基于无线传感网络的空气质量监测系统设计

1、 摘要 空气品质对人的影响至关重要，利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法，本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用及监控系统的网络设计。本系统采用无线线传感器网络络来实现数据据的采集与发发送。无线传传感器网络是是由部署在监监测区域内大大量的廉价微微型传感器节节点组成，通通过无线通信信方式形成一一个多跳的自自组织的网络络系统，其目目的是协作地地感知、采集集和处理网络络覆盖区域中中感知对象的的信息，并发发送给观察者者。本设计系统采用用CC24330无线通信信模块、温湿湿度传感器DDHT90、空空气质量传感感器QS-001、电源模模块构建无线线传感器网络络，通过RSS232串串口和监控中中

2、心通信，使使用软件开发发平台IARR Embeedded Workbbench开开发ZigBBee协议栈栈，基于ZiigBee的的无线网络技技术以低功耗耗、低成本、低低复杂度等特特点受到越来来越多企业和和个人的青睐睐。空气质量量监测系统特特别适合于数数据吞吐量小小、网络建设设投资少、网网络安全要求求较高、不便便频繁更换电电池或充电的的场合。预计计将在消费类类电子设备、家家庭智能化、工工控、医用设设备控制、农农业自动化等等领域获得广广泛应用,利利用ZigBBee技术完完成传感器节节点和汇聚节节点的应用程程序，最终能能够实现空气气质量的监测测。关键字：无线传传感器；ccc2430；DTH900；z

3、igbbee技术；空气质量检检测ABSTRACCTAir quaality impacct on peoplle is very imporrtant, usinng sennsors to deetect air qqualitty is now aa popuular mmethodd, thiis papper inntroduuces tthe seensor in aiir quaality testiing prrincipple, aanalyzzes thhe advvantagges annd dissadvanntagess of ggas seensor, and gas

4、 ssensorr deveelopmeent trrend aand prospeects. The sysstem uuses wwireleess seensor netwoorks tto achhieve datas colllectioon andd trannsmisssion. Wireleess seensor netwoorks aare coomposeed of a larrge nuumber of loow-cosst miccro-sensoor noddes whhich aare deeployeed in the mmonitooring regioon,

5、uses wirelless commuunicattion mmeans to foorm a multii-hops sellf-orgganiziing neetworkk, with the aim oof perrceptiion, colleectionn and proceessingg of pperceiived ttargett infoormatiion in thhe nettwork coverrage rregionn, and ssend tthem tto obsserverrs.This syystem uses CC24330 wirrelesss comm

6、municaation modulle ,tempperatuure annd hummidityy senssor DHHT90, air qqualitty sennsor QQS-01,powerr moduule too builld wirrelesss senssor neetworkks, annd usees RS232 sseriall portt to ccommunnicatee withh moniitorinng cennter .Use tthe sooftwarre devvelopmment pplatfoorm IAAR Embbeddedd Workkben

7、chh to ddeveloop ZiggBee pprotoccol sttack. Basedd on tthe ZiigBee wirelless nnetworrking by loow chaaracteeristiics annd so on poower lloss, low ccost, low ccompleexity receiives mmore aand moore maany ennterprrises and iindiviidual favorr.The ZigBeee tecchnoloogy suuits sspeciaally iin thee dataa

8、voluume off goodds hanndled smalll, thee netwwork cconstrructioon invvests few, the nnetworrk seccurityy requuest iis higgh, innconveenientt repllaces the bbatterry or the cchargee situuationn freqquentlly.Thee estiimate in thhe exppense classs elecctroniic insstallaation, the familly inttellecctual

9、iizatioon, thhe labbor wiill coontroll, meddical domaiins annd so on deevice contrrol, aagricuulturaal auttomatiion obbtainss the widesspreadd appllicatiion These can definnitiveely acchievee the purpoose off air qualiity moonitorring.Keywordds:wirrelesss senssor;CC24330;DTH900;ZigBeee tecchnoloogy;

10、air qqualitty tessting 目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327803014 摘要 PAGEREF _Toc327803014 h I HYPERLINK l _Toc327803015 ABSTRACCT PAGEREF _Toc327803015 h II HYPERLINK l _Toc327803016 1 绪论 PAGEREF _Toc327803016 h 1 HYPERLINK l _Toc327803017 1.1 引言 PAGEREF _Toc327803017 h 1 HYPERLINK l _Toc327803018

11、 1.2 课题背背景和研究意意义 PAGEREF _Toc327803018 h 1 HYPERLINK l _Toc327803019 1.3 无线传传感器网络的的研究进展 PAGEREF _Toc327803019 h 2 HYPERLINK l _Toc327803020 1.4 论文的的研究内容与与组织结构 PAGEREF _Toc327803020 h 4 HYPERLINK l _Toc327803021 2 无线传感器器网络概述 PAGEREF _Toc327803021 h 6 HYPERLINK l _Toc327803022 2.1 无线传传感器网络简简介 PAGEREF

