论文《基于Internet分布式无线传感器网络设计与实现》.doc

个人收集整理 勿做商业用途学号04150118编号2008150118研究类型应用研究分类号TN925。93HUBEI NORMAL UNIVERSITY毕业论文（设计）Bachelors Thesis论文题目基于Internet分布式无线传感器网络设计与实现作者姓名张艳敏指导教师石曙东所在院系计算机科学与技术学院专业名称计算机科学与技术完成时间2008年5月19日基于Internet分布式无线传感器网络设计与实现丁辉（指导老师 汪自云）(计算机科学与技术学院0401班 湖北 黄石 435002）摘要：本文生成了一个由分布式无线传感节点基于Internet架构的网络系统，实现了远程分布节点所面向过程行为的实时映射到数据中心的跟踪表征和实时库生成。本系统从实际出发，解决了无线传感器网络的几个典型问题（如网络内通信问题、性价比问题、系统能量供应问题)。本系统不仅有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，而且还实现了通信信息透明传输和基于Internet可视化动态数据显示等功能,从而说明了无线传感器网络技术在无线通信网络中的发展前景，而且其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域.关键词：分布式 无线传感器网络 可视化中图分类号：TN925。93Design and Implementation of Distributed Wireless SensorNetworks Based on InternetDing Hui （Director：Wang Ziyun）(Department of Computer Science and Technology, Hubei Normal University， 435002）Abstract: A distributed wireless sensors nodes network system based on Internet architecture is generated， the tracking characterization and real-time database of real-time mapping data centers on distance nodes processoriented behavior is realized. This system proceeds from reality to solve several typical problems of the wireless sensor networks （such as network communications, cost performance， energy supply system)。 It not only has lowpower， lowcost, distributed and selforganizing characteristics, but also achieve a transparent communication of information transmission， Internet-based visualization of dynamic data and other functions, thus it shows the development prospects of the wireless sensor networks technology in the wireless communications network， and its application can be related to human daily life and social production activities in all areas.本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途Key Words： distribution wireless sensor networks visualization目 录1。引言12.传感器模块12.1 功能介绍12.2 系统框图12。3 设计原理22.4 系统电路22.5 主要部分设计33。无线通信模块43.1 MD-600G简介43。2 MD-600G硬件结构43.3 MD-600G外观图53。4 MD-600G应用结构53。5 MD-600G安装步骤54。可视化界面的设计74.1 设计平台74。2 设计思路74。3 功能程序75.系统性能的分析和设计细节描述95。1 系统性能分析95。2 设计细节描述96。结束语127。致谢148.参考文献15附录16A。温度采集终端模块核心源码16B.串口通信模块核心源码17C。可视化界面模块核心源码21基于Internet分布式无线传感器网络设计与实现丁辉（指导老师 汪自云）（计算机科学与技术学院 湖北 黄石 435002）1. 引言随着微机电系统(Micro-ElectroMechanism System, MEMS)、片上系统（SOC， System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络.无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。本文以探测温度数据为实例，并增加了网页对温度数据可视化处理等操作，对无线传感器网络这一技术进行了创新。本文第2节将介绍传感器（温度传感器）模块的相关设计与功能；第3节将说明无线数据终端MD600G的配置与使用；第4节将介绍本设计中可视化界面制作方面的内容；第5节将对该系统的性能进行分析和设计细节进行描述；第6节对整篇文章进行了总结。2. 传感器模块2。