基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案

第一篇：基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案

基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案

基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统

解决方案

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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案

目录

1.目前国内烟草仓库环境监测系统现状分析....................................................................3 2.现有仓库环境监测技术现状分析......................................................................................3 3.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的应用...........................................................4 3.1．基于无线传感网烟草仓库环境监测系统简述.......................4 4.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的功能...........................................................5 5.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的优势...........................................................7 6.产品介绍....................................................................................................................................8 6.1物联网网关....................................................8 6.2无线路由单元..................................................9 6.3无线水浸检测器...............................................10 6.4无线温湿度检测器.............................................10 6.5无线烟感探测器...............................................11 6.6无线明火探测器...............................................11 6.7无线门磁传感器...............................................12

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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案

1.目前国内烟草仓库环境监测系统现状分析

目前国内大部分成烟和烟叶仓库还是沿用传统的仓储管理方式，缺乏自动监控设备，只是进行简单的入仓数量管理，以及常规的防霉变、防烟虫处理，对烟叶醇化机理没有足够的认识，使得精选优质烟叶往往在存储过程中品质下降，不能生产出高质量的卷烟成品，带来了不小的因库耗而造成的经济损失。

烟草行业对如何提高卷烟品质进行深入研究后，发现卷烟生产和销售过程中的仓储环境对卷烟品质影响很大，传统烟草仓库环境质量采用人工测量记录，管理人员对仓储环境缺乏有效的监测手段。因此，加强对烟草仓库环境质量监测，降低烟叶库耗，提高烟叶利用率，具有非常重要的实际意义。

2.现有仓库环境监测技术现状分析

目前室内仓库的环境监测系统分为无线监测系统和有线监测系统两种，大多数系统是基于有线监测设备建立起来的。有线监测系统存在的缺点有： 1）.有线监测点的布置需要大量走线，布置方式不灵活，只能在一个固定位置，不能根据需要移动；

2）.监测点数量由于通信布线成本限制而不能大量布置，造成监测力度不够，存在监测数据不能全面反映实际的环境质量的可能，甚至存在监测盲区； 3）.有线监测点线路检查和维护需要大量的人力物力，若多个仓库实现集中管理会极大的增加安装成本，不利于构建大型的远程控制系统。

基于无线传感网技术的仓库环境监测系统具有高扩展性、可靠性、安全灵活、维护简便等优点。

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3.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的应用

3.1．基于无线传感网烟草仓库环境监测系统简述

基于无线传感网烟草仓库环境监测系统结构图，如图所示：

如图1 所示

如图2所示

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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案

如上图所示，烟草仓库环境监测系统有集控中心、物联网网关、路由单元、无线传感器（如温湿度、水浸等）部分组成，烟草仓库环境监测系统采用分级分布式结构，在各工业生产残酷、销售公司卷烟成品仓库、原料基地烟叶仓库分别设置仓库监控子站，通过分布在仓库内的传感器检测和实时数据采集装置将检测数据传送到上一级监控站的监控及数据服务器，根据操作人员的指令或自动设置仓库的空调和通风除湿设备进行远程控制。如图1、2所示，视频监控系统通过有线形式与集控中心进行通讯，仓库环境监测系统通过无线传感器（如：温湿度、水浸等）把环境中的数据信息，通过无线的形式传输给路由单元，路由单元通过数据转发给网关，网关通过以太网传输给集控中心，因此，集控中心通过烟草仓库监测系统能够对仓库内环境信息实时监测，通过视频监控系统对仓库内人员的流动、设备的情况及安全情况，进行实时监控。

烟草仓库环境监测系统24小时自动数据采集，系统可以列表、图形显示监控数据，可自行设置温湿度上下限，超限时数据红字报警，传感器蜂鸣，系统可将监控系统记录下来并保存后的任意时间段、任意种类（如温度或湿度）、任意操作记录以各种形式（word、Excel等）电子文档导出可供使用，并可通用任何打印机将报表或图形打印出来，历史数据安全存储备份。

4.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的功能

（1）保证烟叶的产品质量

在自然状态下，仓库的环境根据气候的变化不能持续满足存储要求，所以需要有效地控制仓库中的温度和湿度，给烟叶存放带来一个安全的环境。在实际生产中，烟叶仓库的人工监管存在许多难以避免的人为因素失误，并且对烟叶堆垛内部的温湿度测量更是难以保证数据的及时、准确和可靠。而烟叶仓库监测系统将温度、湿度传感器布置烟叶堆垛内部和残酷的适宜位置，可以实时测量残酷各处的温度和适度并及时传送给监控室，测量数据能实时显示在监控室的电脑屏幕上，保证监控人员能够全面了解烟叶仓库的情况。一旦某点温度、湿度超过预定设置，系统将迅速向监控人员报警，详细显示库房具体位置的异常温度、湿度变化，并指导烟叶翻垛及通风等生产操作，可以有效预防因温度、湿度变化引起的烟叶变质等各种事件发生。

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（2）有助于研究烟叶自然醇化机理

烟叶仓库环境监测系统采集了烟叶的醇化过程中的第一手环境资料，它有助于合理地掌握自然醇化速度调控，也为研究醇规律和醇化预测模型提供大量信息，可以逐步建立库存烟叶醇化质量信息档案，并根据烟叶醇化质量提出合理的使用建议。

（3）提高生产效率和管理水平

烟草仓库实时监测管理系统跟人工监管相比具有不可比拟的优势，系统实时性好、可靠性高、操作简便，可有效地提高生产效率和管理水平。烟草仓库监测系统数据采样间隔时间短，监测数据既能定时传输夜可随时召唤，布置在烟叶堆垛内的定点监测比人工临时测量更稳定和更准确。烟草仓库实时监测管理系统可以实现自动化生产管理，是烟草行业信息化系统的重要组成部分。

（4）保障生命安全

烟草仓库环境监测系统将已有的气体传感监测装置、防火报警装置和视频防盗装置结合起来，实现监测环境温湿度、检测室内易燃气体、非法闯入报警等系统功能，形成一个全方位的仓库环境安全监测系统，可以有效保障生产安全。

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5.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的优势

1.施工方便：无需接拉数据线，只需要有220V市电或直接使用电池供电，对于扩容和旧有系统改造非常方便。并且组网是自动生成的，不需要人为干预，安装上基本就可以工作。

2.可靠性高：嵌入式与专用低功耗器件、精简的射频电路以及组网的多路径冗余备份，使系统里的设备可以可靠稳定地运行

3.扩展与增容方便：增加新类型和新的节点只需要安装节点本身即可，无须改造数据线/装修/布局等。因为容量高，不需要增加新的网关设备，只增加节点即可

4.零运营成本:单网关的高容量、近乎于零的施工成本、平与增容方便：增加新类型和新的节点只需要安装节点稳的扩容能力，使得项目总体成本远低于传统方案。可以降低用户系统总造价，可以为工程和方案提供商提供更高的效益空间

5.实时监测：实时监测仓库内环境信息，一旦发生变化，集控中心会发出报警同时显示相对应的区域范围。

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6.产品介绍

6.1物联网网关

产品介绍：

安装在仓库内，与安装在仓库内的无线路由单元和无线传感器通讯，将仓库内环境信息（如:温湿度、水浸等）通过以太网上传到集控中心。

产品特性：  20S快速组网

 黑白名单节点认证管理

 支持3G、GPRS、wifi、RJ45上行接口

 支持双信道的无线、RJ45、RS485、RS232下行接口

 内置系统管理WEB Server  双WDN业务信道

 满足7*24小时全天候连续工作

 金属外壳设计，高可靠性与安全性 性能参数：

 频段：433～510MHz  速率：40kbps  传输距离：无遮挡 800米/1700米/2000米以上

 严重遮挡：50米/160米/200米

 组网容量：200～500点

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6.2无线路由单元

产品介绍：

安装在仓库内，负责将仓库内的数据通过无线传输到仓库内的物联网网关上。同时负责将其它较远无法直接进行无线通讯的设备进行无线数据路由的职责，通过多跳将无线数据传输给物联网网关。