12、_Toc327803022 h 6 HYPERLINK l _Toc327803023 2.2 无线传传感器网络体体系结构概述述 PAGEREF _Toc327803023 h 6 HYPERLINK l _Toc327803024 2.3 无线传传感器网络特特点 PAGEREF _Toc327803024 h 7 HYPERLINK l _Toc327803025 2.4 无线传传感器网络应应用 PAGEREF _Toc327803025 h 10 HYPERLINK l _Toc327803026 2.5无线传传感器网络关关键技术 PAGEREF _Toc327803026 h 10 HY

13、PERLINK l _Toc327803027 2.6 无线传传感器网络拓拓扑结构 PAGEREF _Toc327803027 h 12 HYPERLINK l _Toc327803028 3 空气质量监监测系统硬件件设计 PAGEREF _Toc327803028 h 16 HYPERLINK l _Toc327803029 3.1 ZiggBee技术术 PAGEREF _Toc327803029 h 16 HYPERLINK l _Toc327803030 3.2 系统总总体结构设计计 PAGEREF _Toc327803030 h 17 HYPERLINK l _Toc327803031

14、 3.3 传感器器节点的硬件件设计 PAGEREF _Toc327803031 h 19 HYPERLINK l _Toc327803032 3.3.1 节节点硬件总体体结构 PAGEREF _Toc327803032 h 19 HYPERLINK l _Toc327803033 3.3.2 处处理器和无线线通信模块HHFZCC24330EM22 PAGEREF _Toc327803033 h 20 HYPERLINK l _Toc327803034 3.3.2 传传感器模块 PAGEREF _Toc327803034 h 22 HYPERLINK l _Toc327803035 3.4 汇聚

15、节节点的硬件设设计 PAGEREF _Toc327803035 h 27 HYPERLINK l _Toc327803036 3.4.1 电电源模块 PAGEREF _Toc327803036 h 27 HYPERLINK l _Toc327803037 3.4.2 RRS232串口模模块 PAGEREF _Toc327803037 h 28 HYPERLINK l _Toc327803038 4空气质量监测测系统软件设设计 PAGEREF _Toc327803038 h 29 HYPERLINK l _Toc327803039 4.1 ZiggBee协议议 PAGEREF _Toc32780

16、3039 h 29 HYPERLINK l _Toc327803040 4.2 IARR开发环境介介绍 PAGEREF _Toc327803040 h 30 HYPERLINK l _Toc327803041 4.3 传感器器节点应用程程序设计 PAGEREF _Toc327803041 h 31 HYPERLINK l _Toc327803042 4.4 汇聚节节点应用程序序设计 PAGEREF _Toc327803042 h 33 HYPERLINK l _Toc327803043 5 系统测试与与结果分析 PAGEREF _Toc327803043 h 35 HYPERLINK l _T

17、oc327803044 5.1 测试方方案 PAGEREF _Toc327803044 h 35 HYPERLINK l _Toc327803045 5.1.1 硬硬件测试 PAGEREF _Toc327803045 h 35 HYPERLINK l _Toc327803046 5.1.2 温温度采集及串串口显示测试试 PAGEREF _Toc327803046 h 35 HYPERLINK l _Toc327803047 5.1.3 数数据通信测试试 PAGEREF _Toc327803047 h 35 HYPERLINK l _Toc327803048 参考文献 PAGEREF _Toc3

18、27803048 h 366 HYPERLINK l _Toc327803049 附录C 部分程程序 PAGEREF _Toc327803049 h 38 HYPERLINK l _Toc327803050 4.2.1原原语概念 PAGEREF _Toc327803050 h 44 HYPERLINK l _Toc327803051 4.2.2建建立新网络 PAGEREF _Toc327803051 h 44 HYPERLINK l _Toc327803052 4.2.3ZZigBeee设备加入网网络过程 PAGEREF _Toc327803052 h 451 绪论1.1 引言由于环境问题的的

19、严重性使得得全社会环保保意识的提高高,对于环境境信息的需求求也越来越大大。与传统的的空气质量监监测系统相比比，使用传感感器网络进行行环境监测具具有如下优点点：传感器网网络对被监测测环境影响小小；传感器网网络采集数据据量大、精度度高；传感器器节点还具有有无线通信能能力，可以使使得节点协同同监控。无线线传感器网络络常适用于无无人监守的远远程监测，该该文采用无线线传感器网络络来监测空气气质量,在城城市内选择一一些监测点,放置传感器器节点，并通通过ZigBBee无线技技术传输数据据,终端工作作人员可以通通过监控中心心对监测系统统进行管理和和配置、发布布监测任务或或是收集回传传数据。1.2 课题背背景和

20、研究意意义课题背景：当今今,人类正面面临“煤烟污染”、“光化学烟雾雾污染”之后,又出出现了“室内空气污污染”为主的第三三次环境污染染1。大量量触目惊心的的事实证实,室内空气污污染已成为危危害人类健康康的“隐形杀手”,也成为全全世界各国共共同关注的问问题。据统计计,全球近一一半的人处于于室内空气污污染中,室内内环境问题对对我们来讲，就就显得尤为重重要。然而对对于室内环境境问题，我们们又往往忽视视其重要性。但但如今，各种种疾病给我们们敲响了警钟钟，再一次提提醒我们，改改善室内环境境，杜绝和防防止室内污染染，不仅是为为了提高我们们的生活质量量，而且，它它也关系到身身体健康和生生命安全。自自然环境有包