1 功能介绍传感器模块为温度传感器模块,其主要功能是：实时采集周围环境的温度数据，并将此数据进行相关处理；将处理后的温度数据送往后续的通信设备和进行数码管、液晶屏进行显示；为了体现系统的实时性，还增加了日期、时间的液晶显示功能。2.2 系统框图 温度传感器模块的系统框图如图1所示。单片机系统温度传感器数码管、液晶屏的显示日期、时间的液晶屏显示通信设备温度数据温度数据温度数据图1 温度传感器模块的系统框图2。3 设计原理为了实现对周围环境的温度测量，本设计采用温度传感器DS18B20,并将其输出的温度数据送往单片机,然后单片机将这些数据进行相关处理，最后再送往后续的通信设备和将温度数据进行数码管、液晶屏显示。另外，为了充分体现该系统的实时性，还采用了实时时钟电路DS1302来显示当前的日期与时间。2.4 系统电路本设计中,温度传感器采用DS18B20，实时时钟电路采用DS1302,单片机采用STC89C52.其外围电路如图2所示。图2 温度传感器模块的外围电路图2。5 主要部分设计2.5。1 DS18B20模块DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。主要功能:测量当前环境的温度并将模拟量转换成数字量。工作原理：将测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。DS18B20引脚图及内部结构图：图3 DS18B20引脚图及内部结构图2.5.2 DS1302模块DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，工作电压为2。5V5。5V。主要功能：可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。工作原理：采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据.DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器.DS1302引脚图及内部结构图:图4 DS1302引脚图及内部结构图3. 无线通信模块本设计模块我们使用了北京驿唐科技公司的产品GPRS/CDMA智能无线数据终端MD-600G。该产品可以在数据中心和被监控设备间实现数据的远程透明传输.3.1 MD600G简介基于ARM平台、8M数据缓存，内置Siemens MC35i GPRS无线模块;嵌入式Linux系统，包含TCP/IP协议栈以及ETCPTM协议，保证传输数据不丢失；提供独立RS232配置串口及标准RS232/485数据接口；符合电工电子产品低温GB/T2423.1、高温GB/T2423.2的要求，适于在气候条件恶劣的地区及户外使用;MD600G可以快速连接RTU、PLC、工控机等设备,实现数据透明传输，广泛应用于电力抄表、配电自动化、路灯监控、道路交通等行业。3.2 MD-600G硬件结构图5 MD600G硬件结构图3。3 MD600G外观图图6 MD600G外观图3.4 MD600G应用结构图7 MD-600G应用结构图3.5 MD600G安装步骤3。5.1登陆配置界面打开电脑,选择“开始”“程序”“附件“通讯“超级终端输入名称选择“连接时使用”的串口（一般为COM1) 设置串口属性为“波特率: 38400，数据位： 8，奇偶校验:无,停止位: 1，数据流控制:无”，点击“确定；输入“回车”进入配置登陆界面；输入用户名“root”，密码“1234，回车进入配置主菜单。注:Windows 2003超级终端组件的添加方法如下:开始所有程序控制面板添加删除程序添加删除WINDOWS组件附件和工具-详细信息-通信-详细信息-勾选“超级终端”按提示安装。3.5。2配置MD600G选择“高级配置”“数据中心”“主数据中心IP”输入IP地址；选择“主数据中心端口输入数据中心监听端口号;一直输入“q”，退出菜单，直到提示重起设备，输入“y重新启动设备，使配置生效。（本系统数据中心IP：211。91。165.116,通信端口号：9000）。3。5。3安装及配置mServer运行“mServer Install.exe”，安装mServer;运行“mServer”，通过菜单“设置”“服务设置”,设置端口和协议，端口采用默认的“9000”，协议选择“ETCP”，点击“确定；通过菜单“终端管理”“添加终端”,输入IMEI和别名；当终端显示上线后，通过菜单“服务”“映射管理”，选择映射到虚拟串口。这样，就完成了现场GPRS即插即用串口到虚拟串口的映射，用户可以直接通过虚拟串口对远端串口设备进行采集和控制.图8 mServer的运行界面图9 mServer中的映射管理4. 可视化界面的设计4.1 设计平台Visual C+ 6。0编程语言是由Microsoft公司推出的目前极为广泛的可视化开发工具,利用Visual C+ 6。0可以开发基于Windows平台的32位应用程序,依靠强大的编译器以及网络与数据库的开发能力，用Visual C+ 6.0可以开发出功能强大的应用程序。4。2 设计思路虚拟串口实时可视化界面温度数据mServer串口通信图10 可视化界面的设计思路4.3 功能程序在本系统中设计了两个功能程序：串口通信程序和实时曲线显示程序。4。3.1 串口通信程序程序功能:设置完串口号和串口信息（波特率和奇偶校验位)后，打开串口，将串口上的数据信息通过socket编程发送到有固定IP地址的客户端.程序运行界面：图11 串口通信程序运行界面4.3.2 实时曲线显示程序程序功能：通过socket编程，监听运行该程序的客户端是否接收到温度数据,如果接收到温度数据，则进行相应的可视化实时曲线显示。程序运行界面：图12 实时曲线显示程序运行界面5. 系统性能的分析和设计细节描述5.1 系统性能分析表1 系统性能分析表序号实际温度测量温度111。05233.03355。09476。92598。9561111。0371312.9181515.0291717.06101918。96112120.98122322.99132525.07142727。