产品功能：

 信号覆盖  数据转发  构建子网  多径备份  信道隔离 硬件接口：

 2个天线接口:1个与上级汇聚网关通信，1个与下级传输单元通信  天线接口：标准SMA接口

 4路RS232/RS485接口:可用于接入采集设备  1路RJ45接口

 指示灯：具有“Power”、“组网”、“4个数据收发指示灯“共6个指示灯

 拨码开关：用于设置RS232/RS485接口类型  复位按钮:复位按钮对系统进行恢复默认

性能参数：

 电源：DC 12～24V  天线接头:SMA标准接头  安装方式:壁挂/其他

 工作环境：工作温度-20℃～+70℃，工作湿度 5%～95%（无结露）

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6.3无线水浸检测器

产品介绍：

能够实时在线监测安装位置（场所）是否浸水，并实时的将水浸状态通过物联网路由节点上传到监测系统平台中心，以达到监控告警的目的。应用范围：大量用于通讯基站、宾馆、饭店、精密机房、图书館、仓库以及其他在积水需要报警的场所。

产品特点：

 成本低、高可靠性  易于安裝、操作方便  质量可靠，耐用性高 6.4无线温湿度检测器

产品介绍：

本系列产品可对要求范围内的温、湿度进行测量。采用进口SHT11传感器芯片，传感器性能可靠，使用寿命长，响应速度快，湿度测量的温度范围宽。本产品主要应用领域是针对配套供电环境不便的场合，如通讯机房、办公室、仓库、医院、档案馆、博物馆、制药厂、食品厂等地方进行温湿度监测，实现信号无线远传。

产品特点：

 无线安装，简单方便，测量精度高  网络节点多，测量距离远，抗干扰能力强  低功耗，工作稳定性强，使用时间长

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6.5无线烟感探测器

产品介绍：

是基于无线传感网技术设计可探测空气中烟雾的浓度并发告警音，同时还内置了温度感应器，能检测到空气中的温度，当空气温度高于65℃时提出告警声。除此之外，它还能与警报设备绑定，发出无线触发信号，启动警报器发出警报。

产品特点：

 内置Router温度感应器，具有温度感测功能  与CIE报警设备使用  内建无线开关警报器  紧凑尺寸  备用电池电源  被触发后，指示灯闪烁 6.6无线明火探测器

产品介绍：

无线明火传感器可探测到火焰中的紫外线，并予以警报。它不仅可以通过声音报警，它还装备有C(C/N——N/O)输出——可以满足专业人员的需要。另外，LED记忆能使您从一系列传感器中找到最初报警的传感器。区域调整装置使得预警区域角度更加宽阔，传感器和基座的快速分离使安装和维修变得简单轻松。

技术参数：

 探测系统: 紫外线探测（探测波长185到260nm）

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 探测区域: 长度 33英尺(10米)2.75"(7厘米)面前的打火机火焰  电 源:（10-30）V DC（无正负极） 电 耗:静止时： <25mA  报警时: <75 mA(警铃开)<40 mA(警铃关) LED报警 ： LED(红色)：亮灯延迟10秒。 记忆LED(黄色)：记忆指示时灯亮，电源接通时闪烁。

 报警声（蜂鸣声）: 报警：在延迟10秒内，每0.2秒间歇发声。 音量：80 dB或更高 3.3英尺(1米)(可选择无声设置) 容量： 30V/0.25A  环境温度:-10～+60℃（无凝结） 安装:室内安装（顶棚或墙壁安装） 重量:大约150克（5.25oz）6.7无线门磁传感器

产品介绍：

无线门磁传感器用来监控门的开关状态，当门不管何种原因被打开后，无线门磁传感器立即发射特定的无线电波，远距离向主机报警。无线门磁的无线报警信号在开阔地能传输100米，在一般住宅中能传输50米，和周围的环境密切相关。

产品参数：

 外形尺寸：71x36x15.4毫米  发射功率：30毫瓦  工作电流：10毫安

 工作电压：12V，A23报警器专用电池

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第二篇：无线传感网实验报告

Central South University

无线传感器网络 实验报告

学院:

班级: 学号: 姓名:

时间: 指导老师：

第一章 基础实验

了解环境

1.1 实验目的

安装 IAR 开发环境。CC2530 工程文件创建及配置。源代码创建，编译及下载。1.2 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机

软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境，TI 公司的烧写软件。

1.3 实验内容

1、安装 IAR 集成开发环境

IAR 集成开发环境安装文件所在光盘目录：物联网光盘工具CD-EW8051-7601

2、ZIBGEE 硬件连接

安装完 IAR 和 Smartrf Flash Programmer 之后，按照图所示方式连接各种硬件，将仿真器的 20 芯 JTAG 口连接到 ZX2530A 型 CC2530 节点板上，USB 连接到 PC 机上，RS-232 串口线一端连接 ZX2530A 型 CC2530 节点板，另一端连接 PC 机串口。

3、创建并配置 CC2530 的工程文件 IAR 是一个强大的嵌入式开发平台，支持非常多种类的芯片。IAR 中的每一个 Project，都可以拥有自己的配置，具体包括 Device 类型、堆/栈、Linker、Debugger 等。（1）新建 Workspace 和 Project 首先新建文件夹 ledtest。打开 IAR，选择主菜单 File-> New-> Workspace 建立新的工作区域。

选择 Project-> Create New Project-> Empty Project，点击 OK，把此工程文件保存到文件夹 ledtest 中，命名为：ledtest.ewp（如下图）。

（2）配置 Ledtest 工程

选择菜单 Project->Options...打开如下工程配置对话框

选择项 General Options，配置 Target 如下 Device：CC2530；

（3）Stack/Heap 设置：XDATA stack size：0x1FF

（4）Debugger 设置：

Driver：Texas Instruments（本实验为真机调试，所以选择 TI；若其他程序要使用 IAR仿真器，可选 Simulator）

至此，针对本实验的 IAR 配置基本结束.4、编写程序代码并添加至工程

选择菜单 File->New->File 创建一个文件，选择 File->Save 保存为 main.c 将 main.c 加入到 ledtest 工程，将实验代码输入

然后选择 Project->Rebuild All 编译工程

编译好后，选择 Project->Download and debug 下载并调试程序 下载完后，如果不想调试程序，可点工具栏上的按钮终止调试。

到此，程序已经下载到了 cc2530 芯片的 flash 内，按下 ZX2530A 上的复位按钮可看到程序的运行效果。

LED 实验 2.1 实验目的

通过 I/O 控制小灯闪烁的过程。

在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上运行自己的程序。2.2 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机

软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境。2.3 实验结果

1.正确连接下载线和 ZX2530A 型 CC2530 节点板，打开 ZX2530A 型 CC2530 节点板电源。

2.在文件夹“基础实验2 LED”下打开工程 led,编译工程，并下载到 CC2530 节点板。3.观察 LED 的闪烁情况。

4.修改延时函数，可以改变 LED 小灯的闪烁间隔时间。

5.重新编译，并下载程序到 CC2530 节点板，观察 LED 的闪烁情况。

答：增加延时就会发现小灯闪烁的频率降低了。

串口实验 3.1 实验目的

本次实验将会学习如果使用串口实现与 PC 机的通讯。（实验中需要 PC 机与开发板之间使用RS232 交叉串口连接线）。

能正确配置 CC2530 的串口。3.2 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型底板及 CC2530 节点板一块，USB 接口仿真器，PC 机，交叉串口线一根。

软件：PC 机操作系统 WinXP，IAR 集成开发环境、串口调试助手。3.3 实验结果

CC2530 能与上位机通过串口正常通信

1.正确连接下载线和 ZX2530A 型 CC2530 节点板，用串口线正确连接上位机和 ZX2530A 型板，使能通过串口交换数据。

2.在文件夹“基础实验5 uart”下打开工程 uart,编译工程，并下载到 CC2530 节点板。

3.通过上位机上的串口调试助手，发送数据到 cc2530，然后检查 cc2530 回送给上位机的数据。

3.4 实验总结

通过这次实验，让我对无线传感器网络有了进一步的了解。在无线的世界，感觉一切都是那么神奇，二一切又是那么理所当然，记得小时候常常想，那些无线好神秘，画面，声音等怎么可以从一方到达另一方而可以完全不接触。虽然今天做的实验都是很小很简单的，比起显示中那些绚丽的感觉没什么值得赞扬的，但对于我来说，这个更有魅力，那些绚丽的我是以仰望的视角来对待，而这次我能深入它的原理去真正接触它，以平视来看待它。

第二章 射频实验

点对点射频通信实验 1 实验目的

在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上运行相应实验程序。熟悉通过射频通信的基本方法。练习使用状态机实现收发功能。2 实验内容