21、包括空气环境境、声音环境境、温湿环境境和光环境2。人工工环境又分为为绿化环境、装装饰环境、改改造后的自然然环境等。我我们通常所提提到的环境污污染只是提到到空气环境污污染，因为它它对人的危害害最大、最直直接，从而忽忽视了其他环环境的利用和和改造。其实实，其他的室室内环境污染染一样对我们们的生活、学学习、工作、娱娱乐等等方面面产生了各种种危害和影响响。美国专家家研究表明，室室内空气的污污染程度要比比室外空气严严重二至五倍倍，在特殊情情况下可达1100倍。室室内空气中可可检测出5000多种挥发发性有机物，某某些有害气体体浓度可高出出户外十倍乃乃至几十倍，其其中20多种种是致癌物。所所以美国已将将室内

22、空气污污染归为危害害公共健康的的5大环境因因素之一。加加拿大的一个个卫生组织的的调查也显示示，当前人们们68的疾疾病都与室内内空气污染有有关室内环境境污染已经引引起35.77%的呼吸道道疾病,222%的慢性肺肺病和15%的气管炎、支支气管炎和肺肺癌，所以检检测技术是人人们认识和改改造世界的一一种必不可少少的重要技术术手段3。而传感器器是 HYPERLINK /gongxue/ 科学实验和 HYPERLINK /gongxue/ 工业生产等活活动中对信息息资源的开发发获取、传输输与处理的一一种重要工具具，并且在空空气质量检测测方面发挥重重要作用。研究意义：人类类生存离不开开空气，而人人的一生约8

23、80%的时间间是在室内度度过的，特别别是老、弱、病病、残、幼、孕孕等体弱者在在室内活动时时间更长，室室内环境质量量的好坏对他他们的身心健健康更加重要要。因此加强强室内环境的的监测与治理理，对保证人人民的健康，提提高国民的整整体素质十分分重要。尤其其像我国这样样人口众多，而而医疗保健水水平又跟不上上的国家，加加强室内环境境监测，维持持一个绿色的的居住、办公公场所，让广广大人民都拥拥有一个健康康的体魄，显显得尤为重要要。国外大量量研究结果也也表明，室内内空气污染会会引起“致病建筑综综合症”（BBS），症症状包括头痛痛、眼、鼻和和喉部不适，干干咳，皮肤干干燥发痒，头头晕恶心注意意力难于集中中和对气味

24、敏敏感等4。建筑关联联病（BRII），症状有有咳嗽，胸部部发紧，发烧烧寒颤和肌肉肉疼痛等，所所以任何一个个场所包括室室内、室外都都有必要进行行空气检测，给给家人朋友一一个舒适健康康的生活环境境。环境保护，监测测先行，自动动化、信息化化是做好环境境监测的前提提和保障，多多年来在地方方经济迅速发发展的同时，各各地区不断出出现不同程度度的水、气、噪噪声等环境污污染事件，严严重影响了人人们的生活质质量，阻碍了了当地经济的的持续发展5。随着着国家制定的的各种环境保保护政策及法法规的颁布实实施，各级地地方政府在对对辖区内的环环境治理日益益重视的同时时，加大了对对环境监测及及应急监测的的投资力度，各各地区陆

25、续规规划安装了空空气质量监测测站。1.3 无线传传感器网络的的研究进展在西方和一些发发达国家如加加拿大、英国国、德国、意意大利和日本本等国家的研研究机构也加加入了无线传传感器网络的的研究。欧盟盟的Phillips、FFrancee Teleecom、SSiemenns、Eriicssonn等公司，日日本的NECC、欧姆龙、OOKI、Skky2等开展展了无线传感感器网络的研研究美国科学学基金委员会会2003年年制定了无线线传感器网络络研究计划，研研究领域涉及及能感知有毒毒化学物、生生物攻击等的的传感器节点点、分布环境境下传感器网网络的特性等等问题6。美国著名名院校几乎都都有研究小组组在从事无线线

26、传感器网络络相关技术的的研究。在我国无线传感感器网络及其其应用研究几几乎与发达国国家同步启动动，首次正式式出现于19999年中国国科学院知知识创新工程程试点领域方方向研究的的“信息与自动动化领域研究究报告”中。国内的的一些科研单单位和著名大大学，如中国国科学院自动动化所、软件件所及清华大大学、哈尔滨滨工业大学从从2002年年开始在时间间同步与定位位、传感器数数据管理系统统方面开展了了研究工作。22005年，将将无线传感器器网络基础理理论和关键技技术列入计划划；20066年，将水下下移动传感器器网络的关键键技术列为重重点研究项目目。国家发改改委下一代互互联网(CNNGI)示范范工程中，也也部署了

