文摘
基于无线传感器网络,本文结合节点监测数据与智能网络地址管理。用户可以查看实时环境数据通过电脑或手机,可以手动远程管理的环境调整设备通过移动电话网络地址。本文首先论述了课题的研究背景,介绍了当前国内外研究现状的基础在环境检测和分析的原因选择无线个域网网络的无线传输环境智能监测系统。其次,结构,分层模型,介绍了无线传感器网络的关键技术,并指出无线个域网技术,具有低功耗的特点,可靠的通信,网络的自组织、自愈能力强,成本低,非常适合应用程序的环境。然后,分析“透明国际”的协议栈Z-Stack基于ZigBee2006标准和分析网络地址分配和处理Z-Stack,节点绑定的过程和步骤,路由机制和路由维护和通道配置。深入讨论了其他功能的实现。在仿真实验中,智能监控系统的硬件设计,网络节点被分为两个部分:核心板和底板。晶体振荡器、电源、天线和I / O端口电路的核心板的设计,数据采集,继电器,电源底板的设计。最后,本文研究了在环境监测网络的数据安全问题,提出了两种解决方案网络访问控制和数据加密。实验结果表明,在低功耗设计方面,整个系统的能量计算,以确定影响能耗的因素系统和方法,如增加节点的睡眠时间,以确保系统可以工作很长一段时间。
1。介绍
环境监测的特点是大量的监视点,长时间监测,监测条件复杂。针对传统的环境监测方法的缺点网络节点布局和低智能等困难,环境监测的无线传感器网络系统设计基于ZigBee协议(1]。系统具有大量的节点,可靠性高,方便的网络布局,和远程控制。然而,使用有线网络监控装置很容易受地理环境等因素影响而繁琐的布线,安装成本和难度,维护和更新相对比较大,大部分的用户带来一定的不便,所以它是没有晋升的。因此,迫切需要一个无线智能监控系统能够检测环境信息,并采取相应的措施在种植过程中根据结果的网络地址2- - - - - -5]。
考虑到无线传感器网络技术越来越多的用于字段,和内部WPAN基于IEEE 802.15.4标准提供服务的优势低速度、低成本、低功耗,本文提出了基于国内外现有的研究。视觉监控系统的设计方案,基于无线传感器网络的网络地址环境当前网络控制系统具有重要意义[6- - - - - -8]。web客户端可以显示历史数据和实时数据。安卓客户端实时数据的更新功能,地图的显示功能,报警机制的异常数据。客户端为用户提供可视化的设计直观的数据。系统的设计主要包括低计算机收集网络环境的设计参数和设计上计算机网络环境的智能监控。较低的计算机采用ZigBee无线传感器网络。为了实现无线传感器网络的数据采集和传输功能,硬件节点以模块化方式设计。硬件主要包括传感器节点模块收集网络中环境参数,调整网络环境设备控制模块,无线通信模块、处理器模块的CC2530芯片,串行通信模块和电源模块硬件能源控制(9- - - - - -11]。
在智能监控系统的软件设计,使用IAR编译完成无线个域网的网络协议栈,这样的节点可以形成一个网络,无线和自主的方式进行数据传输;电脑监控平台使用Visual c++开发环境和使用工业控制iocomp实现网络地址的功能环境数据显示,模糊温度控制、服务器建设、和报警;安卓客户端使用Eclipse开发平台,设计菜单,用户界面,服务器连接,其他模块和实现使用手机获取环境数据和控制网络地址。研究了无线传感器网络的路由协议,RPL(损耗和低的路由协议。电网)路由实现,RPL路由的性能进行了分析。与CTP (CollectionTree Protoc01)路由显示了良好的性能的RPL路由。基于RPL路由,无线传感器网络的环境数据收集功能设计;的功能服务器和MySQL数据库来存储环境数据的设计,以及实现服务器和客户端之间的网络通信。
2。相关工作
目前,研究人员有很多科学研究成果在工业控制领域,智能交通、智能家居、环境监测,等等。在当前研究成果,不同的研究人员使用不同的技术在不同的方向来达到研究目标。例如,基于ZigBee协议的研究,基于Tinyos操作系统,和基于嵌入式Linux系统的研究,一些研究人员使用GPRS, TCP / IP等研究无线传感器网络和互联网的结合(12- - - - - -14]。
