无线传感器网络的环境监测系统软件设计
基于无线传感器网络实现了环境监测系统的软件设计，由采集节点采集温湿度数据，然后无线传输至协调器，由协调器节点通过串口通信模块将数据发送至上位机，在上位机中实现对温湿度等环境参数的实时监测。分别完成了硬件节点程序设计和上位机环境监测软件设计，硬件节点采用CC2530，节点开发环境采用IAR，基于Z-Stack协议栈实现了节点组网以及数据通信；基于VS2012采用C#语言编程实现了上位机环境监测软件，最后联合硬件测试实现了系统的环境监测功能。关键词 无线传感器网络,环境监测，节点目 录
1 绪论 2
1.1课题的背景 2
1.2研究现状与发展趋势 2
1.3课题研究的主要内容 5
2 系统总体设计 5
2.1功能要求 5
2.2总体结构 5
3 系统软件设计 8
3.1节点之间的数据通信协议 8
3.2无线网络传感器协议栈设计 10
3.3 上位机串口程序设计 14
4 软硬件测试 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
绪论
1.1 课题的背景
自21世纪以来，科技发展迅速，传感器技术也迎来了新的发展。单一的传感器信息获取正在向网络化、集成化发展。无线传感器网络技术也就应运而生。过去，环境监测系统主要采用现场总线、分布式控制等方式，其缺点是布线琐碎、系统布局变动和维护比较难。随后，人们开始尝试利用无线传感器网络进行环境监测，发现其具有如下优点：成本低、方便部署。无线传感网络便成为一种新型的监测环境参数的方案。因此无线传感器技术的发展，给环境监测系统提供了新的活力。
本系统主要通过传感器节点采集环境数据，节点连成网络将数据进行汇总与传输，并在上位机上实时显示环境数据。
1.2 研究现状与发展趋势
1.2.1 无线传感器网络
自上个世纪80年代开始，美国率先开始对无线网络传感器进行研究。致力于建立一个低功耗、由多个传感器组成的网络。节点之间可以互相传输数据且各节点相对独立运行。这就是无线传感器网络发展的基础。
20世纪80-90年代，无线传
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据，节点连成网络将数据进行汇总与传输，并在上位机上实时显示环境数据。
1.2 研究现状与发展趋势
1.2.1 无线传感器网络
自上个世纪80年代开始，美国率先开始对无线网络传感器进行研究。致力于建立一个低功耗、由多个传感器组成的网络。节点之间可以互相传输数据且各节点相对独立运行。这就是无线传感器网络发展的基础。
20世纪80-90年代，无线传感器网络主要应用于军事，由于认识到传感器网络在现代网络战争中有着巨大的作用，美军早已斥巨资对无线网络传感器进行研究，而多种由无线网络传感器为基础的作战系统也应运而生。如协同作战系统可以针对空中目标；确定性分布系统可以反潜艇；远程传感器系统可以监管地面。
到了21世纪，无线传感器网络渐渐不仅仅适用于战争，开始更多的应用于民用技术。在无线网络传感器的研究与运用上，我国也并没有过多的落后于其他发达国家，甚至我国的无线传感器网络领域已经位于世界前列。而智能感知与自组网技术，更是被定义为信息技术发展的前沿方向。
1.2.2 无线传感器网络基本原理
无线传感器网络主要可以对网络覆盖区域中的环境数据等监测对象进行实时的监测、感知与采集，处理后将这些信息通过无线传输至上位机。
无线传感器网络中传感器节点最基本，由传感单元、处理单元、通信单元和电源组成。无线传感器网络一般采用分层体系结构。
图1-1 无线传感器网络结构示意图
无线传感器网络结构如图1-1 所示，传感器网络系统包含三个节点：传感器节点、汇聚节点和管理节点。数据由传感器节点监测后沿一定顺序进行逐次传输，传输至汇聚节点后通过传输协议传输至管理节点，管理节点在根据用户的需求进行处理并显示给用户。
而随着无线传感器技术的发展，传感器节点的价格也越来越亲民，应用也越发广泛。而具备数据存储、处理与数模转换功能的新型节点大小仅过去的四分之一大小。而随着节点技术的发展，这些新型节点的价格也会越来越低。可以预见，在今后的生活中，无线传感器技术会越发广泛的出现在我们生活中。