27、无线线传感器网络络相关的课题题，国内也有有越来越多的的企业开始关关注无线传感感器网络技术术的发展，开开始推出针对对无线传感器器网络及ZiigBee的的解决方案，而而无线网络应应用在生活中中的研究也是是刚刚起步7。目前ZigBeee网络的应应用范围非常常广泛，很多多我们想象不不到的地方也也在使用ZiigBee技技术。例如，在在工业领域，ZZigBeee技术不仅用用来控制照明明灯的开关，它它还有一个用用途是检查高高速路上照明明灯的工作情情况。以前工工程师要开车车到高速路上上检查哪些照照片灯已经坏坏掉了，需要要维修，但因因为车速较快快，不能记下下所有要检修修灯的编号，但但通过ZiggBee网络络，工

28、程师只只需坐在计算算机，就可以以很清楚地监监测到整个高高速路上照明明灯的工作情情况，这是目目前的一个热热点应用。再再如，ZiggBee技术术用于进出的的控制，可以以记录汽车的的进出，也可可以在人员进进出时用于传传输相关指纹纹来识别数据据，进行身份份认证。此外外，通过ZiigBee网网络的路由器器功能，它还还可以用来实实时监控煤矿矿内各点的安安全状况，防防止事故的发发生。在加油油站，一些客客户不希望布布线，他们正正在考虑采用用ZigBeee无线技术术来传输相关关数据。在消消费类电子方方面，ZiggBee技术术可以替现在在的红外遥控控，于红外遥遥控相比，ZZigBeee的优势在于于每一个操作作都会

29、有反馈馈信息，告诉诉他们是否实实现了相关操操作。现今我我们也可以看看到ZigBBee用于家家庭保安，消消费者在家中中的门和窗上上都安装了ZZigBeee网络，当有有人闯入时，ZZigBeee可以控制开开启室内摄像像装置，这些些数据再通过过Interrnet或WWLAN网络络反馈给主人人，从而实现现报警8。当在家电电产品如空调调，热水器等等安装ZiggBee模块块后，用户可可以通过ZiigBee无无线网络来控控制这些产品品的开启。在在建筑智能化化领域，各种种灯光的控制制，气体的感感应与监测，如如煤气泄漏的的感应和报警警都可以应用用ZigBeee技术。ZZigBeee在未来的几几年里将在工工业控制

30、，工工业无线定位位，家庭网络络，汽车自动动化，楼宇自自动化，消费费电子，医用用设备控制等等多个领域具具有广泛的应应用前景，特特别是家庭自自动化和工业业控制，将成成为今后ZiigBee芯芯片的主要应应用领域。在在工业领域，利利用传感器和和ZigBeee网络，使使得数据的自自动采集，分分析和处理变变得更加容易易，可以作为为决策辅助系系统的重要组组成部分。在在汽车领域，主主要是传递信信息的通用传传感器。由于于很多传感器器只能内置在在飞转的车轮轮或者发动机机中，比如轮轮胎压力监测测系统，这就就要求内置无无线通信设备备使用的电池池有较长的寿寿命，同时应应该克服嘈杂杂的环境和金金属结构对电电磁波的屏蔽蔽效

31、应。在精精确农业领域域，传统农业业主要使用孤孤立的，没有有通信能力的的机械设备，主主要是依靠人人力监测作物物的生产状况况，采用了传传感器和ZiigBee网网络后，农业业将可以逐渐渐地转向以信信息和软件为为中心的生产产模式，使用用更多的自动动化，网络化化，职能化和和远程控制的的设备来耕种种。在家庭和和楼宇自动化化领域，家庭庭自动化系统统作为电子技技术的集成得得以迅速扩展展，易于进入入，简单明了了和廉价的安安装成本等成成了驱动自动动化居家，建建筑开发和应应用无线技术术的主要动因因8。在医医学领域，将将借助于各种种传感器和ZZigBeee网络准确而而且实时地监监测病人的血血压，体温和和心跳速度等等信

32、息，从而而减轻医生的的查房的工作作负担，有助助于医生做出出快速的反应应，特别是对对重病和病危危患者的监护护和治疗。在在消费和家用用自动化市场场，可以联网网的家用设备备有电视，录录像机，无线线耳机，PCC外设，运动动与休闲器械械，儿童玩具具，游戏机，窗窗户和窗帘，照照明设备，空空调系统和其其它家用电器器。1.4 论文的的研究内容与与组织结构研究内容：本论论文研究了如如何利用传感感器检测空气气质量及介绍绍了传感器在在空气质量检检测方面的原原理应用,分分析了当前气气体传感器的的特点,以及及气体传感器器的 HYPERLINK /fazhan/ 发展趋势和前前景本包括系系统的软硬、件件设计及其具具体实现

33、，主主要研究内容容如下。一是，目前我国国采用的空气气质量监测方方法的研究，基基于无线传感感器网络的空空气质量监测测系统的研究究意义和无线线传感器网络络的概述，概概述包括基本本概念、结构构、体系结构构、特点、应应用、关键技技术和网络拓拓扑结构。二是，该系统的的硬件设计。该该系统采用符符合IEEEE802.115.4标准准的ZigBBee无线技技术来实现网网络中节点间间的无线通信信。温湿度传传感器节点由由西安华凡科科技有限公司司的HFZCC24330EM222模块，温温湿度传感器器DHT900和两节五号号电池组成。气气体传感器节节点由西安华华凡科技有限限公司的HFFZCC22430EMM22模块块