接收节点上电后进行初始化，然后通过指令 ISRXON 开启射频接收器，等待接收数据，直到正确接收到数据为止，通过串口打印输出。发送节点上电后和接收节点进行相同的初始化，然后将要发送的数据输出到 TXFIFO 中，再调用指令 ISTXONCCA 通过射频前端发送数据。3 实验设备及工具

硬件：ZX2530A 型 CC2530 节点板 2 块、USB 接口的仿真器，PC 机 Pentium100 以上。

软件：PC 机操作系统 WinXP、IAR 集成开发环境、串口监控程序。4 实验原理

发送节点通过串口接收用户的输入数据然后通过射频模块发送到指定的接收节点，接收节点通过射频模块收到数据后，通过串口发送到 pc 在串口调试助手中显示出来。如果发送节点发送的数据目的地址与接收节点的地址不匹配，接收节点将接收不到数据。以下为发送节点程序流程图：

以下为接收节点流程图： 实验步骤

1.打开光盘“无线射频实验2.点对点通信”双击 p2p.eww 打开本实验工程文件。2.打开 main.c 文件下面对一些定义进行介绍 RF_CHANNEL 此宏定义了无线射频通信时使用的信道，在多个小组同时进行实验是建议每组选择不同时信道。但同一组实验中两个节点需要保证在同一信道，才能正确通信。

PAN_ID 个域网 ID 标示，用来表示不同在网络，在同一实验中，接收和发送节点需要配置为相同的值，否则两个节点将不能正常通信。SEND_ADDR 发送节点的地址 RECV_ADDR 接收节点的地址

NODE_TYPE 节点类型：0 接收节点，1：发送节点，在进行实验时一个节点定义为发送节点用来发送数据，一个定义为接收节点用来接收数据。

3.修改 NODE_TYPE 的值为 0，并编译下载到节点板。此节以下称为接收节点。

4.修改 NODE_TYPE 的值为 1，并编译下载到另外一个节点板。此节点板以下称为发送节点。

5．将接收节点的串口与 pc 的串口相连，并在 pc 端打开串口调试助手，配置波特率为 115200。

6.先将接收节点上电，然后将发送节点上电。7.从串口调试助手观察接收节点收到的数据。

8．修改发送数据的内容，然后编译并下载程序到发送节点，然后从串口调试助手观察收到的数据。9.修改接收节点的地址，然后重新编译并下载程序到接收节点，然后从发送节点发送数据观察接收节点能否正确接收数据。6 实验数据分析及结论

发送节点将数据发送出去后，接收节点接收到数据，并通过串口调试助手打印输出。发送数据的最大长度为 125（加上发送的据长度和校验，实际发送的数据长度为 128 字节）。7 实验心得

这次实验在原来的短距离无线通信中有所涉猎，所以应该这个对于我们来说还是很简单的，所以很快就做完实验了，就和几个同学好好研究了一下它的原理和一些它的展望，感觉这个学科以后有很大的发展前途，作为一个物联网的学生，对无线射频技术应该得很了解，指望它吃饭呢。这次实验也很简单，但是还是可以解除它的最底层的东西可以更加激发我们的兴趣。第三章 ZStack组网实验

多点自组织组网实验 1 实验目的

理解 zigbee 协议及相关知识。

在 ZX2530A 型 CC2530 节点板上实现自组织的组网。在 ZStack 协议栈中实现单播通信。2 实验内容

先启动协调器节点，协调器节点上电后进行组网操作，再启动路由节点和终端节点，路由节点和终端节点上电后进行入网操作，成功入网后周期的将自己的短地址，父节点的短地址，自己的节点 ID 封装成数据包发送给协调器节点，协调器节点接收到数据包后通过串口传给 PC，从 PC 上的串口监控程序查看组网情况。发送数据格式为(16 进制): FF 源节点(16bit)父节点(16bit)节点编号 ID(8bit)例如 FF 4B 00 00 00 01，表示 01 号节点的网络地址为 004B，发送数据到父节点，其网络地址为 00 00(协调器)。3 实验设备及工具

硬件：DZ2530 型 CC2530 节点板、USB 接口的仿真器，PC 机 Pentium100 以上。

软件：PC 机操作系统 WinXP、IAR 集成开发环境、ZTOOL 程序。4 实验原理

程序执行的流程图如图 5-4 所示，在进行一系列的初始化操作后程序就进入事件轮询状态。

对于终端节点，若没有事件发生且定义了编译选项 POWER_SAVING，则节点进入休眠状态。

协调器是 Zigbee 三种设备中最重要的一种。它负责网络的建立，包括信道选择，确定唯一的PAN 地址并把信息向网络中广播，为加入网络的路由器和终端设备分配地址，维护路由表等。Z-Stack 中打开编译选项 ZDO_COORDINATOR，也就是在 IAR 开发环境中选择协调器，然后编译出的文件就能启动协调器。具体工作流程是：操作系统初始化函数 osal_start_system 调用ZDAppInit 初 始 化 函 数，ZDAppInit 调 用 ZDOInitDevice 函 数，ZDOInitDevice 调 用

ZDApp_NetworkInit 函数，在此函数中设置 ZDO_NETWORK_INIT 事件，在 ZDApp_event_loop 任务中对其进行处理。由 第 一 步 先 调 用 ZDO_StartDevice 启动网络中的设备，再调用NLME_NetworkFormationRequest 函数进行组网，这一部分涉及网络层细节，无法看到源代 码，在库中处理。ZDO_NetworkFormationConfirmCB 和 nwk_Status 函数有申请结果的处理。如果成功则 ZDO_NetworkFormationConfirmCB 先执行，不成功则 nwk_Status 先执行。接着，在ZDO_NetworkFormationConfirmCB 函数中会设置 ZDO_NETWORK_START 事件。由于第三步，ZDApp_event_loop 任务中会处理 ZDO_NETWORK_START 事件，调用 ZDApp_NetworkStartEvt 函数，此函数会返回申请的结果。如果不成功能量阈值会按ENERGY_SCAN_INCREMENT 增加，并将App_event_loop 任务中的事件 ID 置为 ZDO_NETWORK_INIT 然后跳回第二步执行；如果成功则设置 ZDO_STATE_CHANGE_EVT 事件让 ZDApp_event_loop 任务处理。对 于 终 端 或 路 由 节 点，调 用 ZDO_StartDevice 后 将 调 用 函 数 NLME_NetworkDiscoveryRequest 进行信道扫描启动发现网络的过程，这一部分涉及网络层 细节，无法看到源代码，在库中处理，NLME_NetworkDiscoveryRequest函数执行的结果将会返回到函数ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB 中，该 函 数 将 会 返 回 选 择 的 网 络，并 设 置 事 件ZDO_NWK_DISC_CNF，在 ZDApp_ProcessOSALMsg 中对该事件进行处理，调用 NLME_JoinRequest加入指定的网络，若加入失败，则重新初始化网络，若加入成功则调用 ZDApp_ProcessNetworkJoin函数设置 ZDO_STATE_CHANGE_EVT，在对该事件的处理过程 中将调用ZDO_UpdateNwkStatus函数，此函数会向用户自定义任务发送事件 ZDO_STATE_CHANGE。本实验在 Zstack 的事例代码 simpleApp 修改而来。首先介绍任务初始化的概念，由于自定义任务需要确定对应的端点和簇等信息，并且将这些信息在 AF 层中注册，所以每个任务都要初始化然后才会进入 OSAL 系统循环。在 Z-Stack 流程图中，上层的初始 化集中在 OSAL 初始化（osal_init_system）函数中。包括了存储空间、定时器、电源管理和 各任务初始化。其中用户任务初始化的流程如下：

用户任务初始化流程图

任务 ID（taskID）的分配是 OSAL 要求的，为后续调用事件函数、定时器函数提供了参数。网络状态在启动的时候需要指定，之后才能触发 ZDO_STATE_CHANGE 事件，确定设备的类型。目的地址分配包括寻址方式，端点号和地址的指定，本实验中数据的发送使用单播方式。之后设置应 用 对 象 的 属 性，这 是 非 常 关 键 的。由 于 涉 及 很 多 参 数，Z-Stack 专 门 设 计 SimpleDescriptionFormat_t 这一结构来方便设置，其中的成员如下： EndPoint，该节点应用的端点，值在 1-240 之间，用来接收数据。AppProfId，该域是确定这个端点支持的应用 profile 标识符，从 Zigbee 联盟获取具体的 标识符。AppNumInClusters，指示这个端点所支持的输入簇的数目。pAppInClusterList，指向输入簇标识符列表的指针。AppNumOutClusters，指示这个端点所支持的输出簇的数目。pAppOutClusterList，指向输出簇标识符列表的指针。