1.2.3 无线传感器网络的研究现状
无线传感器网络技术越来越流行,但却没有规模化使用，是因为它还有不少问题和难点，例如:
（1）网络通信协议：由于节点的微小化发展，节点所能计算、存储和通信的数据有限，每个节点获取的信息也有限，因此过于复杂的通信协议并不适合这些微小节点的运行。而随着无线网络拓扑结构的发展，通信协议也需要随时满足这些结构的要求。
（2）核心支撑技术：无线传感器网络的核心技术是网络通信协议，简单的通信协议可以使人们更方便的进行对无线传感器网络的操作。
（3）自组织管理：由于网络环境的多变与外在环境的复杂性，要求传感器网络可以自主的运行、维护和发送实时数据，这就是自组织管理。
（4）开发与应用：随着无线网络技术的发展，无线传感器网络需要的不仅仅是完整的软硬件设计原则，更多与之匹配的开发平台和更多的应用领域也是无线网络技术所追求的目标。
1.2.4 无线传感器网络的发展趋势
基于上述关键技术和难点，以及无线传感器网络的研究与应用，无线传感器网络技术发展的主要趋势如下：
灵活、自适应的网络协议体系。随着无线传感器网络在多种领域的适用，其网络协议、算法设计也需要与实际场景进行联系。因此在今后无线传感器网络的发展中，人们应该着重于设计出通用性更强的无线传感器网络。
跨层设计。大部分传感器网络设计时都是分层进行的。而各层设计的独立性往往导致传感器网络的局限性。单层的优化并不能保证无线传感器网络整体的优化，因此，跨层设计的概念被提出并进行实践。
ZigBee是一种主要应用于近距离传输的新型无线网络通信规范，其数据一般都是在节点内跳跃传输，因此这种通信效率很高。目前人们也在对ZigBee协议的标准进行整合，若该标准成功制定，则无线传感器网络也会迎来一次新的发展。
与其他网络的融合。目前无线传感器网络主要用于环境信息的监测与收集。但是其可以应用的领域不只于此。凡是需要数据感知、数据处理和储存的地方也都会使用这项技术。
1.3 课题研究的主要内容
旨在开发基于无线传感器网络的环境监测系统的软件部分，包括无线传感器网络节点的软件设计与上位机显示界面的软件设计。传感器节点采集数据后通过通信协议相互传输和汇聚至上位机部分，上位机再对数据进行分析并显示出来。
2 系统总体设计
2.1功能要求
1 、完成节点组网
2 、完成节点采集与数据传输软件设计
3 、联合硬件进行系统调试
1 绪论 2
1.1课题的背景 2
1.2研究现状与发展趋势 2
1.3课题研究的主要内容 5
2 系统总体设计 5
2.1功能要求 5
2.2总体结构 5
3 系统软件设计 8
3.1节点之间的数据通信协议 8
3.2无线网络传感器协议栈设计 10
3.3 上位机串口程序设计 14
4 软硬件测试 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
绪论
1.1 课题的背景
自21世纪以来，科技发展迅速，传感器技术也迎来了新的发展。单一的传感器信息获取正在向网络化、集成化发展。无线传感器网络技术也就应运而生。过去，环境监测系统主要采用现场总线、分布式控制等方式，其缺点是布线琐碎、系统布局变动和维护比较难。随后，人们开始尝试利用无线传感器网络进行环境监测，发现其具有如下优点：成本低、方便部署。无线传感网络便成为一种新型的监测环境参数的方案。因此无线传感器技术的发展，给环境监测系统提供了新的活力。
本系统主要通过传感器节点采集环境数据，节点连成网络将数据进行汇总与传输，并在上位机上实时显示环境数据。
1.2 研究现状与发展趋势
1.2.1 无线传感器网络
自上个世纪80年代开始，美国率先开始对无线网络传感器进行研究。致力于建立一个低功耗、由多个传感器组成的网络。节点之间可以互相传输数据且各节点相对独立运行。这就是无线传感器网络发展的基础。
20世纪80-90年代，无线传
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
据，节点连成网络将数据进行汇总与传输，并在上位机上实时显示环境数据。
1.2 研究现状与发展趋势
1.2.1 无线传感器网络