34、，空气质量量传感器QSS-01和5V锂电池组组成。研究了了HFZCCC2430EEM22模模块的结构、特特性和CC22430芯片片的内部结构构、外在电路路；研究了DDHT90的的工作原理并并实现了传感感器通信，最最终焊接制作作出温湿度传传感器节点。汇汇聚节点由西西安华凡科技技有限公司的的HFZCCC24300EM222模块和SmaartRF007DB母板板组成。主要要应用母版的的串口电路和和电源模块，因因为汇聚节点点一直处于工工作状态因此此选择持续的的USB供电方方式，通过串串口连接汇聚聚节点和PCC机并显示测测试数据，而而串口电平与与TTL电平幅幅值不同无法法直接相连，因因此需要串口口电路转

35、换电电平。三是，该系统的的软件设计。论论文研究了德德州仪器开发发的ZigBBee协议栈栈ZStaack的软件件构架，并在在IAR集成开开发环境中开开发该协议栈栈，根据传感感器节点和汇汇聚节点的应应用流程添加加自己的温湿湿度采集应用用程序和修改改主文件中的的任务处理函函数，最终实实现功能。论文结构：共分分为5章，结结构安排如下下：第1章：绪论。介介绍了目前的的空气质量监监测方法，课课题的研究背背景及研究意意义，无线传传感器网络的的研究进展和和论文的主要要研究内容和和组织框架。第2章：无线传传感器网络概概述。介绍了了无线传感器器网络的基本本构架、体系系结构、特点点、应用和关关键技术。第3章：空气质

36、质量监测系统统硬件设计。介介绍了ZiggBee技术术，系统的总总体结构设计计，传感器节节点和汇聚节节点的硬件设设计。第4章：空气质质量监测系统统软件设计。介介绍了ZiggBee协议议栈，IARR集成开发环环境，传感器器节点和汇聚聚节点的应用用程序设计。第5章：总结与与展望。总结结本论文所做做的工作，提提出现有方案案的不足之处处，并对下一一步工作进行行了展望。2 无线传感器器网络概述2.1 无线传传感器网络简简介无线传感器网络络是大量的静静止或移动的的传感器以 HYPERLINK /view/385080.htm 自自组织和 HYPERLINK /view/3871838.htm 多跳的方式构构

37、成的无线网网络，其目的的是协作地感感知，采集，处处理和网络传传输覆盖地理理区域感知对对象的检测信信息，并报告告给用户。它它的英文是WWireleess Seensor Netwoork 简称称WSN。大大量的传感器器节点将探测测数据，通过过汇聚节点经经其他网络发发送给了用户户9。在这个定义中，传传感器网络实实现了数据采采集，处理和和传输的三种种功能，而这这对应着现代代信息技术的的三大基础技技术，即传感感器技术，计计算机技术和和通信技术。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的

38、发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展。波士顿大学，还于最近创办了传感器网络协会，期望能促进传感器联网技术开发。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也被列入其中10。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。2.2 无线传传感器网络体体系结构概述述近年来随着无线线通信、集成成电路、传感感器以及微机机电系统（MMEMS）等等技术的飞速速发展，使得得低成本、低低功耗、多功功能的微型无无线传感器的的大量生产成成为可能，这这些微型无线线传感器具有

39、有无线通信、数数据采集和处处理、协同合合作等功能，无无线传感器网网络（以下简简称传感器网网络）就是由由许多这些传传感器节点协协同组织起来来的。传感器器网络的节点点可以随机或或者特定地布布置在目标环环境中，它们们之间通过特特定的协议自自组织起来，能能够获取周围围环境的信息息并且相互协协同工作完成成特定任务。传感器网络被认认为是21世世纪最重要的的技术之一，它它将会对人类类未来的生活活方式产生深深远影响111。20003年2月月份的美国技技术评论杂杂志评出对人人类未来生活活产生深远影影响的十大新新兴技术，传传感器网络被被列为第一。传感器网络最初初来源于美国国先进国防研研究项目局(DARPAA-De

40、feense AAdvancced Reesearcch Proojectss Agenncy)的一一个研究项目目，当时处于于冷战时期，为为了监测敌方方潜艇的活动动情况，需要要在海洋中布布置大量的传传感器，使用用这些传感器器所监测的信信息来实时监监测海水中潜潜艇的行动。但但是由于当时时技术条件的的限制，使得得传感器网络络的应用只能能局限于军方方的一些项目目中，难以得得到推广和发发展。近年来来随着无线通通信、微处理理器、微电机机系统等技术术的发展，使使得传感器网网络的理想蓝蓝图能够得以以实现，其应应用前景越来来越广，国外外各个研究机机构对它的研研究也正方兴兴未艾。在传感器网络中中，每个节点点的功

