤｎｖｅｒｔｅｄＶａｂｅ＞１１ｄＣｏｎｖｅｒＬｅｄＶａｌｕｅ＞一幽ｒｓｅｄＤａ妇Ｅｌｅｍｅｎｔ＞ｄｇａｒｓｅｄＤａｔａ目ｅｍｅｎｔ）＜Ｎａｍｅ＞ｎｏｄｅｌｄｄＮａｍｅ）＜ＣｏＲｖｅｎｅ“ａｌｕｅ＞２ｄｃＯｎｖｅｎＢｄｖａｌ…叫ＰａｍｅｄＯａｔａＥｌｅｍｅｎｔ＞一妒ａｒｓｅｄＯａｂＥｌｅｍｅｎｔ＞删ａｍｅ＞ｐａｉｎｔ“ＮａｍＱ＞＜ｃｏｎｖｅｒｔｅｄＶａｌｕｅ＞Ｏｄ＇ｃｏｎｖｅｎｅｄＶａｋＪｅ）√ＰａｍｅｄＯａｔａＥｌｅｍｅｎｔ＞＋廿ａＧｅ∞｛ＣａＥＬｅｍｅｏｔ＞＋＜ＰａｎｅｄＯａｔａＥｌｅｍｅｒＩｔ＞一ｃｐ—ｄＤａｔ：ａＥＩ…ｎｔ＞ｄ…‰ａｒｄ—ｉｄ√Ｎａｍｅ＇＜／ＰａｒｓｅｄＤａｔａＥｉ帅ｅｎｔ＞ｄ：ＯｎｖｅｒｔｅｄＶａｌｕｅ＞１２９以…ｒｔｅｄｖａｌ…一＜ｐａｍｅｄＤａｔａＥｌｅｍｅｒｒ＞ｄｑａｍｅ＞ｐａｃｋｅｔＤｄ＜／Ｎａｍｅ＞＜ＣｏＲｖｅｒｔｅｄｖａｌｕｅ＞１３４＜／ＣｏｎｖｓｒｔｅｄＶａｌｕｅ＞“ｐａｒｓｅｄＯａｔａＥＪｅｍｓＮｔ＞一＜ＰａｒｓｅｄＯａｎＥｌｅｍ郫Ｃ）（Ｎ…川ｏｌｔａｑｅｄＮａｍｅ＞《ＣｏｎｖｅｒｔｅｄＶｄｕｅ＞２７８３ｄＣ∞ｖｅｒｈ“ａｌｕｅ＞ｄ舶ｍｅｄ内☆Ｅｈｍ＠ｎｔ＞一婶ａ脯∞｝ｔａ￡Ｉｅｍｅｎ刊…＞ｈｕｍＩｄ训ａｍｅ＞ｃ，ｃ，ｐａｒ搴ｅｄＯａｂＥ｛…ｎｃ＞《０ｎｖｅｒｔｅｄＶｓＪｕｅ一１．５２０２６７ｄＣｏ，１ｖｓｆｔｅｄＶａｌｕｅ＞一婶“ｓｅｄＤａｔａＥ｛ｅｍｅｎｔ＞＜Ｎ３ｍｅ汕ｕｍｔｅｍｐ“Ｎａｍｅ＞（ｍ＊ｓｅｄＤａｔａＥｌｅ—ｔ）＜ＣｏｎｖｅｒｔｅｄＶａｌｕｅ＞２９．４８０∞ＯｄＣｏｎｖｅｒｔｅｄｖａｌ岫）＿垄『５５传感器数据包得到ＸＭＬ数据元素后，需要将其中数据对解析出来。在此之前，首先需要解决一个问题，如果直接调用ＬａｂＶＩＥＷ提供的ＸＭＬ读取函数，则无法解析出任何数据。原因是ＬａｂＶｌＥＷ提供的ＸＭＬ函数库是针对ＬａｂＶＩＥＷ自定义的数据格式的，是以＜ＬｖＤａｔａ＞与＜／ＬｖＤａｔａ＞为标＿ｉ｝｛。而按上冈所示Ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司ＸＳｅｒｖｅ则是以＜ＭｏｔｅＰａｃｋｃｔ＞为标议，所以导致无法通过ＬａｂＶＩＥＷ函数库实现读取功能。燮＝凹５６ｘＭＬ曲觳库３９中北大学学位论文由上图可见，（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）之问，实际标识数据的内容。因此，需要将程序修改如下：幽５．７修改的ＸＭＬ函数库如上图所示，我们用＜ＭｏｔｅＰａｃｋｅｔ＞与（／ＭｏｔｅＰａｃｋｅｔ＞替换了原有的＜ＬｖＤａｔａ＞与＜／ＬｖＤａｔａ＞的组合。这样，程序将能认出Ｃｒｏｓｓｂｏｗ标识的ＸＭＬ文件，并将其中的数据部分取出。通过子ＶＩ：解析ＸＭＬ代码段和字符串匹配函数就可以将ＸＭＬ数据部分解析成数组形式供后序程序调用。５．３．４程序流程图和后面板程序在ＸＳｅｒｖｅ丌启的情况下，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５．８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ｌ’白Ｊ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。４０中北大学学位论文囤５８系统程序流狂圈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。二二＿盈甲Ｐ商制茎耕醉～广１鸭。。Ｔｎｉ；ｉ铡面矸］犀棚罾钿咽Ｉ口酽圈５．９部分关键程序５４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：４１中北大学学位论文图５１０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进行声光报此外还有历史查询界面一软件运行时会把节点发来的数据保存到数据库中，当用户４２中北大学学位论文需要查看历史数据时，可以根据时间方便的进行历史数据的查询。存储的样式可以根据用户的需求进行定制，本文是以文本形式存储的，如下图。，㈣《ｉ＊４）＃日４）＃ｉ叫｛ｉ４）镕％ｍ）∞点时间节点４２００日々１１２０：３６２４２００８一々一１１２０：３７２４２００８—４一”２ａ：３８２００８—４…ａ：ａ９２４２４２００Ｂ一４—１’２０２：４０２４２００Ｂ一４—”２９：４１２㈣勰船嚣器Ⅲ４持，，，，２００８２００８４１㈣２４—１’２９：４２２４Ｉｔ３２图５１２散据存储文件５．５实验测试整个无线传感网络监控系统部分实物见图５１３，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。