特瓦珊和约翰斯通15)提出了一个生化传感器,检测有害物质和有害物质信息以减少损害人类安全,设计了一种数字检测装置对环境温度和光照强度达到实时温度和光线在不同的环境和实时检测和显示获得的数据来实现人机交互。伊克巴尔et al。16]研究了传感器网络网关和设计了无线传感器网络和外部网络之间的互连,设计网络测控系统,实现在硬件和网络环境参数的采集数据的采集和处理软件。Yadav et al。17]研究农业监控基于无线传感器网络技术,实现硬件和设计的通信协议。无线传感器节点将环境数据发送给主节点通过GPRS网关,每15分钟和主节点使用TCP。IP协议将数据转发到远程服务器。慕克吉et al。18)设计了一种基于无线传感器网络的环境监测系统精准农业。它可以自动收集温度、湿度、压力等数据,通过GPRS传输数据到远程服务器。该系统还包括web服务,谷歌地图,SMS(短消息服务)警报和其他服务。阿迪尔et al。19)提出了一种基于无线传感器网络的远程农业网络监控系统和短信。它可以准确地捕获温室的环境信息和环境数据改变时发送短消息给农民异常。位置环境很难检测到。他们设计了一个基于ARM的多区域无线检测系统,它使用一个手臂控制器控制短信TC35i模块和发送和接收短信。
由于传感器网络部署的规模非常大,如何将传感器网络中的节点连接到互联网是一个难点。我们知道目前IPv4地址几乎耗尽了,它不再是必要的IPv4地址分配给传感器网络节点。由于大量的IPv6地址,IPv6技术的应用在无线传感器网络将使每个节点分配一个IP地址。因此,IETE建立了6 lowpan (IPv6 /低功率WPAN)工作小组,致力于标准化的IPv6协议IEEE802.15.4标准。环境监测的随机性是反映在两个方面。一是收集的数据一度很随机的。因此,为了获得准确的结果,通常需要收集大规模和大数据点通过统计方法。此外,总的来说,类型、数量、大小、时间和空间分布的信息都是随机影响人们的社会行为,自然因素,和特定的环境条件,明显的随机性(20.]。
3所示。远程环境监测网络模型的设计基于智能传感器网络的地址分配和处理
3.1。智能传感器网络拓扑结构
智能无线传感器网络是指在该地区环境条件的检测传感器节点分布在传感领域,数据融合和传输。最后,网关节点负责处理数据和通过它上面的电脑作进一步处理。它包括尖端技术,如传感器技术、微处理器和无线通信网络。图1是智能传感器网络的拓扑。
WSN网络的体系结构主要由以下几点:终端节点是传感器网络的一个重要组成部分,它包含一个嵌入式系统,主要负责检测和发送的数据信息检测传感领域的目标。一般电池和位于WSN。路由节点更有能力比终端节点的数据处理和转发。它可以被视为一个增强的终端节点,这本质上是一个终端节点不包含检测模块。
协调员主要负责形成、维护,以及整个传感器网络的加入。通常连接到本地计算机,充当网关;本地计算机视觉显示和存储信息收集的终端节点。现场检测信息通过互联网发送到远程计算机网络,以便用户可以远程读取信息和发送控制信息。
网络体系结构主要是指网络协议的分层结构。网络协议体系结构的基础是基于互联网的体系结构设计的。由于不同的带宽、节点功能,操作环境,网络规模、沟通范围,和特定的应用程序需求,它的网络协议体系结构有点不同于互联网网络结构。
考虑到设备硬件的成本,实际应用中使用的载波监听多址方法通常是载波监听多访问冲突避免(CSMA-CA)。没有直接冲突的控制,数据链路层通常采用误差控制方法,以确保节点传输的成功率。循环冗余校验等使用错误检测技术与响应信号通常是一个非常有效的错误控制技术基础上。
在信号传输过程中,无线个域网网络MAC层访问。MAC选择CSMA / CA控制算法,可以有效地绕过相互干扰和信号在传输过程中积累。同时,控制层可以兼容确认信号通信方法和更有效的确认信号的安全通信。
3.2。网络地址分配设计