41、能都是是相同的，大大量传感器节节点被布置在在整个被观测测区域中，各各个传感器节节点将自己所所探测到的有有用信息通过过初步的数据据处理和信息息融合之后传传送给用户，数数据传送的过过程是通过相相邻节点的接接力传送的方方式传送回基基站，然后再再通过基站以以卫星信道或或有线网络连连接的方式传传送给最终用用户。2.3 无线传传感器网络特特点传感器网络是由由大量体积小小、成本低、具具有无线通信信、传感、数数据处理的传传感器节点（ssensorr nodee）组成的，传传感器节点一一般由传感单单元、处理单单元、收发单单元、电源单单元等功能模模块组成（如如图2-1所所示）。除此此之外根据具具体应用的需需要，可

42、能还还会有定位系系统、电源再再生单元和移移动单元等12。其其中电源单元元是最重要的的模块之一，有有的系统可能能采用太阳能能电池等方式式来补充能量量，但是大多多数情况下传传感器节点的的电池是不可可补充的。定定位系统对传传感器网络的的路由是很重重要的，有些些传感器节点点采用全球定定位系统（GGPS）进行行定位，但是是GPS模块块价格昂贵且且体积难以减减少，所以不不可能全部节节点都使用GGPS来进行行定位。此外外，GPS定定位还受到其其他限制，如如部分应用于于建筑物内部部等。通常情情况下是在整整个网络中会会有某些传感感器节点配有有GPS系统统，其他节点点通过局部定定位算法得到到它们与配有有GPS的节

43、节点之间的相相对位置，这这样所有节点点都能知道各各自的具体位位置了。除借借助GPS的的定位方式外外，还有离散散梯度法等间间接定位方式式。图2-1 传感感器网络节点点的组成模块块Fig 2-11 nodee moduule off Senssor neetworkk传感器网络与传传统网络相比比有一些独有有的特点，正正是由于这些些特点使得传传感器网络存存在很多新问问题，提出了了很多新的挑挑战13。传感器网网络的主要特特点有：1) 传感器网网络的节点数数量大、密度度高由于传感器网络络节点的微型型化，每个节节点的通信和和传感半径很很有限，一般般为十几米范范围之内，而而且为了节能能，传感器节节点大部分时

44、时间处于睡眠眠状态，所以以往往通过铺铺设大量的传传感器节点来来保证网络的的质量。传感感器网络的节节点数量和密密度都要比一一般网络高几几个数量级，可可能达到每平平方米上百个个节点的密度度, 甚至多多到无法为单单个节点分配配统一的物理理地址。这会会带来一系列列问题，如信信号冲突、信信息的有效传传送路径的选选择、大量节节点之间如何何协同工作等等。2) 传感器网网络的节点有有一定的故障障率由于传感器网络络可能工作在在恶劣的外界界环境之中，网网络中的节点点可能会由于于各种不可预预料的原因而而失效，为了了保证网络的的正常工作，要要求传感器网网络必须设计计成具有一定定的容错能力力，允许传感感器节点具有有一定

45、的故障障率。3) 传感器网网络节点在电电池能量、计计算能力和存存储容量等方方面有限制由于传感器节点点的微型化，节节点的电池能能量有限，而而且由于物理理限制难以给给节点更换电电池，所以传传感器节点的的电池能量限限制是整个传传感器网络设设计最关键的的约束之一，它它直接决定了了网络的工作作寿命。另一一方面，传感感器节点的计计算和存储能能力有限，使使得其不能进进行复杂的计计算，传统IInternnet网络上上成熟的协议议和算法对传传感器网络而而言开销太大大，难以使用用，必须重新新设计简单有有效的协议及及算法144。4) 传感器网网络的拓扑结结构变化很快快由于传感器网络络自身的特点点，传感器节节点在工作

46、和和睡眠状态之之间切换以及及传感器节点点随时可能由由于各种原因因发生故障而而失效，或者者有新的传感感器节点补充充进来以提高高网络的质量量，这些特点点都使得传感感器网络的拓拓扑结构变化化很快，这对对网络各种算算法（如路由由算法和链路路质量控制协协议等）的有有效性提出了了挑战。此外外，如果节点点具备移动能能力，也有可可能带来网络络的拓扑变化化。5) 以数据为为中心在传感器网络中中人们只关心心某个区域的的某个观测指指标的值，而而不会去关心心具体某个节节点的观测数数据，比如说说人们可能希希望知道“检测区域的的东北角上的的温度是多少少”，而不会关关心“节点N所探探测到的温度度值是多少”。这就是传传感器网

47、络的的以数据为中中心的特点。而而传统网络传传送的数据是是和节点的物物理地址联系系起来的，以以数据为中心心的特点要求求传感器网络络能够脱离传传统网络的寻寻址过程，快快速有效的组组织起各个节节点的信息并并融合提取出出有用信息直直接传送给用用户15。现在已经有一些些致力于传感感器网络的公公司，如美国国的Crosssbow公公司和Dusst公司等，其其中Crosssbow公公司已经推出出了Micaa系列传感器器网络产品，到到现在已经有有了Micaa，Micaa2，Micca2Dott三种产品。他他们还为Miica开发了了一套微型的的操作系统TTinyOSS。Micaa2Dot的的大小和一枚枚硬币差不多