自上个世纪80年代开始，美国率先开始对无线网络传感器进行研究。致力于建立一个低功耗、由多个传感器组成的网络。节点之间可以互相传输数据且各节点相对独立运行。这就是无线传感器网络发展的基础。
20世纪80-90年代，无线传感器网络主要应用于军事，由于认识到传感器网络在现代网络战争中有着巨大的作用，美军早已斥巨资对无线网络传感器进行研究，而多种由无线网络传感器为基础的作战系统也应运而生。如协同作战系统可以针对空中目标；确定性分布系统可以反潜艇；远程传感器系统可以监管地面。
到了21世纪，无线传感器网络渐渐不仅仅适用于战争，开始更多的应用于民用技术。在无线网络传感器的研究与运用上，我国也并没有过多的落后于其他发达国家，甚至我国的无线传感器网络领域已经位于世界前列。而智能感知与自组网技术，更是被定义为信息技术发展的前沿方向。
1.2.2 无线传感器网络基本原理
无线传感器网络主要可以对网络覆盖区域中的环境数据等监测对象进行实时的监测、感知与采集，处理后将这些信息通过无线传输至上位机。
无线传感器网络中传感器节点最基本，由传感单元、处理单元、通信单元和电源组成。无线传感器网络一般采用分层体系结构。
图1-1 无线传感器网络结构示意图
无线传感器网络结构如图1-1 所示，传感器网络系统包含三个节点：传感器节点、汇聚节点和管理节点。数据由传感器节点监测后沿一定顺序进行逐次传输，传输至汇聚节点后通过传输协议传输至管理节点，管理节点在根据用户的需求进行处理并显示给用户。
而随着无线传感器技术的发展，传感器节点的价格也越来越亲民，应用也越发广泛。而具备数据存储、处理与数模转换功能的新型节点大小仅过去的四分之一大小。而随着节点技术的发展，这些新型节点的价格也会越来越低。可以预见，在今后的生活中，无线传感器技术会越发广泛的出现在我们生活中。
1.2.3 无线传感器网络的研究现状
无线传感器网络技术越来越流行,但却没有规模化使用，是因为它还有不少问题和难点，例如:
（1）网络通信协议：由于节点的微小化发展，节点所能计算、存储和通信的数据有限，每个节点获取的信息也有限，因此过于复杂的通信协议并不适合这些微小节点的运行。而随着无线网络拓扑结构的发展，通信协议也需要随时满足这些结构的要求。
（2）核心支撑技术：无线传感器网络的核心技术是网络通信协议，简单的通信协议可以使人们更方便的进行对无线传感器网络的操作。
（3）自组织管理：由于网络环境的多变与外在环境的复杂性，要求传感器网络可以自主的运行、维护和发送实时数据，这就是自组织管理。
（4）开发与应用：随着无线网络技术的发展，无线传感器网络需要的不仅仅是完整的软硬件设计原则，更多与之匹配的开发平台和更多的应用领域也是无线网络技术所追求的目标。
1.2.4 无线传感器网络的发展趋势
基于上述关键技术和难点，以及无线传感器网络的研究与应用，无线传感器网络技术发展的主要趋势如下：
灵活、自适应的网络协议体系。随着无线传感器网络在多种领域的适用，其网络协议、算法设计也需要与实际场景进行联系。因此在今后无线传感器网络的发展中，人们应该着重于设计出通用性更强的无线传感器网络。
跨层设计。大部分传感器网络设计时都是分层进行的。而各层设计的独立性往往导致传感器网络的局限性。单层的优化并不能保证无线传感器网络整体的优化，因此，跨层设计的概念被提出并进行实践。
ZigBee是一种主要应用于近距离传输的新型无线网络通信规范，其数据一般都是在节点内跳跃传输，因此这种通信效率很高。目前人们也在对ZigBee协议的标准进行整合，若该标准成功制定，则无线传感器网络也会迎来一次新的发展。
与其他网络的融合。目前无线传感器网络主要用于环境信息的监测与收集。但是其可以应用的领域不只于此。凡是需要数据感知、数据处理和储存的地方也都会使用这项技术。
1.3 课题研究的主要内容
旨在开发基于无线传感器网络的环境监测系统的软件部分，包括无线传感器网络节点的软件设计与上位机显示界面的软件设计。传感器节点采集数据后通过通信协议相互传输和汇聚至上位机部分，上位机再对数据进行分析并显示出来。
2 系统总体设计
2.1功能要求
1 、完成节点组网
2 、完成节点采集与数据传输软件设计
3 、联合硬件进行系统调试
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