本实验 profile 标识符采用默认设置，输入输出簇设置为相同 MY_PROFILE_ID，设 置完成后，调用 afRegister 函数将应用信息在 AF 层中注册，使设备知晓该应用的存在，初 始化完毕。一旦初始化完成，在进入 OSAL 轮询后 zb_HandleOsalEvent 一有事件被触发，就会得到及时的处理。事件号是一个以宏定义描述的数字。系统事件（SYS_EVENT_MSG）是强制的，其中包括了几个子事件的处理。ZDO_CB_MSG 事件是处理 ZDO 的响应，KEY_CHANGE 事件 处理按键（针对 TI 官方的开发板），AF_DATA_CONFIRM_CMD 则是作为发送一个数据包 后的确认，AF_INCOMING_MSG_CMD是接收到一个数据包会产生的事件，协调器在收到 该事件后调用函数 p2p_test_MessageMSGCB，将接收到的数据通过 HalUARTWrite 向串口 打印输出。ZDO_STATE_CHANGE 和网络状态的改变相关在此事件中若为终端或路由节点 则发送用户自定义的数据帧：FF 源节点短地址(16bit，调用 NLME_GetShortAddr()获得)、父节点短地址(16bit，调用 NLME_GetCoordShortAddr())、节点编号 ID(8bit，为长地址的最低字节，调用 NLME_GetExtAddr()获得，在启动节点前应先用 RFProgrammer 将非 0XFFFFFFFFFFFFFFFF 的长地址写到 CC2530 芯片存放长地址的寄存器中)，协调器不做任何处理，只是等待数据的到来。终端和路由节点在用户自定义的事件 MY_REPORT_EVT中 发 送 数 据 并 启 动 定 时 器 来 触 发 下 一 次 的 MY_REPORT_EVT 事件，实现周期性的发送数据（发送数据的周期由宏定义 REPORT_DELAY 确定）。5 实验步骤

1.打开工程文件夹协议栈实验2.多点自组网ProjectszstackSamplesSimpleAppCC2530DB下的工程文件 SimpleApp.eww。2.选择工程

编译，生成协调器代码，并下载到 ZX2530A 开发板。此节点为协调器节点。3.选择工程

编译，生成终端节点代码，并下载到 ZX2530 开发板。此节点为终端节点。4.选择工程

编译，生成路由器节点代码，并下载到 ZX2530 开发板，此节点为路由器节点。5.用串口线将协调器节点与 pc 连接起来，在 pc 端打开 ZTOOL 程序。(ZTOOL 程序在 zstack 安装后自动安装)6.开启 ZX2530A 型 CC2530 节点板电源。7.在 ZTOOL 程序中观察组网结果。6 实验数据分析及结论

由接收数据的 DebugString 可以看出图中有两个节点加入了网了，其中一个节点的 DEVID 是21，网络地址：4f07，父节点地址是 0 即协调器。另外一个节点的 DEVID 是 11，网络地址：A6F7，父节点地址是 4f07 即上一节点。实验中可以试着改变不同节点的位置，然后通过 ZTOOL 看看组网结果有什么不同。7 实验心得

这次实验感觉比原来的更有趣，可以在手机上看到无线连接的组网，所以和同学们很有兴趣，虽然只有几个分支，但是几个的通信还是可以清晰可见的。同时也让我们看到了大型android手机的模样，以前都是看成品，这次看的是半成品，感觉很有意思。在组网的过程中，遇到了一些问题，刚开始不知道如何解决，就问同学和老师，有的是线的问题，由于实验器材本身的问题，导致一些松动之类的，但最后实验总算是顺利的完成了。在这感谢帮助我的同学和老师。第四章 传感器网络综合实验

Zigbee 节点控制程序设计 1.1 协调器节点工程

SimpleCoordinator 即协调器工程，如下图

协调器的应用功能代码实现文件是 SimpleCoordinator.c 在工程文件夹 App 目录下具体实现可参考源码。按下键盘上的 F7 即个编译协调器工程，编译好之后可将代码下载到协调器节点板。1.2 人体红外传感器节点工程

SimpleInfrared 即人体红外传感器工程，如下图

人体红外传感器节点应用控制代码可参考工程目录 App 下 SimpleInfrared.c 1.3 超声波距离传感器节点工程 SimpleDistanceSensor 即超声波距离传感器工程，如下图

超声波距离传感器节点实现代码可参考工程目录 App 下

SimpleDistanceSensor.c。超声波测距驱动代码请参考 ys-srf05.c 文件。

1.4 湿度传感器节点工程

SimpleHumiditySensor 即湿度传感器节点工程，如下图

湿度传感器应用控制代码可参考工程目录 App 下SimpleHumiditySensor.c 文件，其湿度的测量驱动可参考温湿度传感器驱动 dht11.c 文件

平台控制操作 2.1 启动程序

1）安装好程序后，打开 android 应用程序面板，找到图标 点击进入程序。

2）直接点击登录按钮，进入到系统主界面。第一次进入是系统会自动连接到 zigbee 网关然后去搜索 zigbee 网络，默认的 zigbee 网关地址为本机 IP 地址，即 127.0.0.1。

3）如果你的 zigbee 网关地址不是本机，则需要修改默认网关地址。通过按下系统‘菜单’按键，会出现如下菜单，选择‘设置’菜单，可以设置默认的 zigbee 网关。如下图：

4）设置好网关后，下次启动程序就不用再次设置了。2.2 搜索网络

如果 zigbee 网关设置好，通过菜单选择‘搜索网络’就可以搜索 zigbee 网络了，正常情况下至少会有一个协调器节点，如果程序提示搜索不到网络，请检查你的网络连接和协调器是否正确连接。如果 zigbee 网络上还有其它节点，可以在网络 TOP 图上一起显示出来。如下，是一个zigbee 网络 TOP 图：

图中共有 7 个节点，其中最上面那个是协调器节点，其它为传感器节点，其中地址为 58229的灯光设备带有路由功能，属路由器节点，它下面有两个子节点，分别为人体传感器和温度传感器。2.3 传感器节点操作

通过搜索到的 zigbee 网络 TOP 图，可以了解整个 zigbee 网络的节点分布情况。通过点击屏幕上相应节点的图标可以进入相关节点的控制和监控操作。

下图为温度传感器的监控界面：

其它界面读者可以自行实验，并且去了解。

实验心得

四次实验完成了，虽然不能说自己学到了很多吧，至少对这里面的一些操作有了一定的了解，本科生本来就是为了让我们扩充视角，知道更多的东西。无线传感网络真的感觉很神奇，也很有发展前景，这些高尖端的技术，现在存在一些瓶颈，如果能够突破，对物联天下这个目标将前进了一大步，如果能够把传感器节点造的更节能，更低廉，更小巧，将会实现全球各个地方的实时数据采集，就可以得到更多的信息，为以后生产生活带来巨大的改变。在收集的数据肯定是海量的，将需要其他学科的支撑，一起结合起来，实现真的物物相联。

第三篇：基于无线传感网络的道路照明系统

基于无线传感网络的道路照明系统

杨兵

（徐州建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

摘 要 ：为了实现道路科学照明、绿色照明的关键问题是能够测量和控制到每一盏路灯，无线传感网络是解决这一问题最好的技术之一。选择Freescale公司MC13213芯片，设计了一种嵌入式无线通信模块，使整条道路的每一盏路灯自主联网，接受控制中心的指令，反馈路灯的各种状态，根据环境光强度和时段自动调节照明亮度，在保证道路照明质量和视觉舒适的情况下，节约电能。

关键词 ：无线传感网络 ；道路照明；MC13213；ZigBee技术

中图分类号：TPXXX 文献标识码：A 文章编号：1234-567X(2010)一89—00XX—05

Road Lighting System Based on W ireless Sensor Networks

Yang Bing(Xuzhou Institute of Architectural Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116)Abstract：The ability to measure and control each street—lamp is the key issue to realize road scientific lighting and green lighting．W ireless sensor network is one of the best technologies to solve this problem．MC13213 chip is used to design an embedded wireless communication module in this paper．Each street lamp on the whole road could independent network，receive instruction from control center，send various states feedback of street lamps and automatically adjust lighting levels according to the ambient light intensity．This technology could ensure the quality of road lighting．visual comfort and save energy 20％～30％ ．