01152929.08163131.05173332.98183535.03193737。04203938.96通过对上表的20组数据进行分析，我们完全可以认为,该系统是高精度、高稳定性的,误差完全可以控制在0.1以内。5.2 设计细节描述5。2.1 数据采集频率设计在本系统设计中，无线温度采集终端的采集周期为5秒，为了充分体现整个系统的实时性，还辅助设计了时间的液晶显示功能。如果单纯地设定延时为5秒,时钟的显示就会出现跳动，即5秒才更新一次时间，从而使时间的连续显示出现障碍。解决方案如下：在循环采集温度的程序内部,设计一个小循环程序：把5秒分成10个0.5秒进行分别计时，在每经过0.5秒时，更新时间和温度的液晶显示缓存区，在总计时达到5秒时跳出小循环，发送一次温度数据，反复循环即可.1开始发送温度数据和送显示缓存区时间数据送显示缓存区延时5秒改进后开始发送温度数据时间和温度数据送显示缓存区总计时是否到5秒YN延时0.5秒图13 数据采集模块程序改进图5。2.2 数据中心端口设计在刚开始对系统的数据中心进行调试时，出现了一个问题：无线温度采集终端可以正常上线，也能正常连接到mServer，并能正常显示数据中心与无线温度采集终端之间的通信信息，但数据中心客户端演示程序却无法正常连接到数据中心。经过老师的精心指导和自己的细心分析，最终解决了该问题.原因在于：数据中心需要开放两个端口进行通信，一个端口是无线温度采集终端与数据中心的通信端口；另一个端口是数据中心客户端演示程序与数据中心的通信端口。后者不能与前者共用一个端口，所以需要去学校网络中心开放第二个端口:9001号端口。数据中心无线温度采集终端数据中心客户端演示程序9000端口9001端口图14 数据中心端口设计图5。2。3 Web访问设计为了实现多个客户端可以同时访问数据中心服务器，我们规定：客户端在打开服务器的Web页面时，首先把客户端的IP地址进行提交,然后服务器端把客户端的IP地址收录入库，再将接收到的温度数据转发给指定的客户端。因此,当有多个客户端同时进行访问数据中心服务器时，服务器端只需要将各个客户端的IP地址进行收录入库，最后再循环不断地往各个客户端转发温度数据即可。当客户端断开与服务器端的连接时，将向服务器提交断开请求，从服务器端的IP地址库中释放掉该客户端的IP地址，从而实现了服务器端IP地址库的动态更新。2客户端服务器端客户端服务器端1.发送IP地址2.发送数据发送释放IP请求图15 客户端与服务器端通信原理图断开时连接时5。2。4 可视化界面设计可视化界面的设计开发平台为Visual C+ 6。0。在这个界面的设计中，有多处细节设计，具体设计内容如下：为了不影响界面显示的实时性，设定界面更新的周期为1秒，从而保证了显示程序在接收到数据中心数据的1秒内,就可以将数据的变化展示出来，进一步缩小了采集终端与后台显示之间的延时；考虑到可视化界面的美观，规定显示数据信息点的周期为8秒，即每隔8秒将在显示区域内打印一个数据信息点（时间和温度值）；为了方便使用者的使用和体现整个系统工作的实时性，还增添了当前时间和当前温度值的实时显示功能；当温度值出现异常,可视化界面不能正常显示曲线时，系统将会给出红色警告提示，提醒用户；为了更清晰和直观地表现本系统的工作状态，我们对可视化界面进行了进一步的优化：界面的两侧增加了温度标尺，界面的底色为白色和黑色，曲线的颜色为醒目的红色等等。3图16 温度异常时的可视化界面6. 结束语“基于Internet分布式无线传感器网络设计与实现系统是一低功耗，低成本，高稳定性无线传感器网络系统。该系统从实际出发，解决了无线传感器网络目前所遇到的几个典型问题（如网络内通信问题、成本问题、系统能量供应问题），有较好的实用性和应用性.随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。军事领域由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。其他用途无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施安全监测.也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具，此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域。5实时曲线显示串口通信图17 系统工作结构图由于设计时间的限制，该系统在纵向设计和横向设计上仍存在相当的发展空间,例如：在该系统中，目前的电能是由蓄电池供应。我们完全可以根据实际的需要和应用领域来设计相应的电能供应源，如太阳能电池板等等。目前系统设计中，只设置一个无线传感器节点。但在原理和技术上完全可以实现多个节点的无线传感器网络结构。7. 致谢 首先要对该篇论文的指导老师汪自云教授表示衷心的感谢，是他多年的栽培和悉心指导，才让本文作者能够顺利完成该系统的设计与实现。另外，还要感谢学校电子电工实验中心的田开坤老师以及学校网络中心等其他单位对于该系统设计研究所给予的积极帮助与支持。8. 参考文献1 刘文涛.MCS51单片机培训教程（C51版)M.北京:电子工业出版社，2005:160-1672 谢希仁编著.计算机网络M.大连:大连理工大学出版社,2006:1011323 陈坚等编著。实用Visual C+编程大全M。西安:西安电子科技大学出版社，2000：1121974 肖宏伟.Visual C+开发答疑M。北京：人民邮电出版社,2003：97-1075 孙利民。无线传感器网络M。北京:清华大学出版社,2005：53-676 宋文，王兵，周应宾。无线传感器网络技术与应用M。北京:电子工业出版社,2007：63897 李晓维。无线传感器网络技术M。北京:北京理工大学出版社,2007：42778 徐勇军。无线传感器网络实验教程M.北京:北京理工大学出版社,2007：55799 邱天爽等.无线传感器网络协议与体系结构M.北京:电子工业出版社，2007：364710 王殊。