无线个域网网络的地址分配模块由不同的节点,包括终端节点、路由节点和协调器节点(网关节点)。终端节点分为数据采集节点和环境控制节点。数据采集节点包含多个环境传感器。主要功能是检测各种环境因素和将其转换为电信号。为了检测网络地址的环境信息更全面,用户数据采集节点可以放置在不同的位置的多个网络地址;环境控制节点控制的智能监控系统和控制环境调整设备的网络通过一个继电器,以确保网络地址总是保持作物的最佳生长环境。
路由节点更有能力比终端节点的数据处理和转发。它可以被视为一个增强的终端节点,这本质上是一个终端节点不包含传感器。协调器节点主要负责整个传感器网络的形成和维护和控制终端节点的加入。通常连接到本地计算机,充当网关。图2显示了WSN网络节点地址的分配。
路线选择是一个过程,设备在网络寻找和建立合作路线,通常由一个路由器。它会搜索所有可能的源地址和目标之间的路线,并试图找到最好的路线。路线选择的基础是最少的环节成本,也就是说,最少的消费选择的路线。每个节点必须不断地跟踪其所有邻居节点的连接消费,这是一个接收到的信号强度的函数。路线的成本是增加的成本的所有链接从源地址到目的地,选择成本最低的路线。网状网络提供路由维护和自我修复功能。中间节点将记录链接上传输失败。如果被认为是链接,这个链接将链接修复所有节点。它通常开始重新发现过程后下次数据包到达这个链接。如果重新发现路线无法启动的过程中,或由于某种原因失败时,它会发送一个RERR数据包的发送节点,然后,它将再次启动路由发现过程。 Either way, the establishment of the route will be completed automatically.
3.3。环境远程监控的体系结构
环境远程监控数据链路层负责媒体访问控制(MAC)和错误控制无线传感器网络。载波监听多路访问(CSMA)是最常用的数据访问技术,系统和它的工作原理是网络节点监控是否通信信道发送数据前是免费的。如果占用通道,节点将再次检测在一段时间内并关闭电路在等待期间节约能源;网络层负责网络连接、路由管理、和无线传感器网络拥塞cControl,等,与一般的网络;传感器网络节点分布密度高的特点,大量,所以网络更大的计算机处理能力的限制,存储容量和能耗。
传输层主要负责数据流传输控制的基础上,确保数据传输的安全性和可靠性。在实际使用中,由于传感器网络是相对较小的数据传输与传统的网络相比,无线传感器网络的传输层的必要性尚未获得。图3是环境远程监控的体系结构的过程。
在网络上,如果你想要其他节点发送数据或命令,使用AF_DataRequest()函数。这个函数需要发送目的地地址和端点必须已知。端点是一个无线个域网的通信协议中定义的数据处理方法。每个设备最多支持240个端点。例如,一个按钮,一个传感器,或光可以是一个端点。目的地址模式具有以下价值:AddrNotPresent(未知地址模式),Addr16Bit(短地址模式),AddrGroup(集团地址模式)和AddrBroadcast(广播模式)。
内核的概念有两个目的:一是作为计算属性约简的基础,另一个是,它可以被视为最重要的条件属性在属性约简。这些地址模式都是必要的,因为在无线个域网,数据包可以单播、多播或广播。函数ZDO_ProcessMgmtLeaveReq可以用来断开节点本身或者它的子节点从这个网络,和它基于IEEE地址。如果一个节点离开从网络本身,它通常等待5秒钟,然后重启。重新启动后,节点进入静止状态。它不会再次尝试重新加入网络。如果一个孩子节点的节点离开网络,它将从联系人列表中删除该设备。如果这个地址属于一个终端设备,这个地址会被安排到其他终端设备。如果它是一个路由器,这个地址将不再被使用。如果一个节点的父节点离开网络,它将保留在网络。
3.4。监控网络设计因素的变化
PC监测网络控制终端采用Visual c++开发环境,以及工业控制iocomp用来实现数据的实时处理和显示信息通过网关。在收集环境信息数据的终端节点和计算的模糊算法,PC监控终端将显示结果。转化成相应的控制信息,发送给相关终端控制节点。当环境信息超过预警值或人类的热红外传感器(可在晚上开启防盗)被触发,PC监控终端发出报警信息。