Key words：wireless sensor network；road lighting；MC13213；ZigBee technology

0 引言

随着城市经济和规模的发展，各种类型的道路越来越长，机动车数量迅速增加，夜间交通流量也越来越大，道路照明质量直接影响交通安全和城市发展[1-2]。如何提高道路照明质量、降低能耗、实现绿色照明已成为城市照明的关键问题。道路照明的首要任务是在节约公共能源的基础上，提供安全和舒适的照明亮度，达到减少交通事故、提升交通运输效率的目的。由于基础设施的条件有限，目前普遍缺少路灯级的通信链路，路灯控制方式一般只能对整条道路统一控制，无法控制到每一盏灯[3]。本文基于无线传感网络，设计了一种嵌入式无线通信模块，实现了每盏路灯的无线自主组网，使每一盏路灯都能遥测和遥控，并达到路灯的亮度(或照度)在 30％～100％无级可调，可根据环境光强度和时段，在保证道路照明质量、辨认可靠且视觉舒适的情况下，节约电能 20％～30％。系统结构

基于无线传感网络道路照明系统的结构如图 1所示，通过在每盏路灯嵌入一个无线通信模块，使它们自组网络，接受控制中心的命令并将路灯的状态反馈给控制中心；HG-2控制箱采用ZigBee技术与所管辖道路的所有路灯通信，采用GPRS与控制中心通信，根据控制中心的指令或时间和照亮度对每盏路灯发出控制命令[路灯开启、关闭、照明度(功率大小)等]，自动调节整条道路的功率平衡；控制中心由服务器、大屏显示、Center View中央控制系统软件平台等组成，Center View中央控制系统软件平台采用3D设计，通过缩放变换以俯视的角度观察和控制整个城市、一个街道、一条道路甚至一盏路灯的照明情况；移动计算工具(笔记本电脑、PDA、手机)和路灯维护车也能通过控制中心进行远程遥测和遥控。无线通信模块

无线通信模块的MCU为Freesclae公司MC13213，MC13213采用SiP技术在9mm×9ram的LGA封装内集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射频收发器。MC13213拥有4kB的RAM、60kB的FLASH，具有1个串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)、2个异步串行通信接口SCI(Serial Communications Interface)、1个键盘中断模KBI(Keyboard Interrupt)、2个定时器／脉宽调制模块TPM(Timer／PWM)、1个8通道10位的模数转换器ADC(Analog／Digital Converter)以及多达32个的GPIO口等，如图2所示。

无线通信模块采用ZigBee技术、IEEE 802．15．4协议，通信覆盖半径可达150m，能与在其覆盖范围内的任何路灯节点自组网络及进行通信。除了实现路灯的物物相联以外，还可调节电子镇流器的功率输出(30％～100％)，实现节能和绿色照明，检测供电线路的电流、电压、功率因数以及每一盏灯的工作状态，当发生故障(如灯具损坏、灯杆撞击、人为破坏)时实时向监控中心和相关部门报警等。无线通信模块还进行了防雨、防潮、防雷电、防电磁干扰设计，并充分考虑了安装方便、维护简单和可恢复性(接入两根线就实现了路灯级的无线控制，拆除两根线又恢复到原来的状态)，可以嵌入在路灯的不同位置(灯杆底部、灯杆内、灯罩内)。控制中心软件设计

控制中心的软件设计平台为Windows 2003，开发工具是微软Visual Studio6．0，数据库使用SQL Server 2005，与地理信息系统相结合，在获取了街道、建筑物以及路灯的位置、形状等特征信息后，设计以路灯为主体的3维虚拟城市，在控制中心大屏幕上动态显示道路的照明效果，并可以通过平移、放大、缩小等几何变换，观察整个城市、街道甚至每一盏路灯的照明情况。该软件主要有5个功能模块：系统设置、智能控制、电量核算、故障处理和紧急预案。系统设置中的区域设置有市、区、街道和电控箱4种；路灯设置有路灯的位置、型号、生产单位、施工单位、维护责任人、安装日期、清洗维护日期等；亮灯方式设置有全开、全关、单号路灯开、单号路灯关、双号路灯开、双号路灯关、1／3路灯开、1／3路灯关、1／4路灯开、1／4路灯关、智能控制等11种控制方式；时段设置可根据不同的城市不同的季节设置不同时段的亮灯方式。智能控制有两方面内容：①针对安装了电 子型路灯的路段，根据季节变化和天气状况，通过实时采样环境光强度，对路灯的照明亮度进行智能调节 ；② 在夜间，特别是深夜当检测到汽车和行人的流量十分稀少时，在不影响辨认可靠的情况下，适当降低道路的照明亮度，节约电耗。电量核算能对市、区、街道、电控箱甚至每盏路灯进行用电量的统计和核算。故障处理是对灯具损坏、断电、断相、过流、过压、三相不平衡以及人为破坏等情况，在第一时间向监控中心报警后迅速生成故障报告；故障处理的另一个功能是按路段和时段(年、季度、月)统计亮灯率、故障率、每次故障处理的效率

(平均修理时间)。紧急预案是对一些突发事件制定紧急预案，在特殊情况下，尽可能提供合适的道路照明，保证人民生命财产的安全。图3是控制中心软件的运行界面之一。实际应用

无线传感网络的道路照明系统自2009年5月以来在某国家级工业园区进行了安装和测试，安装环境为同一条道路两边的各100盏路灯，道路左边的100盏路灯采用无线传感智能控制，共增加成本8250．00元人民币，道路右边的100盏路灯采用常规的控制方式(半夜后单双号间隔开灯)，测试结果如附表所示。

从附表中可以看出，采用无线传感网络的智能控制，100盏路灯在9l天中节约电能4506度，在产品投人的半年内就可以收回全部投资。使电耗降低的因素有以下几个方面：① 开启关闭时间的调整，道路右边的路灯控制方式是根据季节设定开闭时问(定时控制)并且是全功率开全功率闭(深夜半功率)；道路左边的路灯控制方式是环境光强度和季节自动控制开闭时间，开启时，由于路面上尚有较强的环境光，路灯以补光的方式工作，逐渐增加照明强度，路灯关闭控制类似。② 由于深夜时居民用电负荷减少，低压电网电压升高，常规控制方式

下的路灯(道路右边)异常明亮、眩目，往往造成过度照明，不仅大大增加耗电，同时也导致灯具、电器实际使用寿命迅速下降，大量增加维护量和维护费用；深夜控制模式(道路左边)，采用降功率照明，不但降低耗电，还能改善道路照明质量和视觉舒适度，延长灯具、电器的实际使用寿命。③ 道路照明的智能控制，对学校、居民密集的小区、道路转弯处、事故多发地带等特殊路段，适当提高照明亮度，其余路段则适当降低照明亮度。结 论

先进的道路照明不但可以提升城市的形象、提高交通运输效率、减少交通事故，还能节约大量的公共电能消耗。但对于大多数城市来说，由于缺少必需的基础设施(路灯级的通信链路)，无法实现先进控制方法。无线传感网络(物联网)的出现和应用，有效地解决了以上问题。本文基于无线传感网络，选择Freescale公司的MC13213芯片，设计了一种嵌入式无线通信模块，使整条道路的每一盏路灯自主联网，实现了路灯的遥测、遥控，对节约公共资源，建设数字化和节约型城市有较高的实际应用价值。

参 考 文 献

[1]杨春宇，胡英奎，陈仲林．用中间视觉理论研究道路照明节能[J]．照明工程学报，2008，19(4)：44—47． [2]张惠玲，王晓雯．城市道路照明设置与节能探讨[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2007，26(10)：lO6—109 [3]卢秀和，王 琪，陈 军，等．城市照明智能调光方法的研究[J]．电力电子技术，2007，41(10)：34—36．

第四篇：工地环境监测系统——智慧工地解决方案

环境监测系统

需求分析

建筑工地遍地开花，扬尘和噪声得不到有效控制，在施工过程中由于施工运输人员/设备粘带泥土、建筑材料逸散以及施工机械等造成扬尘和噪声污染极其严重，已经成为影响城市空气质量的主要原因之一，甚至影响周围居民的正常生活，也是政府监管部门的亟待解决的民生问题。

