用于环境监测的无线传感器网络节点及网络关键技术

摘要

随着低功耗无线通信技术、嵌入式计算技术、传感技术及集成电路技术的飞速发展和日益成熟，使得大量的、低成本的小型或微型传感器节点通过链路自组织成无线传感器网络成为现实。所谓无线传感器网络(Wireless sensor networks)就是由部署在监测区域内大量的廉价小型或微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络能够获取客观物理信息，是信息技术的一个新领域，在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域具有广阔的应用前景。 无线传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用要求下需要配套不同的硬件平台和软件系统。本文以核化工业泄漏区域、战时或平时核化污染区域的生态环境、气象环境和地表环境等环境监测为应用背景，以温度、湿度和大气压三个参数为检测参量，结合传感技术、无线通信技术、传输技术、嵌入式计算技术及软件编程技术，开发了无线传感器网络环境监测系统，具有非常大的实用价值。本文主要研究内容如下： 1、针对环境监测应用背景，给出了用于环境监测的无线传感器网络系统总体方案，并成功构建了无线传感器网络工程实验系统平台。 2、设计并研制了以温度、湿度和大气压三个参数为检测参量的、用于环境监测的无线传感器网络小型节点工程实验样机。 3、在TinyOS操作系统下用nesC语言开发了温湿度传感器和大气压传感器底层驱动软件及相应的数据采集应用组件和组网应用软件。 4、在所建网络系统平台上对无线传感器网络的路由算法、节点定位算法和数据融合算法进行了相关的实验研究和分析。 5、对所构建的无线传感器网络系统进行了安装测试，包括TinyOS操作系统的安装、开发环境的定制、无线传输测试、传感器数据采集测试以及组网测试，并对测试结果进行了分析和研究，验证了本文所设计和研制的节点、构建的网络系统平台及采用的方法的有效性。 本文的工作是在江苏省普通高校高新技术产业发展重点项目(No．JHB05-05)的资助下完成的。

目录

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声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作

1.4论文的组织结构

第二章无线传感器网络概述

2.1无线传感器网络整体结构

2.2无线传感器网络的硬件结构

2.3.1传感器节点的硬件结构

2.3.2基站的硬件结构

2.3无线传感器网络的软件结构

2.3.1传感器节点的软件结构

2.3.2基站的软件结构

2.3.3终端界面的软件结构

2.4无线传感器网络的关键技术

2.5无线传感器网络的特点

2.6无线传感器网络应用在环境监测中的优势

2.7本章小结

第三章系统总体方案及节点硬件设计

3.1系统总体方案

3.2传感器节点的总体设计思想

3.3传感器节点具体方案实施

3.3.1处理器模块

3.3.2无线通信模块

3.3.3传感器模块

3.3.4能量供应模块

3.3.5其它

3.4传感器节点硬件测试

3.5本章小结

第四章传感器节点的软件设计

4.1无线传感器网络对操作系统的需求

4.2 nesC语言

4.2.1概述

4.2.2 nesC应用

4.2.3接口和组件

4.3 TinyOS操作系统

4.3.1概述

4.3.2 TinyOS组件模型

4.3.3TinyOS调度机制

4.3.4 TinyOS的事件驱动机制

4.3.5 TinyOS通信机制

4.3.6TinyOS程序运行机制

4.4传感器组件设计

4.4.1温湿度传感器组件设计

4.4.2大气压传感器组件设计

4.4.3传感器数据采集应用组件设计

4.5组网应用组件设计

4.6本章小结

第五章无线传感器网络若干关键技术的研究

5.1路由协议的研究

5.1.1设计无线传感器网络路由协议时应考虑的因素

5.1.2现有无线传感器网络路由协议分析

5.1.3路由组件介绍

5.1.4路由测试

5.2定位算法的研究

5.2.1传感器节点定位的关键技术

5.2.2典型定位算法

5.2.3定位测试

5.3数据融合的研究

5.3.1数据融合方法

5.3.2数据融合的分类

5.3.3网络层中的数据融合

5.3.4独立的数据融合协议层

5.3.5数据融合测试

5.4本章小结

第六章系统安装测试

6.1 TinyOS操作系统的安装

6.2开发环境定制

6.2.1编译平台

6.2.2系统中频率的系统变量设置

6.2.3系统使用传感器的系统变量设置

6.2.4网络设备组的设置

6.2.5程序下载

6.3节点测试

6.4无线传输测试

6.5传感器数据采集测试

6.6组网测试

6.7本章小结

第七章总结与展望

7.1本文完成的主要工作和贡献

7.2将来的工作设想

致谢

参考文献

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