测试地点：山西农业大学食品学院生物工程实验室测试环境：生化培养箱（恒温箱），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（ＭＩＣＡｚＭｏｔｅ，ＭＤＡ３００ＣＡ和ＭＩＢ５２０）叫测试目的：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囤５１３测试平台实物图４３中北大学学位论文图５１４世温箱监Ⅻ０现场图测试方法如下：（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５１。（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性。表５】实验结果比较标准值／ｃ黼鬻黔节点，中北大学学位论文如图５１５，将３个节点的测量值求取平均值后与标准值绘制了曲线图进行比较。ｇＨⅧ图５１５数据对比图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５．１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５１５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：９－７５℃区间温度变化比较快，７５．５５＇Ｃ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。中北大学学位论文６总结与展望６．１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：１．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。２．无线传感器网络数据融合算法研究。提出了一种改进的自适应加权的数据融合算法。该算法从节点测量数据自身着手，通过迭代得到各个节点测量数据的无偏估计值，以各个节点与估计值的欧氏距离作为各节点可信度的描述，最终得到数据融合结果。通过实验可以看出，该算法简洁易行，能够避免有效数据的损失，数据融合精度较高，优于常规的融合算法。３．客户端数据监控与管理软件系统设计。本软件通过汇聚节点与传感器网络进行双向通信，实现了环境信息的自动采集、无线传输、信息的图表显示、查询、统计分析和声光报警等，特别是通过可视化显示技术，达到系统在易用性与功能的统一。６．２本论文不足及进一步研究方向由于时间，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。４６ｒ｝１北大学学位论文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。６．３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。４７中北大学学位论文参考文献【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】ＧｕｉｂａｓＬＪ．Ｓｅｎｓｉｎｇ，ｔｒａｃｋｉｎｇ，ａｎｄｒｅａｓｏｎｉｎｇｗｉｔｈｒｅｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＭａｇａｚｉｎｅ，２００２，１９（２）：７３—８５．［８］ＨｅｉｎｚｅｌｍａｎＷＲ．ＡｄａｐｔｉｖｅＨ，ｅｄ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ１９９９．１７４．１８５．ｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓ５ｍｓｅｎｓｏｒｓ［Ｃ］．Ｉｎ：ＫｏｄｅｓｈＰｒｅｓｓ，ｆｏｒｔｈｅＡＣＭ／ＩＥＥＥＭｏｂｉＣｏｍ．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＡＣＭ［９］ＲｏｂＫｎｉｅｓ．ＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓＧｅｔａＫｉｃｋ－Ｓｔａｒｔ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ．ｃｏｍ／ｄｉｓｐｌａｙＡｒｔｉｃｌｅ．ａｓｐｘ？ｉｄ＝１３６０．２００５－１１－１２．［１０］Ｉｎｔｅｌ．Ｕｌｔｒａ—Ｗｉｄｅｂａｎｄ（ＵＷＢ）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｔｅｌ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｃｏｍｍｓ／ｕｗｂ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｗｉｒｅｌｅｓｓ＿＿ｐｂ．ｐｄｆ．［１１］ＣＯＵＧＡＲＰｒｏｊｅｃｔ［Ｐ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣＳ．ｃｏｍｅｌｌ．