安卓手机监控终端的智能监控系统将安装Eclipse编制的监控程序,可以连接到互联网通过3 g / 4 g网络获取实时网络地址环境信息,实现网络地址直接手动控制环境调整设备在客户端。确认协调后,FFD节点启动通道扫描。通道扫描有两个过程:活跃的扫描和能量扫描。第一个是执行能量扫描。在这个过程中,为了减少不必要的干扰尽可能FFD节点开始能量扫描指定的通道。能量扫描的功能是选择渠道在容许范围内的能量水平。图4显示了WSN远程监控的数据分布。
当发送数据但不知道目的地址,地址模式需要AddrNotPresent,和地址不能被指定。目的地址只能从绑定表搜索。后发现,数据可以发送点对点发送模式或一组发送模式。在ZigBee2004,所有绑定表存储在协调器。在这个时候,发送节点将数据发送给协调器,然后,协调器将数据转发到目的地址绑定表中找到。绑定机制通常使用按键或其他类似的行动在设备上必须完成一个绑定在指定的超时时间。默认超时时间(APS_DEFAULT_MAXBINDING_TIME)是16秒。ZDApp_SendEndDeviceBindReq()函数调用ZDP_EndDeviceBindReq()将绑定信息发送到它的父节点。父节点收到它之后,它会解析函数ZDO_ProcessEndDeviceBindReq()和调用ZDApp_EndDeviceBindReqCB()和ZDO_MatchEndDeviceBind()来处理请求。没有找到相应的信达时,网络层将通过相应的参数和返回通知上层网络的初始化失败。 Active scanning is to scan the network information within the communication range. Based on this information, the FFD node can determine a channel that is used by little or no equipment.
4所示。应用程序和分析环境远程监控网络模型基于智能传感器网络地址分配和处理
4.1。智能传感器网络地址数据提取
在环境监控系统的设计,“透明国际”的协议栈Z-Stack使用。协议栈符合ZigBee2006规范和有很丰富的功能,比如无线下载节点通过无线个域网网络更新程序,并定位感知功能,等等。为了简单起见,Z-Stack用于环境监测系统的功能介绍。JTAG(联合测试行动小组)来自官方的模块功能检查的检查方法,它属于模块的内部控制方法。CC2530模块可以提供一部分JTAG模块通信功能测试和编辑整个网络的工作程序的串行通信测试和软件流程设计模块。
内核的概念有两个目的:一是作为计算属性约简的基础,另一个是,它可以被视为最重要的条件属性在属性约简。编译、验证和其他功能类似系统的每个模块都是应用于JTAG测试窗口。然而,通过ARM JTAG调试模块截获通常包括三个模块:测试的总体结构、通信传输接口,测试结果显示模块。模块可以完成测量装置之间的信号传输和监控中心完成几个部分的相互信号传输通过收购和传输电路、信号读出电路和电源电路。图5中提取出的地址数据空间智能传感器网络。
微处理器模块负责控制数据处理操作、路由协议、能耗管理、任务管理等整个节点。最重要的是实现一个安全可靠的网络通信协议;无线通信模块负责与其他节点和无线通信交换控制信息和发送和接收数据。网络参数的配置是设置网络的ID号。确定通道时,潘潘FFD节点将决定一个ID。ID可以设置一个ID,不会导致网络冲突通过监控功能。潘ID也可以设置,认为它是。的ID不能设置为0 xffff锅ID,它是一个保留的地址。电源模块管理部门针对不同的节点类型有不同的供电模式。在终端设备节点上,两个1.5 V的电源由碱性电池,和协调器的电源是USB电源或交流电源。协调器有一个液晶显示器,可以显示发送和接收的命令和状态的节点。 Buttons can be used to control binding and send commands. There is also an RS-232 serial port on the coordinator to communicate with the monitoring host.