48、多，每个Miica2可以以分为两个模模块，一个是是基本的射频频和处理模块块MPR（MMote PProcesssor RRadio Boardd），另一个个是可选的传传感模块MDDA（Motte Datta Acqquisittion BBoard）。MMica2工工作在9155MHz的IISM频段上上，有两个可可调的工作频频率：9144.007MMHz和9115.9988MHz116。以AAA电池或钮钮扣电池作为为能源，Attmel AAtmegaa 微控制器器的工作频率率为4MHzz，无线通信信的最大速率率为40Kbbps，单个个节点之间最最大的通信距距离为2000英尺（约660米）。现现

49、在关于传感感器网络的大大多数科研和和演示系统都都是以Micca为平台的的。由于传感器网络络需要大规模模铺设，要求求每个传感器器节点的成本本很低，要达达到实用化要要求每个节点点的价格控制制在1美元以以下，现在每每个传感器节节点的造价大大约在80美美元左右，但但是相信随着着集成技术的的进一步提高高和大规模生生产带来的经经济效益，传传感器节点的的成本将会很很快下降。另另一方面由于于节点的微型型化要求每个个节点的体积积越来越小，DDust公司司已经开始设设计最终能够够悬浮于空气气中的“灵巧微尘”（smarrt dusst）传感器器，现已设计计出的最小全全功能“灵巧微尘”的直径只有有5mm左右右，他们计

50、划划将在1年之之内最终设计计出体积不大大于1mm33的产品。2.4 无线传传感器网络应应用传感器网络在军军事领域的应应用十分重要要，军方可以以通过飞机空空投等方式在在预定区域散散布大量微型型廉价的传感感器节点，通通过这些传感感器节点实时时监测周围环环境的变化，并并将监测到的的数据通过卫卫星信道等方方式发送回基基地17。这样就可可以方便地监监控我军布防防的阵地是否否有敌军入侵侵，也可以将将网络布置在在敌方阵地上上，以隐密的的方式监控敌敌方阵地和敌敌军活动情况况。现代战争争越来越表现现出信息战的的特点，战争争中信息的及及时获取和反反应对整个战战局的影响至至关重要，利利用传感器网网络的特点可可以给指

51、挥部部门提供及时时准确的信息息，这对增强强国家的国防防军事力量是是非常重要的的。虽然传感器网络络最初主要应应用于军事领领域，但是随随着技术的发发展，传感器器节点的成本本越来越低，而而功能却日益益强大，使得得以前造价昂昂贵的传感器器网络现在已已经能够进入入民用领域。现现在传感器网网络已经在民民用领域中得得到了很多应应用，越来越越多的可能的的应用领域也也不断展现在在人们的面前前，毫无疑问问在传感器网网络中隐藏着着巨大的商机机。传感器网网络在民用方方面的应用主主要有：生态态环境监测；基础设施安安全；先进制制造；物流管管理；医疗健健康；工业传传感；智能交交通控制；智智能能源等。传传感器网络还还有很多其

52、他他方面的应用用，前景无限限，这里就不不一一列举了了18。可可以肯定的是是，随着技术术的进步和经经济的发展，传传感器网络必必将会越来越越多的应用到到社会生活的的各个方面。无线传感器网络络关键技术无线传感器网络络作为当今信信息领域新的的研究热点，有有非常多的关关键技术有待待发现和研究究。而功耗和和安全问题对对于无线传感感器网络来说说，是两个最最重要的性能能指标，所以以WSN的关关键技术必然然以降低网络络功耗和确保保网络安全为为主线。下面面介绍网络拓拓扑控制、数数据融合等部部分关键技术术。1) 网络拓扑扑控制对于自组织的传传感器网络而而言，网络拓拓扑控制具有有特别重要的的意义。通过过拓扑控制自自动

53、生成的良良好的网络拓拓扑结构，能能够提高路由由协议和MAAC协议的效效率，可为数数据融合、目目标定位等很很多方面奠定定基础，有利利于节省节点点的能量来延延长网络的生生存期。所以以，拓扑控制制是WSN研研究的核心技技术之一119。WSSN拓扑控制制目前主要研研究的问题是是在满足网络络覆盖度和连连通度的前提提下，通过功功率控制和骨骨干网节点选选择，剔除节节点之间不必必要的无线通通信链路，生生成一个高效效的数据转发发的网络拓扑扑结构。拓扑扑控制分为节节点功率控制制和层次型拓拓扑结构控制制两个方面。功功率控制机制制调节网络中中每个节点的的发射功率，在在满足网络连连通度的前提提下，减少节节点的发送功功率

