基于无线传感网络的环境温度监测系统设计

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1、HUNANUNIVERSITY设计论文题目：基于无线传感器网络的环境温度监测系统研究学生姓名：王利阁学生学号：S1309W1014小组成员：刘杰成员学号：S1309W1016课程名称：无线传感网络设计指导老师：杨唐胜学院名称：电气与信息工程学院2014年1月6日基于无线传感网络的环境温度监测系统研究【摘要】在工业测量领域，往往需要长时间、大范围、多通道的数据测量系统。而在野外环境监测领域，由于环境条件的特殊情况，经常使监测系统因为电源、长距离布线等因素的存在而难以有效部署。无线传感器网络由于其低功耗、自组织路由、无需布线等特性，特别适合于工业领域的野外测量。本文以野外环境温度监

2、测为例，采用Zigbee无线传感网络技术，设计了一套无线温度监测系统，对100平方千米的林区实时采集温度信息，并通过网络互联技术完成Zigbee无线传感网络与以太网的连接，将采集到的信息送到远距离的监控中心，实现远程实时监控。1、引言无线传感网络能够自主协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，通过无线多跳的方式传送给观察者，方便远距离控制。传感器节点是构成无线传感网络的基础，大量传感器节点随机的部署在监控区域内，能够通过自组织方式形成网络。传感器节点监测的数据经过多跳路由并经路由节点进行数据融合，剔除冗余数据，将有效数据传输至汇聚节点，

3、最后通过互联网或卫星通信到达监控中心。但是对于野外环境的监测系统，节点大多采用电池供电，如何节省能量，延长网络寿命是将直接影响整个无线传感网络的性能，因此功耗是无线传感器网络的重要指标之一。除了在选用低功耗芯片等方面降低节点的功耗外，本文还通过在一些重要的路由节点安装太阳能电池板来延长节点寿命，并通过综合运用数据融合技术，动态路由技术来延长网络寿命。2、系统总体设计方案分布在监测区域的传感器节点将所采集到的温度数据发送给相邻的路由节点，路由节点将所接收的数据进行融合后并由多跳路由协议再转发给靠近采集节点的汇聚节点，由于本系统是应用于野外环境温度监测，汇聚节点无法通过以太网直接与

4、上位机相连，故采用GPRS网络作为系统长距离传输方式。汇聚节点经过融合处理将接收到的数据经GPRS网络发送到监控中心。监控中心也通过类似的过程对监控区域进行管理。基于无线传感网络的环境温度检测系统如图1所示。8簇头GPRS骨干网汇聚节点任务管理节点监测区域图1环境温度监测系统架构本系统主要实现采集节点对环境中温度的采集和处理，采集节点和汇聚节点间的通信，汇聚节点对数据的存储与处理，以及汇聚节点与远程终端间的通信。3、路由协议针对无线传感网络选择恰当的路由路径不仅对数据的有效传输至关重要，对于节省节点的能量也起着关键性作用。针对本文所采用的树形网络拓扑结构，选择集群结构路由协议中

5、最具启发性的LEACH协议。集群结构如图2所示图2集群结构集群结构的网络主要有以下优点：（1）非簇头节点只需要与簇头节点通信，可以很大程度地节省能量；8（2）只有簇头节点需要进行较复杂的数据计算，如数据融合。因此可以很大部分节点工作于低性能节点；（3）簇内节点之间的数据相关性较高，这给数据融合带来了方便。LEACH协议为了避免让网络中的某些节点过早的先于其他节点因能耗过多而失效，将周期性的随机选择节点来充当簇头节点。当新的簇头节点形成，其它的非簇头节点将寻找最近的簇头，并加入其所形成的簇。簇内节点所采集的数据直接发送给簇头，由簇头进行数据融合后再发送给远端的Sink节点。在LE

6、ACH协议中，时间被分为若干轮。每次重选簇头之间的时间间隔即为一轮。每一轮中包含两个阶段：初始化阶段和稳定阶段。初始化阶段用于新簇形成以及新簇的一些其它初始化操作，而稳定阶段即是正常的数据传输阶段。LEACH协议中节点每轮以下面的概率选择自己作为簇头：（1）式中，为节点在时刻的剩余能量；为所有节点能量值和；K为每一轮随机选择K个节点作为簇头。初始化阶段的主要工作即确定哪些节点将充当簇头，并和其他临近节点形成一个簇结构，然后簇头分配各节点的TDMA时间片。这一流程可表示如图3所示。8图3初始化阶段流程图稳定阶段簇内使用TDMA方式进行通信。为了节省能量，各节点根据在初始化阶段所接

7、收到的广播消息的信号强度来调整自己的信号发送功率，以使得信号刚好能被簇头节点接收。另外，由于这一阶段的数据传输用的是TDMA方式，因此节点在不属于自己的时间片内可以使收发装置进入低功耗模式以节能。LEACH协议的一大特点是动态选择簇头节点来均分能量负担，且其动态性也增加了集群网络协议对网络变化的适应性。再加上集群结构协议由于管理方便以及其稳定性特点，LEACH适合于交大规模的无线传感网络。4、硬件设计4.1节点原理本系统采用树状拓扑结构，在整个无线通信网络中，每个节点的功能并不都一样。为降低