因施工过程中产生的扬尘和噪声污染，一直是施工工地与附近居民最主要纠纷问题，也是环境监管部门比较关注的部分。为了有效监控建筑工地扬尘污染和噪声，接受市民的监督和投诉，共建绿色环保建筑工地，有必要进行建设工程环境自动监控系统，体现政府监管单位和相关企业的社会责任。

系统设计

工地环境监测系统对建筑工地固定监测点的扬尘、噪声、气象参数等环境监测数据的采集、存储、加工和统计分析，监测数据和视频图像通过有线或无线（3G/4G）方式进行传输到后端平台。该系统能够帮助监督部门及时准确的掌握建筑工地的环境质量状况和工程施工过程对环境的影响程度。满足建筑施工行业环保统计的要求，为建筑施工行业的污染控制、污染治理、生态保护提供环境信息支持和管理决策依据。

系统拓扑图

系统设备组成

系统框架设计图

系统组成

本系统是由噪声实时监控系统、扬尘实时监控系统、视频叠加系统、数据采集/传输/处理系统、信息监控平台和客户终端等部分组成的集数据采集、信号传输、后台数据处理、终端数据呈现等功能为一体的城市环境监测系统。

噪声实时监控系统：

提供全天候户外传声器单元，对传感器的户外监测安全和数据准确性提供可靠保障；

扬尘实时监控系统： 对扬尘进行连续自动监测，扬尘每分钟采集一次数据，并实时上传至服务器供后台程序统计和分析。扬尘监测包括PM10和PM2.5两个参数，并同时实时上传个数据中心和监控平台；

报警及控制系统：

本噪声扬尘监测系统具有噪声、扬尘超标现场输出功能，用这些超标信号可以控制警示设备和治理设备的控制；警示设备如报警灯、治理设备如降尘设备雾炮；

数据采集、传输、处理系统：

采集、存储各种监测数据，并按后台服务器指令定时向后台服务器传输监测数据和设备工作状态。

对所收取的监测数据进行判别、检查和存储；对采集的监测数据按照统计要求进行统计分析处理。

信息监控平台

提供基于Web的管理系统，在线显示各前端污染源的实时扬尘和气象参数数据，实现对实时监测仪的参数调控，实现对历史监测数据的统计分析，实现在线数据下载、图像查询等功能。并具有污染物超标报警功能，权限管理功能，可向不同层面的管理者展示所需的信息。

客户终端：

客户终端支持采用智能移动平台（如智能手机、平板电脑）、桌面 PC 机、网络电视等各种能接入公网的设备。

功能介绍

✨采集存储：具有采集、存储和传输模块，用于扬尘噪声监测系统的控制、数据记录及传输；

✨数据传输：支持移动公网（中国移动、中国联通）传输数据；

系统特点

系统基于B/S架构，适应于多种操作系统下的使用；  采用TCP/IP协议，具有完美兼容性能；  测量参数可选：PM2.5/PM10/TSP  支持第三方平台提取数据（环保平台、建委平台、城管平台）；  支持气象参数（温度、湿度、风速、风向、大气压）扩展接入；

 支持AQI(CO、NO2、SO2、03、TVOC)监测，实现环境全面监控；  支持治理设备接入(喷淋、雾炮)；

 支持高亮LED屏接入,现场实时查看噪声PM2.5、PM10、气象等数据; 当现场出现PM10、PM2.5等颗粒物超标后，管理人员可通过手动、定时方式进行现场的喷淋作业，提高工地的施工环境。我们仅提供喷淋控制器，可对接雾炮喷淋、塔吊喷淋、墙面喷淋等多种喷淋设备，支持平台的远程操控。

应用效果

1.针对降尘喷淋：

在施工过程中，由于管理措施不完善，一些工地粗放式施工。如料堆遮挡不够完整、严密，造成容易起尘的物料、渣土外逸；不能及时清理建筑垃圾、渣土等；施工现场的路面不能及时清扫、出入工地的机动车不能及时清洗等等，均易产生建筑扬尘。

2.针对自动控制：

 APP手动控制

管理人员无需到现场便可开启设备喷淋，避免人工处理；

定时控制

项目方可根据施工周期及施工环境来配置定时喷淋，比如在闷热的夏天上班前喷淋5分钟，提高空气湿润度，提升施工环境；

与扬尘噪音联动

当检测到颗粒物超标后系统自动喷淋，实现自主的降尘作业，提高施工环境。



第五篇：无线传感网外文翻译

无线传感网络

1、简介

无线传感器网络是由一些节点组织成的一个相互协作的网络。每个节点都具有处理能力（有一个或多个微控制器，CPU或DSP芯片），还可包括多种类类型的存储器（程序，数据和闪存），一个射频收发器（能常是用一个全方位的定向天线），电源（如电池和太阳能电池），和各种传感器、执行器。这些节点被部署在一个特定的环境中后，它们通常通过自组织的形式，实现无线通信。可以预见，由数千个甚至上万个这样的节点组成的系统将会出现，并将改变我们的生活和工作方式。

当前，无线传感器网络的部署步伐正在加快。这是很合理的期望：10-15年内，能够通过互联网访问的无线传感器网络将覆盖整个世界。这可以被视为互联网变成了一个物理网络。这一新技术令人兴奋，在许多领域都具有无限潜力，包括医疗，军事，交通，娱乐，危机管理，国土防御和智能空间等。

由于无线传感器网络是一种分布式实时系统，一个自然的问题是，有多少已有的分布式和实时系统解决方案可用于这一些新的系统？不幸的是，很少先前的成果可以应用，因此在系统的所有领域都需要新的解决方案，主要的原因是，以先前的工作为基础的假设发生了巨大变化。过去的分布式系统研究的假设是：系统是有线的，电源是无限的，非实时的，有用户界面（如屏幕和鼠标），有一组固定的资源，将系统中的节点看得很重要，并且是与位置无关的。相比之下，无线传感系统是有线的，电源也比较稀缺，实时的，使用传感器和执行器作为接口，拥有的资源也会动态改变，总体行为很重要，位置信息也很关键。许多无线传感器网络还使用了最低端的设备，这进一步的限制了对过去方案的重用。

本章概述了无线传感器网络的一些关键领域和无线传感网络的研究情况。在介绍过程中，我们使用工作中的具体例子来展示发展的状态并显示这些解决方案与分布式系统的解决方案的不同之处。特别地，我们讨论了MAC层（第2节），路由（第3节），节点定位（第4节），时钟同步（第5节），和电源管理（第6节）。为了展示这一技术的整体状况，我们又简单的讨论了两个当前的系统。在第8节中，我们做了总结。

2、MAC 介质访问控制协议（MAC）通过共用信道协调行动。最常见的解决方案是基于冲突的。一个普通的基于冲突的策略是，让一个节点传输信息来探测信道是否忙，如果不忙则传输该信息，忙则等待并且稍后再次尝试。发生冲突后，节点会等待一段随机的时间，避免再次冲突。许多无线介质访问控制协议也有休眠模式，进入休眠模式后，在一个给定的时间内，节点不再传输和接收数据包，以节省能源。还有许多以些此机制为基础的变化形式。 作者：John A.Stankovic Department of Computer Science University of Vaginal.出处：WDS'08 Proceedings of Contributed Papers, Part III, 19–23, 2008.一般来说，大多数MAC协议都是对一般情况，或者特殊通信模式和工作负荷，而进行的优化。然而，一个无线传输网络具有更多的集中的要求，包括：本地的单播和广播，通信通常是从节点到基站（sink）的（大多数通信因此是朝一个方向的），通信具有周期性和间歇性，并且作为一个主要因素必须考虑能量的消耗。一个有效的无线传感网络的MAC协议必须消耗的能量少，避免冲突，实现所需代码和内存少，能有效的为一应用程序所用，能适应不断变化的无线电频率和网络条件。

基中一个比较好的无线传感网络的MAC的例子是 B-MAC，它是高度可配置的，并且能用很少的代码量和内存量实现。它还有一个接口，允许你选择各种功能，仅当那些功能为某一应用程序特需的时候。B-MAC协议包括四个主要部部分：空闲信道评估（CCA），包重传，链路层的确认，低功耗的监听。当信道空闲时，B-MAC的CCA用一个加权的变化的样本平均值来评估背景噪音，以能更好检测有有效数据包和冲突。包重传时间是可配置的，通常从一个线性范围值中选取，而典型的其他分布式系统使用的是一个指数重传策略。对于典型的在无线传感器网络中发现的通信模式而言，这将减少延迟和工作量。B-MAC也支持一个包一个包的链路层确认机制。这样仅仅重要的包需要消耗额外的代价。低功耗监听机制用于周期性苏醒和休眠的节点中。当苏醒时，它监听一段足够长的时间来评估是否需要继续保持醒的状态，或者转回到休眠模式。该方案节约了大量的能量。许多MAC协议使用请求发送（RTS）和清除发送（CTS）的交互方式。在选定的数据包数量级比较大的网状网络中（1000字节），这个效果很好。然而，当包的大小很小时，为建立一个包的传输所需RTS-CTS开销将变得不可接受，因此，不能用RTS-CTS 策略。