ｅｄｕ／ｄａｔａｂａｓｅ／ｃｏｕｇａｒ／ａｎｄｅｘ．ｈｔｍ．［１２］ＺｉｇＢｅｅ［１３］ＩＥＥＥ［１４］ＩＥＥＥＡｌｌｉａｎｃｅ．ＺｉｇＢｅｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｅｒｓｉｏｎ１．０［Ｓ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｉｇｂｅｅ．ｏｒｇ．５／ｐｕｂ／ＴＧ４．ｈｔｍｌ．８０２．１５８０２．１５ＷＰＡＮＷＰＡＮＴａｓｋＧｒｏｕｐＴａｓｋＧｒｏｕｐ４［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｉｅｅｅ８０２．ｏｒｇ／１３［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｅｅ８０２．ｏｒｇ／１５／ｐｕｂ／ＴＧ３ａ．ｈｔｍｌ．［１５］ＳｅｎｓｏＮｅｔＰｒｏｊｅｃｔ［Ｐ］．ｈｔｔｐ：／／ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｃｅｎｓ．ｕｃｌａ．ｅｄｕ／．［１６］ＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＬａｂｏｒａｔｉｒｙ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｅ．ｇａｔｅｃｈ．ｅｄｕ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｌａｂｓ／ｂｗｎ／．［１７】Ｃｒｏｓｓｂｏｗ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｘｂｏｗ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｗｓｎ／ｈｏｍｅｐａｇｅ／ｄｅｆａｕｌｔ．ｈｔｍｌ［１８］ＴｉｎｙＯＳ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｎｙｏｓ．ｎｅｔ／ｓｃｏｏｐ／ｓｐｅｃｉａ／ｈａｒｄｗａｒｅ／４８中北大学学位论文［１９】马祖长，乔晖，孙怡宁．一种无线传感器网络的设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００３，（１１）：４９—５１．［２０］李建中，李金宝，石胜飞．传感器网络及其数据管理的概念问题与进展［Ｊ］．软件学报．２００３，１４（１０）：１７１７－１７２７．［２１］任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络［Ｊ］．软件学报，２００３，１４（７）：１２８２—１２９．［２２］国家中长期科学核技术发展规划纲要（２００６—２０２０）［￥１．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｊｒｚｇ／２００６—０２／０９／ｃｏｎｔｅｎｔ一１８３７８７．ｈｔｍ．［２３］＿Ｌ海微机所．无线传感网研究成果［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｍ．ａｃ．ｃｎ／［２４］中科院沈阳自动化所．工业无线网络ＷｌＡ［Ｓ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｗｉｒｅｌｅｓｓ．ｃｎ／．［２５］浙江大学网络传感与控制研究２Ｈ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｎｓｏｒｎｅｔ．ｃｎ／ｃｎ＿ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ［２６］谭静芳，赵立新．温室的发展概况及玻璃钢温室的前景［Ｊ】．农业装备技术，２００４，３０（１）：１０—１１．［２７】高建平，赵龙庆．温室计算机控制与管理技术的发展概况及在我国的应用前景［Ｊ］．计算机与农业，２００３，（２）：１２．１５．［２８１安国民，徐世艳，赵化春．国外设施农业现状与发展趋势［Ｊ】．现代化农业，２００４，１２：３４．３６．［２９］孙忠富，乔晓军，王迎春．数字农业研究进展［Ｍ】．中国农业科学技术出版社，２００５．【３０］吴金洪，丁飞，陈应春．现代温室无线数据采集系统的研究［Ｊ］．计算机测量与控制，２００７，１５（０３）：４０５－４０６．［３１］白春阿，时玲，张亚静．我国几种温室环境控制系统的架构方案［Ｊ】．农机化研究，２００６，０５：２９－３１．［３２］上海市计算技术研究所．上海科委应用技术专项项目［ＥＢ／ＯＬ】．ｈｔｔｐ：／／２１１．１４４．９６．１５３／．［３３］Ｔｉｎｙｏｓ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｎｙｏｓ．ｎｅｔ．［３４］Ｃｈｉｅｎ—ＬｉａｎｇＦｏｋ．