基于TinyOS的无线传感器网络数据采集系统设计与实现

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是当今国际备受关注的前沿热点领域,掀起了一场后PC时代的革命。无线传感器网络是由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微小传感器结点构成的自组织、分布式网络系统,可以实时感知和采集网络分布区域内的各种数据信息,并对这些信息进行处理,传送给所需用户。它可以广泛应用于公共安全、生态环保、智能交通、智能家居、实验教学的诸多领域,具有广阔的发展前景。因此,无线传感器网络数据采集系统的研究十分具有意义。本文首先介绍了无线传感器网络的应用前景和研究现状、体系结构和应用支撑技术,TinyOS操作系统及其开发语言nesC。接着分析了DYMO路由协议、FTSP时间同步协议和TDOA算法,设计了邻居发现算法,并将他们应用到数据采集系统。在此基础上,结合无线传感器网络的特点,提出了基于TinyOS的无线传感器网络数据采集系统的设计方案。该系统以Crossbow公司的MIB520和MICAz节点为硬件平台,分别部署在传感器节点—汇聚(Sink)节点—监控终端的三个层次上。其次,文章详细阐述了传感器节点和汇聚节点的软件设计,给出各自的软件体系结构,使用DYMO协议组织网络,实现了传感器节点自组织网络。再次,文章设计和实现了系统的各个数据采集功能,包括温度采集、邻居发现、网络拓扑、声源定位、离线日志,通过监控终端的数据解析软件程序得到监控区域数据信息。最后,搭建测试环境,对系统进行测试与分析,包括各个数据采集功能、网络自愈能力和系统鲁棒性。测试结果表明系统具有测量准确、网络自愈能力和鲁棒性强等优点。同时,系统的数据采集功能扩展性强,可通过增加相关的传感器实现其他采集功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的背景
• 1.2 课题的研究现状
• 1.3 课题的研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 相关理论及技术介绍
• 2.1 无线传感器网络
• 2.1.1 无线传感器网络体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络特点
• 2.1.3 无线传感器网络应用支撑技术
• 2.2 TinyOS操作系统
• 2.2.1 体系结构
• 2.2.2 调度模型
• 2.2.3 内存分配
• 2.2.4 通信机制
• 2.3 程序开发实例
• 2.3.1 nesC语言介绍
• 2.3.2 实例分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 DYMO协议和声源定位算法
• 3.1 DYMO协议分析
• 3.1.1 路由协议框架
• 3.1.2 TYMO分析
• 3.1.3 路由接口
• 3.1.4 数据包接口
• 3.2 声源定位算法
• 3.2.1 FTSP协议分析
• 3.2.2 TDOA定位算法
• 3.3 本章小结
• 第4章 数据采集系统设计与实现
• 4.1 开发环境
• 4.2 数据采集系统总体设计
• 4.2.1 系统设计目标
• 4.2.2 系统硬件方案
• 4.2.3 系统软件架构设计
• 4.2.4 系统通信消息设计
• 4.3 传感器节点软件设计与实现
• 4.3.1 体系结构设计
• 4.3.2 路由层设计与实现
• 4.3.3 中间件层设计与实现
• 4.3.4 应用层设计与实现
• 4.4 汇聚节点软件设计与实现
• 4.4.1 功能描述
• 4.4.2 体系结构设计
• 4.4.3 软件实现
• 4.5 监控终端系统使用
• 4.6 本章小结
• 第5章 数据采集系统测试与分析
• 5.1 测试目标
• 5.2 测试环境
• 5.3 测试过程及结果分析
• 5.3.1 应用功能测试
• 5.3.2 性能测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 课题总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