最近，已出现一些支持多信道无线传感网络的的研究工作。在这些系统中，扩展MAC协议为多信道MAC协议是必要的。其中的一个协议就是MMSN[36]。这些协议必须支持像B-MAC协议样的协议的所有特征，但是也必须为每一次传输确定频率。因此，多频MAC协议分为两个阶段：信道分配和访问控制。MMSN的细节是相当复杂的，在此没有做过多的描述。另一方面，我们期望未来有更多的无线传感器网络采用多信道（频率）。MAC协议的优点包括提供了更大的包吞吐量，甚至在由竞争网络和商业设备像移动电话和微波炉引起的频谱拥挤的情况下也能传输。

3、路由

多跳路由是无线传感网络所需的关键服务。下因为如此，出现了大量的这方面原工作。互联网和移动自组网（MANET）路由技术，在无线传感器网络中，不能出色发挥。互联网路由假定具有高可靠的有线连接，因此包错误是很少的；在无线传感器网络中这点不成立。许多MANET路由解决方案依赖于相邻点间的对称的联系（例如，如果节点A可以可靠的到达节点B，则B可以到达A。这些差异使得新的解决方案的发明和部署很必要。

对于以自组形式部署的无线传感器网络，路由策略往往从发现邻居节点开始。节

点巡回发送信息（包）并且建立本立路由表。这些表包括了相邻节点的ID和位置的最少信息。这意味着节点必须先于节点发现之前，知道它们的地理信息。在这些表中的其他典型信息包括节点的剩余能量，能过这个节点的延迟，链路的质量评介。

一旦表在在，在大多数路由算法中，信息从源位置传导到目标地址，都是基于几何坐标，而不是ID。一个典型的像这样工作的路由算法就是GF(Geograpic Forwarding)。

在GF中，一个节点知晓它的位置，并且正在被路由的信息包含了目标地址。此节点然后，通过几何的距离公式，计算哪一个相邻节点与目标节点最靠近。它就将这信息传输到下一跳。在各种GF的变体中，节点也可以考虑延迟，链接的可靠性和剩余的能量。

其他重要的无线传感网络的路由范例是定向扩散[11]。该路由方案集成了路由，查询和数据汇总。此处，散发一个查询来询问对远程节点来的数据的兴趣。拥用适合于被请求的数据的节点就回复以一属性值对。此属性值对，基于梯度，向着请求者的方向延伸，它随着请求的发送和回应而建立和更新。沿着从源到目标的路径，数据可以被聚合，以减少通信量。数据也可以经过多条路径以增加路由的稳健性。

除了刚才展示的的无线传感网络路由的基本的特性外，还有许多关键问题包括：  可靠性

 与唤醒/睡眠计划的整合  单播，组播和任播语义  实时  移动性  空洞  安全性和  拥塞

可靠性：由于信息要的传输要经过多跳，各个链接的高可靠性就显得得重要，否则信息传过整个网络的可能性将令人无法接受的低。为了确保链接的可靠性，使用一些指标做了许多重要的工作，像接收信号强度，基于错误的链接质量指标，包投递率等。重要的经验证据表明，包投递率是最好的度量，但是获取这一数据代价是昂贵的。实证数据也表明许多在无线传感器网络中的链接是不对称的，也就是说，节点A可以成功传递一条信息到节点B，反向的从B到A的链接可能不可用。非对称的链接是导致MANET路由算法像DSR和AODV不能很好的用于WSN的原因，因为这些协议从源向目的地发送一条询问信息，然后利用反向的路径获取确认信息。反向路径，由于WSN中的不对称性发生率很高，不太可靠。

与唤醒/睡眠的整合：为了节约能量，许多WSN将点置入睡眠状态。显然，一个醒着的节点里应当选择一个睡眠状态的节点作为它的下一跳（除非它先唤醒该节点）。

单播，组播和任播语义：正如上面提到的，在大多数情况下一个WSN将一条信息路由到一个地理的目的地。当它到达目的的，会发生什么呢？有几种可能性。首先，此信息也包括一个特定单播节点作为目标，或者语义也可能是一个最接近地理终点的节点会成为单播节点。第二，语义可能是，在一个目标地址周围区域中的所有节点都接受到这一信息，这是一区域多播。第三，在目标区域中的任何节点都接受信息，称为任播。SPEED[5]协议就支持这三种语义。也常有洪泛（多播）到整个网络的需要。存在许多高效的洪泛路由策略。

时实性：对于一些应用程序，信息必须在一定期限到达目的地。由于在WSN中存在高度不稳定性，要开发一个总是有保证的路由算法很困难。许多协议如SPEED和RAP用了一个速度的概念来将包传输进行优先次序的化分。速度是一个很好的度量标准，它联合了时间期限和一条信息必须传输的距离。

移动性：路由将会变得复杂，如果信息源和目的都在移动的话。解决方法包括更新本地相邻路由表或者确定代理接点，由它负责跟踪节点所在位置。一给定节点的代理节点也可能改变，当一个节点越来越远离它的初如位置时。

空洞：因为WSN节点传输范围有限，对于一些节点，在路由路径上，在一条信息应该经过的方向上，没有转发节点。像GPSR这样的协议，通过选择一些不在正确方向的节点，以图找到一条绕过空洞的路径，解决了这一问题。

安全性：如果对手存在，他们可以干各种各样的对路由算法的攻击，包括选择性转发，黑洞，重播，虫洞和拒绝服务攻击。不幸的是，几乎所有的路由算法都忽略了安全性并且很容易 受到这些攻击。像SPINS这样的协议开始解决安全路由的问题。

拥塞：今天，许多WSN通信具有周期性或很少通信。拥塞似乎不是一个问题对于这样的网络来说。然而，拥塞对于有更多要求的WSN来说将会成为问题，对于一些处理音频，视频和处理多个基站的大系统来说，这一问题更加突出。甚至在只有一个基站的系统中，在基站附近的拥塞也会是一个严重的问题，因为所以的通信聚集于基站。解决方案使用背压力，减少源节点传输率，扔掉不太重要的信息，并能过调度避免尽可能多的冲突，它们只会加剧拥塞问题。

4、节点定位

节定定位是确定在系统中的每个节点的地理位置的问题。定位问题对于WSN来说是必须解决的，最基本、最困难的问题之一。区域是许多参数和要求的函数，使得它非常的复杂。例如，要考虑的问题包括：额外的定位硬件的成本，信标（自己自己位置的节点）存在吗，如果在在的话，有多少个，它他的通信范围是多大，需要的定位精度是多少，系统是室内的还是室外的，节点之间是否有视线，它是一个二维的、还是三位的定位问题，能量预算是怎样的（信息数量），需要多长时间来定位，时钟是同步的吗，系统处在友好还是敌对区域，有什么错误的假设正在作出，系统对象是否受到安全攻击。

针对某些要求和问题的难题可轻易的解决。如果成本和外形尺寸不是主要的问题并且米级别的精度是可接受的，那么对于户外系统，节点装备上GPS就可以解决问题。如果系统需要一次一个节点的手动方式部署，那么一个由部署者携带的简单GPS节点能够定位每一个节点，依次地，能过一被叫做步行GPS的方案（Walking GPS）。尽管简单，这一方案很精巧，在对每一个节点的定位中避免了手动操作。

许多其他的在WSN中的定位方案要么是基于范围，要么与范围无关。基于范围的机制利用各种技术首先确定节点之间的距离（范围），然后利用几何定理计算位置。为了测定距离，需要采用额外的硬件，比如用来侦测声波和无线电波到达的时间差异。此差异可以被转换为距离的度量。在范围无关的机制中，距离不是直接测定的，但是我们使用跳数。一旦跳数被确定了，节点之间的距离可通过每跳平均距离来估计，然后利用几何定律被来计算位置。范围无关的方案没有基于范围的方案精确，并且常需要更多的信息。然而它们不要求每个节点具备额外的硬件。