54、，均衡节节点单跳可达达的邻居数目目；目前已经经提出了以邻邻居节点度为为参考依据的的算法，以及及利用邻近图图思想生成拓拓扑结构的DDRNG和DDLSS算法法。层次型的的拓扑控制利利用分簇机制制，让一些节节点作为簇头头，由簇头形形成一个处理理并转发数据据的骨干网，其其他非骨干网网节点可以暂暂时关闭通信信模块，进入入休眠状态以以节省能量。2) 数据融合合在无线传感器网网络中，节点点传感器采集集数据并将它它发送到网络络终端。但是是在数据的采采集和传输过过程中，总要要对采集的数数据进行处理理，因此存在在如何对采集集的数据进行行处理、融合合的问题。如果完全在本地地节点上处理理采集的数据据而只发送处处理后的

55、结果果，可以降低低传输数据的的功耗，但增增加了本地节节点处理器的的功耗；如果果传输原始采采集的数据，可可以降低节点点处理器的功功耗但增加了了节点传输数数据的功耗。因因此，如何对对采集的数据据进行处理与与融合对降低低节点能耗起起到相当大的的作用。通常常网络中的传传感器数量很很多，传感器器采集的数据据具有一定的的冗余度，因因此将多个节节点采集的数数据相互结合合起来进行处处理可以降低低整个网络数数据的传输量量，有效降低低系统功耗，问问题是如何寻寻找本地节点点处理与节点点联合处理的的平衡点。3) 定位技术术位置信息是传感感器节点采集集数据中不可可缺少的部分分，没有位置置信息的监测测消息通常毫毫无意义。

56、为为了提供有效效位置信息，随随机部署的传传感器节点必必须能够在布布置后确定自自身位置。由由于传感器节节点存在资源源有限、随机机部署、通信信易受环境干干扰甚至节点点失效等特点点，定位机制制必须满足自自组织性、健健壮性、能量量高效、分布布式计算等要要求。现有的的WSN定位位算法根据定定位机制的不不同，可以分分为基于测距距的方法与不不基于测距的的方法两类。基基于测距的定定位机制利用用到达时间延延迟、信号到到达时差和接接收信号强度度来估计距离离或来波方向向，然后使用用三边测量法法或最大似然然估计等计算算未知节点的的位置。而不不基于测距的的定位机制无无需距离或角角度信息，或或者不用直接接测量这些信信息，

57、仅根据据网络的连通通性等信息实实现节点的定定位。距离无无关的定位机机制的定位性性受环境因素素的影响小，虽虽然定位误差差相应有所增增加，但定位位精度能够满满足多数传感感器网络应用用的需求，是是目前大家重重点关注的定定位机制220。4) 无线通信信技术传感器网络需要要低功耗短距距离的无线通通信技术。IIEEE8002.15.4标准是针针对低速无线线个人域网络络的无线通信信标准，把低低功耗、低成成本作为设计计的主要目标标。由于IEEEE8022.15.44标准的网络络特征与无线线传感器网络络存在很多相相似之处，因因此很多研究究机构把它作作为无线传感感器网络的无无线通信平台台。另外，超超宽带无线通通信

58、以其高速速率、低功耗耗、抗多径、低低成本等诸多多优势，已成成为室内短距距离无线网络络的首选方案案，这为WSSN的数据传传输开辟了一一种崭新的方方案。5) 时间同步步传感器网络中由由于节能策略略,节点在大大部分时间是是休眠的,所所以要求解决决通信同步问问题,即通信信节点双方需需要在通信时时同时唤醒。另另外,传感器器网络是一个个分布式网络络,所有节点点在通信上地地位对等,没没有优先级可可言。所以要要让整个网络络能够工作在在有效状态,往往需要做做到全网或者者一定范围内内所有节点的的同步,而不不是通信双方方的简单同步步。2.6 无线传传感器网络拓拓扑结构从无线传感器组组网形态和方方法来看，有有集中式、

59、分分布式和混合合式。集中式式类似于移动动通信的蜂窝窝结构，可以以集中管理；分布式结构构类似于Add-hoc网网络结构，可可自组织网络络接入连接，可可以分步管理理；混合式结结构是集中式式和分布式结结构的组合。其其中无线传感感器按节点功功能及结构层层次来看，有有可分为平面面网络结构、分分级网络结构构、混合网络络结构以及MMesh网络络结构211。1) 平面网络络：结构如下下图2-2所所示，是无线线传感器网络络中最简单的的拓扑结构，每每个节点都为为对等结构，具具有完全一致致的功能特性性，也就是每每个节点包含含相同的MAAC、路由、管管理和安全等等协议。但是是由于采用自自组织协同算算法形成网络络，其组

60、网算算法比较复杂杂：图2-2 无线线传感器网络络平面网络结结构Fig 2-22 leveel nettwork struccture of Wiirelesss sennsor nnetworrk2) 分级网络络结构（层次次网络结构）：如下图2-3所示，分分级网络分为为上层和下层层两个部分上层为中心心骨干节点；下层为一般般传感器节点点。骨干节点点之间或者一一般传感器节节点间采用的的是平面网络络结构，然而而骨干节点和和一般节点之之间采用的是是分级网络结结构。一般传传感器节点没没有路由、管管理及汇聚处处理等功能。图2-3 无线线传感器网络络分级网络结结构Fig 2-33 hierrarchiica