无线传感器网络的理论及应用M。北京： 北京航大出版社，2007：89101附录A. 温度采集终端模块核心源码include Mini51B。h”/Mini51板头文件include ”LCD1602.h”/液晶模块头文件include ds18b20。h/温度传感器头文件#include ”stdio.h”/C标准函数库,系统集成#include ”DS1302.h#define uchar unsigned charuchar n,temp；uchar a6=000000； /串口字符串SYSTEMTIME RTC；void main（void）float V; /记录温度 浮点型uchar str_buff20；/字符缓冲区SCON = 0x50； /串口工作在方式1，波特率9600，晶振为22。1184MHzPCON = 0；TMOD = 0x20； /定时器1工作在方式2TH1 = 0xfa；TL1 = 0xfa；IE = 0x91；/1001 0001 EA1 ES1 EX01IT0 = 1;/外部中断0为低电平触发方式 TR1 = 1；/定时器T1开始计数ds18b20_init(）;/初始化温度传感器/*时钟测试*/Initial_DS1302（)；/初始化时钟/*/时间设定，执行一次后删除该部分Write1302（DS1302_MINUTE， 0x11）;Write1302(DS1302_HOUR, 0x08）;Write1302（DS1302_DAY， 0x15）;Write1302(DS1302_MONTH， 0x04)；Write1302(DS1302_YEAR， 0x08)；/*/lcd1602_init(）;lcd_put_xyns（2,1，14，”)；delay_ms（1000)；while（1)for(n=0；n10；n+）/100.5s=5s数据发送周期V = ReadTemperature()/100。0; /温度部分sprintf(str_buff，”2。2f”，V); /格式转换lcd_put_xyns（1，1，11,”Temperatur=”）;lcd_put_xyns(12，1,5，str_buff）;seg7_disp(V100)；sprintf（a,”2。2f，V）；/送串口字符串DS1302_GetTime(&RTC)；/时间部分DateToStr(&RTC)；TimeToStr（&RTC);lcd_put_xyns（1，2,8，RTC。DateString)；lcd_put_xyns(9，2，8,RTC。TimeString)；delay_ms(500）；for(n=0；nMoveFirst();while(！m_pRs-GetEndOfFile（)）vFieldValue=m_pRsGetCollect（”ip”)；stri=(LPCTSTR）_bstr_t(vFieldValue）;i+;m_pRsMoveNext（）；hr=m_pRs-Close（）；stri=”abc”;void CTTYReceiveMSCommDlg：:OnClosecom（) / TODO: Add your control notification handler code hereCString SendData； /发送消息让单片机停止工作SendData=2；myComm。SetOutput（COleVariant(SendData）)；myComm.SetPortOpen(0）;AfxMessageBox（”串口关闭成功！”）；m_Opencom.EnableWindow（true）; /使打开串口按钮生效m_Closecom。EnableWindow（false)； /使关闭串口按钮无效m_Setupcom。EnableWindow（true); /使设置按钮生效m_Exit.EnableWindow(true）； /使退出按钮生效int CTTYReceiveMSCommDlg:OnCreate(LPCREATESTRUCT lpCreateStruct） if （CDialog：OnCreate(lpCreateStruct） = -1）return 1;/ TODO: Add your specialized creation code hereDWORD style=WS_VISIBLEWS_CHILD; /创建控件的实例if (！myComm.Create（NULL,style，CRect（0，0，0,0）,this，IDC_MSCOMM1)）AfxMessageBox(”创建MSComm控件失败!”);m_Opencom.EnableWindow(false)； /使打开串口按钮无效m_Closecom。EnableWindow(false); /使关闭串口按钮无效m_Setupcom.EnableWindow（false）； /使设置按钮无效return 1；m_Para=COM1，9600，N，8,1;return 0；void CTTYReceiveMSCommDlg:OnOnCommMscomm1() / TODO： Add your control notification handler code hereLPCTSTR IpAddress；VARIANT input1; /定义VARIANT类型变量BYTE rxdata2048； /定义存放二进制数据的数组long len1,k；COleSafeArray safearray1; /定义COleSafeArray类的实例CString strDis；switch(myComm.GetCommEvent(）case 2: /收到 RThreshold 个字符 添加接收处理代码UpdateData（TRUE);input1=myComm。GetInput（);safearray1=input1； /将VARAIANT变量赋值给COleSafeArray类的实例len1=safearray1.Get