ＴｉｎｙＯＳＴｕｔｏｒｉａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓｅ．ｗｕｓｔｌ．ｅｄｕ／－ｌｕ／ｃｓ５２０ｓ／ｓｌｉｄｅｓ／ｔｉｎｙｏｓ＿ｔｕｔｏｒｉａｌ．ｐｄｆ．【３５］Ａｔｍｅｌ．Ａｔｍｅｇａ［３６］Ｔｅｘａｓ１２８ＬＤａｔａｓｈｅｅｔＲｅｖ２４６７Ｌ一０５／０４［ＥＢ／ＯＬ］，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｔｍｅｌ．ｃｏｍ．Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ［ＥＢ／ＯＬ］．２００６．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．２．４ＧＨｚＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ—ｒｅａｄｙＲＦｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔ／ｄｓ／ｓｙｒｎｌｉｎｋ／ｃｃ２４２０．ｐｄｆ．４９中北大学学位论文［３７］Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ．ＳＨＴｌｘ／ＳＨＴ７ｘｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｕｍｉｄｉｔｙ．ｃｎ．Ｈｕｍｉｄｉｔｙ＆ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｅｎｓｏｒＤａｔａｓｈｅｅｔｖ３．ＯＩ［ＥＢ／ＯＬ］．２００７．［３８］李晶，王福豹，段渭军等．无线传感器网络节点操作系统研究［Ｊ］．计算机应用研究．２００６，（８）：２８－３０．［３９］ＤａｖｉｄＧａｙ，ＤａｖｉｄＣｕｌｌｅｒ，ＰｈｉｌｉｐＬｅｖｉｓ．ｎｅｓＣＬａｎｇｕａｇｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．２００３．ｈｔｔｐ：／／ｗｅｂｓ．ＣＳ．ｂｅｒｋｅｌｅｙ．ｅｄｕ．［４０］Ｃｉａｒ７ａｎＬｙｎｃｈａｎｄＦｅｒｇｕｓＯＲｅｉｌｌｙ．ＰＩＣ－ｂａｓｅｄＴｉｎｙＯＳＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ＣｅｎｔｒｅｆｏｒＡｄａｐｔｉｖｅＷｉｒｅｌｅｓｓＳｙｓｔｅｍｓ，ＣｏｒｋＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．［４ｌ】刘华，杨志家．基于ＡＲＭ核处理器的ＴｉｎｙＯＳ实现［Ｊ］．信息与控制，２００６，３５（２）：２７５·２７９．［４２】郑勇，杨志义，李志刚．基于无线传感器网络的网内数据融合［Ｊ】．计算应用研究．２００６，４：２４３—２４５．［４３］杨万海．多传感器数据融合及其应用（第一版）［Ｍ】．西安：西安电子科技大学出版社，２００４．［４４】张建明，宋迎清，周四望．无线传感器网络中数掘汇聚技术的研究［Ｊ］．计算机应用．２００６，２６（６）：１２７３—１２７８．［４５］廖惜春，丘敏，麦汉荣．基于参数估计的数据融合算法研究［Ｊ］．传感器与微系统，２００６，２５（１０）：７０－７３．［４６］付华，杜晓坤．基于Ｂａｙｅｓ估计理论的数据融合方法［Ｊ］．自动化技术与应用，２００５，２４（４）：１０—１２．［４７］张西良，孙优．无线传感器网络基于定向扩散与分批估计的数据融合算法［Ｊ］．传感器与仪器仪表，２００６，２２（９．１）：１７３．１７５．［４８］ＮｉｓｈｅｅｔｈＳｈｒｉｖａｓｔａｖａ，ＣｈｉｒａｎｊｅｅｂＢｕｒａｇｏｈａｉｎ，ＤｉｖｙａｋａｎｔＡｇｒａｗＭｅｄｉａｎｓａｎｄｂｅｙｏｎｄ：ｎｅｗａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ【Ａ】．ＡＣＭＳｅｎＳｙｓ２００４［Ｃ］，ＮｅｗＹｏｒｋ：ＡＣＭＰｒｅｓｓ，２００４．［４９］宿陆，李全龙，徐晓飞．基于Ｄ－Ｓ证据理论的传感器网络数据融合算法［Ｊ］．小型微型计算机系统，２００６，２７（７）：１３２１．１３２５．［５０］ＳｚｅｗｃｚｙｋＲ，ＦｅｒｅｎｃｚＡ．Ｅｎｅｒｇｙｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｎｅｔｗｏｒｋｓｅｎｓｏｒｄｅｓｉｇｎｓ［ＥＢ／ＯＬ］．５０中北大学学位论文ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣＳ．ｂｅｒｋｅｌｅｙ／ｅｄｕ／－ｓｚｅｗｃｚｙｋ／ｃｓ２５２／ｐａｐｅｒ．ｐｄｆ．［５ｌ】滕召胜，罗隆福．智能检测系统与数据融合（第一版）．北京：机械工业出版社，２００２．［５２］ＫｏｎｇＦ－Ｔ，ＣｈｅｎＹ＿Ｐ，ＸｉｅＪ－Ｍ，ｅｔａ１．