4.2。网络地址分配和寻址模型模拟
CC2530模块,P2端子1和2都是独立提供提供JTAG模块。JTAG模块设计的信号接收端显示文本的细节。在制作的过程中模块部分,小心连接港口7 JTAG模块的初始化端口CC2530模块,以完成整个系统的初始化验证和仿真工作。
传感器节点是用来收集网络中各种环境参数和它的子节点的数据,包括温度和湿度传感器SHT11及光电传感器BPW34S。融合节点用于构建网络,给指令,收敛发送的信号传感节点,并将它们传递给监控平台在同一时间。此外,ZigBee无线通信部分是由CC2530射频芯片,采用DSP技术和监控中心。软件部分包括节点的设计过程和监控平台项目。过程包括传感器节点的节点工作流和融合节点工作流。协议栈使用TI的ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0版本,用C语言实现的Visual Studio 2010开发环境,监控中心是方便和迅速为用户提供实时在线的理解网络环境、数据存储、和定量的管理网络,等图6测试是网络地址分配和处理信息。
数据库实现数据存储和发展,与此同时,满足功能的添加、删除、修改和检索数据。在这篇文章中使用的数据库版本是Microsoft SQL Server 2008。本文主要使用DBHelper。cs文件实现相应的功能。数据库存储和同事数据实现平台显示、查询和控制功能。TinyOS 2.1.2下实现数据收集平台,程序基于RPL路由NesC写的语言,能够准确地收集温度、湿度、光、和其他信息环境中燃烧TelosB的传感器节点,并通过网络地址TelosB部署传感器节点组成的无线传感器网络。
因为它能有效地分析和处理各种不完整的信息,如不准确和不完全性,TelosB的传感器节点在网络环境中收集到的数据传递给汇聚节点通过RPL路线。整个网络的实现是基于波动2.0协议栈和TinyRPL。在nesdoc图标,一个矩形代表一个模块,如IPProtocolP和双层矩形表示一个配件,如MainC。图7网络地址分配的分布数据库节点。
B-LUX-V30B传感器提供了I2C数据输出格式,由4位指数和一个八位尾数。设备工作时的最高灵敏度模式中,一个计算值代表0.045流明。尾数是255的最大价值,指数的最大值是14。因此,最大范围是: 。最大流明阅读价值0.045流明/ LSB是188000。任何阅读大于这个值(例如, )将被视为过载。流明值过载条件下不能转换公式计算的环境光传感器。实时数据显示模块的基本设计思想是当实时数据显示模块打开网站上,该API接口,调用监控数据传输到服务器,同时,通过监测数据的形式注入echarts视觉显示的字符串。
我们将介绍两个重要的概念“相对减少”和“相对核心”的知识。与此同时,我们将jS框架跳过(由于网络延迟和其他不可抗拒的原因,跳帧的时间间隔是低于)不断调用的API接口监控数据来执行动态监测和视觉显示的数据。虚线边界表明该组件是通用,需要实例化在实际使用中,如TimerMilliC。与一个箭头显示接口的绑定,从用户界面到提供者的接口,和文本表示绑定接口的连接,如led LedsC配件用于TestRPLC模块的接口,或如IPStackC配件。使用的IP接口由IPProtocolsP模块实现。
4.3。示例应用程序和分析
实验所需的微处理器使用德州仪器(TI) CC2430,这是一个soc内部2.4 GHz IEEE 802.15.4 /无线个域网提供服务解决方案。CC2430集成了IEEE 802。15。4标准2.4 GHz射频无线电收发器,内存和单片机。它使用一个8位单片机(8051),128 KB的可编程闪存和8 KB的内存。