几个早期的定位方法包括Centroid[1]和APIT[6]。每一个这类方法解决了基于特定建设的某一定位问题。两个最近有趣的方法是SpotLight和Radio Interferometric Geolocation [20]。聚光灯将许多的定位代码和开销移到中心的一个激光设备上。Spotlight需要光线和时钟同步不。Radio interferometric geolocation 使用一种新奇的网内处理技术，它依靠节点同时发出频率稍微不同的无线电波来完成。这一方案是针对一些部署中的多路问题的，要求许多信息。当前这两种方法都提供了高达厘米级的精度。

5时钟同步

在一个WSN中，每个节点的时钟在一个小的量内应当相同，并且保持下去。由于时钟随着时间漂移，他们必须周期性地重新财步，并且在某些情况下，需要非常高的精确度时，在同步期间对时钟漂移的计数很重要。

时钟同步由于很多原因是很重要的。当一个事件在WSN中发生时，知道它在哪里，什么时间发生是很必要的。时钟也常用于许多系统和应用程序任务。例如，睡眠/苏醒的安排，一些定位算法，传感器融合就是一些需要依靠时钟同步的服务。应用程序像追踪和计算速度也要依靠同步时钟。

用于时钟同步和互联网的的NTP协议对于WSN来说开销太大了。每个节点内置GPS成本又太昂贵了。已经开发的用于WSN的典型时钟同步协议有RBS和FTSP[19]。

在RBS中，一个参考的时间消息被广播到相邻节点。当消息接受到时，接受器记录下这一时间。节点之间交换它们记录的时间并且调整它们的时钟以达到同步。此协议遭受非发射端非确定性，因为时间戳仅在接受端。精确度大约只有30微秒一跳。它不适用于多跳系统，但是可以被扩展。

在TPSN中，为整个网络生成了一棵生成树。该方案假设生成树中的所有链接是对称的。然后从树根开始，沿着树的边进行成对的同步。因为不像在RBS中有广播存

在，TPSN是代价昂贵的。此协议一个关键属性是时间戳被插入到MAC层的传出讯息中，因此减少了非确定性。精确度可达17微秒的范围。

在FTSP中，有无线电层的时间戳，倾斜补偿，线性回归，定期洪泛，来确保这一协议的稳健性，适应拓扑结构的变化。传输和接收信息都在无线电层带上了时间戳，差距用于计算和调整时钟偏移。精确度在1-2微秒范围。

在使用时钟同步协议时，需要注意的是：选择同步的频率，确定在时钟同步期间，时钟漂移是否必须。如何处理多跳/网络问题，并尽量减少能源开销和增加的网络拥塞。

6、电源管理

许多用于WSN的设备像Mica2和MicaZ要两节AA电池带动。根据节点的不同活动级别，如果没有电源管理策略，它的寿命可能只有几天。由于大多数系统需要更长的寿命，许多重大的研究可以保证，在满足基本需求的情况下，使用时间。

在硬件层面上，可以增加太阳能电池或者使用清洁的动能和风能。电池能力也在不断提高。如果外形大小不成为问题，则可以增加更多的电池。低电源电路和微控制器也在逐渐进步。许多硬件平台让设备的各个部分（每个传感器，发送器，微处理器）具有多个省电状态（关闭，闲置，开启）。通过这种方法，仅在某个时间需要的组件才开启。

在软件层面上，电源管理解决方案的目标：（1）由于传输信息和监听信息很耗能量，尽量减少通信（2）对节点或节点的组成部分建立睡眠/唤醒机制

最小化通信信息量是一个综合问题。例如，有一个好的MAC协议，就会减少冲突和重发。有一个好的路由算法，短路径和拥塞的避免或减少就可以实现，并且也可最小化发送信息的量。若能高效的找到相邻节点，则时间同步，定位，广播的查询和洪泛都能减少信息量，从而增加使用寿命。

对于如何安排睡眠/唤醒模式的方法，存在很大的差异。许多解决方案试图让醒着的节点（被称为哨兵）数量最少，为了阻止所有节点睡眠，必须确保所需的感知覆盖范围。为了平衡各节点能量消耗，周期性地执行一个论换机制，选出新的哨兵参加下一个时间段。另一个常用技术是让各节点以一定占空比的形式工作。例如，让一个节点一秒内保持清醒状态200微秒，则它的占空比为20%。占空比的选择取决于应用程序的要求，但最终的结果通常是极大地节省了能源。请注意，占空比法和哨兵法可能联全起来应用，如在军事侦察系统VigilNet[7][9]中，就是这样。

7、应用程序和系统

为了展示WSN的能力，我们举了两个应用程序和与此相关的系统的例子。7.1监视和跟踪

VigiNet系统是一个用于军事侦察的长期实时无线传感器网络。它的主要目标是：在敌对区，当感兴趣的事件发生时，警告军事指挥部和控制单元。感兴趣的事件包括：

人的出现，带武器的人员出现，大型和小型交通工具经过。成功的探测，跟踪和分类要求应用程序以可接受的精度和准确度，获取目标的位置。当信息被成功获取后，在一个可接受的延迟期内，将它报告给无远程的基站。VigilNet是一个自我组织运行的传感器网络（有超过200个XSM微尘节点），它提供了以绊线为基础的监视功能，通过以哨兵为基础的电源管理机制来达到3到6个月的寿命长度。绊线也是仅在需要时才激活外部的传感器（在正常Vigilnet系统之外），如红外摄像机，这也增加了寿命。

图1.1提供了该系统的架构概况，基中有三种组件：1）应用程序组件，2）中间件组件，和3）TinyOS系统组件。应用程序组件为监视目的而设计，包换1）一个基于实体的跟踪组件，2）分类组件，它提供了四种目标的区分，3）速度计算，它人提供目标速度和方向的估计，4）错误警报过滤，它可区分真、假目标。

中间件组件被设计来使独立于应用程序。时间同步，定位和路由组成了低级组件，它们形成了实现更高级中级间服务，像聚合和电源管理的基础。时间同步和定位对于一个监视系统是很重要的，因为协同检测和追踪进程依赖于多个节点发送的追踪报道之间的时空联系。

时间同步模块负责本地节点时钟和基站时钟的同步。定位模块负责确保每个节点能找到它自己的位置。配置模块负责动态配置系统，当系统要求改变时。非对称测试模块设计来协助路由模块来选择高质量的通信链路。无线电唤醒模块用于警告非哨兵节点，当重大事件发生时。电源管理和协作检测是由VigilNet提供的两个关键的高级别服务。哨兵服务和绊线管理负责电源管理，而组管理模块负责事件的联合探测和追踪。哨兵和绊线服务通过选择节点的一部分（它们被定义为哨兵）来监视事件，从而达到省电的目的。其他剩余的节点可以处于低耗电状态，至到一个事件发生。当一个事件发生时，哨兵唤醒事件区域中的其它节点，同时组管理组件动态地将节点组织成组，以实现协同跟踪。这两要组件也一起负责跟踪能量消耗相关的事件。

VigiNet系统的架构建立在TinyOS基础上。TinyOs是一个事件驱动的计算模块。针对特定节点平台，用NesC写成的。TinyOs提供了一个必要的组件集合，像硬件驱动，一个调度机制和基本的通信协议。这些组件为VigiNet模块提供了低层支持，它们也是用NesC语言写的。TinyOS的组件和VigiNet的应用程序先被NESC编译器处理成一个可执行程序，它可以在XSM（和MICA2）节点平台上运行（在VigelNett系统中）。

图1.1 VigilNet系统架构

8、总结

这一章讨论了WSN的相关问题和MAC层、路由、定位、时钟同步、电源管理的实际例子。为什么这些解决方案与过去的网络解决方案如此的不同。还对当前的两个WSN系统进行了简单的描述：一个军事监视、跟踪和分类系统，一个辅助生活设施系统。

尽管这些问题是WSN的关键问题，还有许多重要的话题在本章中无谈到。例如安全和隐私对这些系统来说是很关键的功能。编程抽象和WSN的语言也是一个很活跃的研究领域。一些重大的研究在收集关于WSN性能的实证数据。这些数据对于提高模块和解决方案很关键。调试工具和WSN管理工具也开始出现。

传感器网络研究产生的新技术正在应用到许多实际项目中。未来将会看到这些技术的加速应用。

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