基于WSN的环境温度监控系统设计与实现

论文摘要

随着无线通信技术、微计算机技术和传感器技术的发展,无线传感器网络技术的研究已成为IT领域的研究热点。它不仅在环境监测、工业控制、医疗监护等方面有着巨大的应用价值,而且在物流运输和抢险救灾等方面也具有潜在的应用价值。因此基于无线传感器网络的环境温度监控系统的设计与实现既具有巨大的应用价值,也具有重要的学术价值。本文以基于无线传感器网络的环境温度监控系统为应用背景,具体分析了此系统对无线传感器网络协议的要求。通过对比分析,选择了适合于环境监控系统的MAC协议和时间同步协议。本文重点研究了已有的路由协议,并以定向扩散协议为基础,应用其“梯度”的概念,结合传统树型路由,改进得到适合于环境监控系统的路由协议。之后,利用GTK程序对此路由协议进行拓扑结构仿真,并用TinyOS嵌入式操作系统实现了路由协议,MAC协议和时间同步协议。最后根据系统设计的总体方案和要求,设计并实现了上位机监控管理软件,实时显示温度和湿度曲线,并实时绘制网络的拓扑结构图。此监控软件还结合MySQL数据库,存储并查询网络监测中上位机获得的数据。利用已有的节点对提出的协议进行验证表明改进后的路由协议非常适合于监控系统应用,它使无法进行复杂计算和大量存储且能量有限的无线传感器节点以简单易行的方式建立网络、传输数据和维护网络。此外该协议还特别注意能耗问题,采用多种机制避免全网广播和重复数据传输,达到降低网络能耗延长生存期的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的应用
• 1.4 无线传感器网络研究现状
• 1.5 无线传感器网络研究的难点
• 1.6 主要研究内容及论文安排
• 第2章 基于WSN 的环境温度监控系统设计
• 2.1 总体设计方案
• 2.1.1 无线传感器节点的功能要求
• 2.1.2 无线传感器节点程序的要求
• 2.1.3 上位机软件要求
• 2.2 无线传感器节点
• 2.3 MAC 协议
• 2.3.1 隐藏终端和暴露终端问题
• 2.3.2 CSMA/CA 协议
• 2.3.3 随机延时策略
• 2.4 时间同步协议
• 2.5 本章小结
• 第3章 无线传感器网络的路由设计
• 3.1 路由协议概述
• 3.2 经改进的路由协议
• 3.2.1 协议应用背景
• 3.2.2 协议算法
• 3.2.3 协议的可靠性
• 3.2.4 协议在节点上的实现
• 3.3 路由拓扑结构仿真
• 3.3.1 基于RANK 的路由拓扑仿真
• 3.3.2 基于最小损耗的路由拓扑仿真
• 3.3.3 多汇聚节点路由拓扑结构仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 上位机监控软件设计
• 4.1 串口通信程序设计
• 4.1.1 串口通信协议
• 4.1.2 汇聚节点端串口通信
• 4.1.3 PC 机端串口通信
• 4.2 监控界面程序设计
• 4.2.1 界面设计
• 4.2.2 界面程序流程图
• 4.2.3 界面程序实现
• 4.3 上位机数据库程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于WSN 的环境温度监控系统实现
• 5.1 无线传感器节点程序实现
• 5.1.1 TinyOS 和nesC 语言
• 5.1.2 广播消息格式
• 5.1.3 汇聚节点程序实现
• 5.1.4 普通节点程序实现
• 5.2 星型路由监控系统实现
• 5.3 树型路由监控系统实现
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