SHT11测量终端包括传感设备采用专用设备和专用设备采用流体聚酯块获得参数。它坐落在相应的模块,完成通信没有漏洞9-bit A / D转换装置和通信终端模块。同时,确定模拟通信模块的端口(SCK时钟电路和数据传输电路)的两端,并使用我2 C电路系列模块和外围设备连接扩张。SHT11测量设备占地面积小,消耗更少的空间,尤其是及时回答,有很多特性,比如强烈的抵制外部噪音。这也被视为初步识别的多参数监测温室。图8串口模块的参数分布的传感器网络电路。
在设计、数据采集模块采用CC2430内部ADC。其结构所示的文本。它支持12位模拟数字转换。里面是一个模拟多路复用器,它可以支持多达8个可配置的通道。每个采样结果写入内存通过DMA没有任何干预的内核。这种方法可以确保样本的ADC可以捕获一个连续流。从串口接收数据,可以设置串口并设置报警值,有报警提示,并能显示温度曲线。串口配置:38400波特率,数据位8位,无校验位,1停止位。打开监控软件之后,你可以看到数据发送到网络中协调。这些数据包含的短地址发送节点及其实时环境数据。 Here is an example of temperature: according to the preset alarm temperature, for example, it is set to 18.085 degrees, and the actual temperature is 18.59 degrees, which exceeds the preset alarm line. Figure9显示了WSN实时环境数据的响应分布。
当收到来自其他节点的请求加入网络,协调器将为该节点分配一个网络地址。协调器节点主要用于接收数据的所有节点设计,在自己的液晶显示,上传所有接收到的数据监视主机的数据分析和存储。在此期间,你也可以发送命令向下。如果多个设备节点发送请求到协调器节点同时,协调器节点将失去一些请求如果来不及反应,并发现其请求的设备节点没有回应几秒钟后将再次发送请求,直到它从协调器节点,直到得到一个响应。
协调器建立了网络后,网络中的协调者的角色是一样的路由器。如果协调器断开连接,网络维护,也就是说,数据传输可以继续,但没有可以加入新节点。由于所有数据发送给协调器的设计,如果协调失败,它将导致所有数据不断被重新传输,这将影响到网络操作。
5。结论
摘要环境监测网络的设计包括两个方面:硬件设计和软件设计。硬件设计主要介绍了选择和设计方法的微处理器模块、数据采集模块、天线模块,和其他外围电路芯片。在软件设计方面,监控中心的软件设计软件和无线个域网环境监测网络节点基于Z-Stack介绍了协议栈,包括节点加入网络地址分配、数据收集、通信、路由管理、数据加密。在智能监控系统的功能测试,测试平台建于Venlo网络测试无线个域网网络节点网络和数据传输功能,电脑监控终端软件数据收集、智能环境的调整,和报警功能,和Android客户端远程获取环境信息和控制环境,并调整设备的功能。然后,我们定义一个类别的正域相对于另一个。最后的测试结果表明,智能监控系统的功能在前面的设计已经成功地实现。最后,通信,系统的稳定性和功能测试。验证后,系统是可行的,该系统是安装在实体,相比之下,传统的手工测试。实验测试表明,该ZigBee-based WSN技术引入智能网络监控系统是可以实现的控制多参数影响的整个过程的网络地址搜索和匹配,从而缩短植物生长周期,提高产量,满足系统的期望。系统具有较强的稳定性,性能可靠,易部署、维护和扩张,提供了一种新的控制方法的自动化网络地址环境监测。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。
确认
这项研究是由广东科技大学的支持。