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ·ｓｅｎｓｏｒｄａｔａｆｕｓｉｏｎ［Ｃ］．ｉｎ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ：ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｓＣｏｍｐｕｔｅｒＳｏｃｉｅｔｙ，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ０８８５５—１３３１，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ，２００５．４９４－４９８．［５３］陈锡辉，张银鸿．ＬａｂＶＩＥＷ８．２０程序设计从入门到精通［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７．［５４］杨乐平，李海涛，赵勇等．ＬａｂＶＩＥｗ程序设计与应用（第二版）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．［５５１２００５－２００６ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＬａｂＶｌＥＷ俐Ｈｅｌｐ［ＥＢ／ＯＬ］．３７１３６Ｂ．０１．Ａｕｇｕｓｔ２００６．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉ．ｃｏｍ／ｓｕｐｐｏｒｔ／ｚｈｓ／［５６】陆强，戴文．基于ＬａｂＶＩＥｗ的环境试验设备温湿度检定系统［Ｊ】．电子测量技术，２００７，３０（７）：６４—６６．【５７］ＣｒｏｓｓｂｏｗＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．ＭｏｔｅＷｏｒｋｓ［５８］ＣｒｏｓｓｂｏｗＧｅｔｔｉｎｇＳｔａｒｔｅｄＧｕｉｄｅ．２００７：１－８０．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．ＸＳｅｒｖｅ—Ｕｓｅｒｓ—Ｍａｎｕａｌ．２００７：１－１３６．［５９］王晓萍．基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的现场状态监测仪器网络通讯设计［Ｊ】－仪器仪表学报，２００４，２５（２）：２６３－２６５．［６０］ＪｅｆｆＴｈｏｍ．ＤｅｃｉｐｈｅｒｉｎｇｔｉｎｙＯＳｓｅｒｉａｌｐａｃｋｅｔｓ［Ｊ］．ＯｃｔａｖｅＴｅｃｈ，２００５，１：１－９．［６１］姚兰，赵志滨．无线传感器网络中网关处的数据获取与处理［Ｊ】．仪器仪表学报，２００６，２７（６）：１５７８．１５８４．５１中北大学学位论文攻读硕士学位期间发表的论文发表论文：１、马琦，张记龙，王志斌．无线传感器网络簇内自适应融合算法研究［Ｊ】．计算机应用研究．２００９，（８）．（已录用）；２、马琦，张记龙，王志斌．基于ＬａｂＶＩＥＷ和无线传感器网络的工业无线监控系统［Ｊ］．传感器与微系统（已录用）．５２中北大学学位论文致谢论文工作接近尾声，中北大学的硕士学习生涯行将结束，二十余载的求学生涯也即将告一段落；此刻，我有太多的人要感谢，也有很多感激的话要诉说。谨向我的导师张记龙教授表示衷心的感谢！在研究生阶段的学习生活中，张老师为我提供了良好的科研环境，并且在学术上给予了精心的指导、生活上给予了热情的关怀。我的学习和论文研究工作始终得到了张老师的严格要求和悉心指导。张老师Ｊ可Ｆ谨的治学风格、敏锐的洞察力、渊博的知识、活跃进取的创新意识、务实的工作作风以及无私的奉献精神将影响和激励我的一生。感谢王志斌教授、李晓和田二明老师、陈媛媛博士等老师在我研究生学习和论文撰写期ｆＮＪ给予的支持与无私帮助！怀恋与王明、薛尚峰、王建宏、陕云林、王鹏、张妍伟、孙立新、Ｉ到贺、刘智超、路坦、刘辉智、刘东旭等诸师兄弟姐妹们在一起愉快工作学习、融洽相处的岁月，时常交流，互学共进，受益良多。学有今同，特别感谢呕心沥血、含辛茹苦扰养我成长的父母双亲，感谢姐姐、姐夫等全部家人、亲戚朋友，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。同时还要感谢女友刘彦在生活上无微不至的体贴和照顾，以及对我学业上的支持和鼓励。课题得到了科技部国际科技合作重点项目和山西省光电信息与仪器与工程技术研究中心的资助，在此表示感谢！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！基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究

作者：

学位授予单位：

马琦中北大学

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1509404.aspx