ａ叶弑２０１４年第２７卷第８期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｅｉ．＆Ｔｅｅｈ．／Ａｕｇ．１５．２０１４ 无线传感网络环境温度监测系统研究 郝素兰 ，乔钢柱 ，谭 瑛 （１．太原科技大学计算机科学与技术学院，山西太原摘０３００２４；２．安徽机电职业技术学院信息系，安徽芜湖２４１００２） 要 以温度数据采集为例，在Ｃｒｏｓｓｂｏｗ公司的ＴｉｎｙＯＳ平台上设计并实现了一种基于无线传感器网络技术的 环境监测系统，该系统能实现对环境温度参数的实时采集。测试结果显示，该系统能准确地采集到环境中温度变化， 其稳定性、准确性、可靠性和方便性均得到了验证。 关键词 无线传感器网络技术；温度数据采集；环境监测系统 中图分类号ＴＮ９２６ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１４）０８—０４３—０４ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＨＡＯ Ｓｕｌａｎ ，ＱＩＡＯ Ｇａｎｇｚｈｕ ，ＴＡＮ Ｙｉｎｇ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ａｎｈｕｉ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈｕ ２４１００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｃｑｕｉｒｅ ｒｅａｌ・－ｔｉｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｂｉ－－ ｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＴｉｎｙＯＳ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｔｅｒｎ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｃｃｕｒａｃｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 随着生活水平的提高，人们对环境舒适度的要求 也越来越高，无论是办公室还是住宅，适宜的温度都是 重要的…。随着无线传感器网络技术的１３益成熟，采 了传统有线数据采集温度的诸多缺点。 １ 环境监测系统设计 １．１ 系统整体设计 用无线传感器网络构造环境温度监测系统已成为可 能＿２ 。无线传感器网络＿３＿４ 综合了传感器、无线通信、 微电子、网络等技术，其是由大量微型传感器节点通过 本文采用无线传感器网络进行温度监测，介绍了 基于ＴｉｎｙＯＳ操作系统的无线传感器网络温度监测网 的组建方案。该系统由终端节点、路由节点和基站节 点组成，各节点以自组织的方式构成网络，且节点之间 无线通信方式构成自组织网络系统，通过内置的传感 器节点能感知监测区域内的各种信息 Ｊ，如：温度、湿 度、光照等。短距离、低功耗的无线通信方式是无线传 感器网络通信的特点之一，其应用前景广泛，可用于军 事、环境监测、智能交通、智能家居等领域 。本文设 计了一种基于无线传感器网络技术的环境温度监测系 统，实现了节点间数据的无线传输，以及环境温度参数 的实时采集。该系统能快速准确地监测室内温度，并 具有可靠性、准确性、实时性等优点，同时还有效克服 通过无线传感器网络技术通信。各终端节点连接温度 传感器定时采集环境温度参数，并通过无线传感网络 发送数据；路由节点接收终端节点发送的数据并进行 处理，然后再发送数据包；基站节点接收到数据包后发 送至上位机并展示给用户。环境监测系统拓扑结构 如图１所示。 路由节点 ●＿＿－－－．－＿ 收稿日期：２０１３．１２．１６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１２７２３７４）；山西省 、～ ：一 ＼‘ 、 终端节点Ｉ 高校科技开发基金资助项目（２０１２１０６９）；太原科技大学博士 科研启动基金资助项目（２０１３２０１４） 作者简介：都素兰（１９８２一），女，硕士。研究方向：无线传 感器网。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｏｓｕｌａｎ５２１＠１６３．ｃｏｒｎ。乔钢柱（１９７５一）， 。～～ ～～’ 男，博士，教授。研究方向：分布式网络计算，网络化协同设 计等。谭瑛（１９６５一），女，博士，教授。研究方向：智能计 算，数据库系统等。 ｗｗ ｗ．ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ ｏｒｂ 图１ 系统拓扑结构图 终端节点２ 郝素兰，辱：无线传感嗍络环境温度监删系统计冗 １．２硬件设备 可便于监测到终端节点所广播的数据，终端节点发送 消息通过组件ＧｅｎｅｒｉｃＣｏｍｍ来实现。具体实现过程： 终端节点上电后，首先对串口、定时器、传感模块等进 行初使化，然后扫描网络并申请入网，成功加入网络后 系统采用美国加州大学克尔斯博（Ｃｒｏｓｓｂｏｗ）公司 生产的整套设备，型号为ＩＲＩＳ—ＸＭ２１ １０节点、ＭＩＢ５２０ 编程接口板和ＭＴＳ３１０传感器板。硬件节点开发板如 图２所示。ＩＲＩＳ节点支持多种传感器板或数据采集 板，传感器板包含的传感器有：温度、湿度、光照、声音、 压力等，并具有标准的５２针扩展接口，用于节点连接； ＩＲＩＳ节点工作在２．４ ＧＨｚ上，是全球兼容的ＩＳＭ波段； 支持ＩＥＥＥ ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ协议射频发送器；数据传 输速率为２５０ ｋｂｉｔ・Ｓ～。ＭＩＢ５２０编程接口板可用于 根据定时器控制的时间间隔采集环境参数，并广播采 集的数据。为节省电能，在广播数据时传感器进人休 眠状态，当广播结束后再次启动传感器开始采集环境 参数。传感器节点采集温度参数流程如图３所示。 ＩＲＩＳ节点和Ｍｉｃａ系列节点的编程；通信采用ＵＳＢ接 口；波特率为５７６ ｋｂｉｔ・Ｓ～；用于下载程序的Ｍｏｔｅ接 口；标准的５２针扩展序列。ＭＴＳ３１０传感器板包含光、 温度、声音传感器、蜂鸣器、双轴加速度计和双轴磁强 计。数据采集板具有灵活的外部接口，利用外部接口 可扩展传感器类型，增加节点的功能。 图３终端节点程序流程图 图２ ＩＲＩＳ传感器节点 １．３软件设计 本系统节点的软件平台是基于ＴｉｎｙＯＳ操作系 统 ，ＴｉｎｙＯＳ不同于传统意义上的操作系统，其更像 是一个编程架构，在此架构下使用一组必要的组件，就 可编译出一个面向特定应用的系统。ＴｉｎｙＯＳ操作系 统以及相关的应用程序均采用ｎｅｓＣ语言开发。传感 器节点软件的作用是定时采集感知对象的数据，并根 图４路由节点程序流程图 （３）路由节点。用于接收终端节点广播的数据并 对数据进行处理，然后再向基站节点传输。因数据采 集一般是对传感器输出的端电压进行采样，所以要根 据电压值与实际的物理计量单位之间的关系由式（１） 进行换算，最终转换成摄氏温度值。具体实现过程：节 点上电初始化后，申请加入网络，在成功加入网络后， 首先路由节点申请３个缓存区用来存放终端节点的温 度值，当接收到数据时，根据预先设定的节点编号判断 数据来自哪一节点，再分别将各节点采集的端电压值 转换成摄氏温度值，并存入对应的缓存，而定时器到时 发送温度数据包至基站。 １ 据特定的协议传输数据 。 （１）应用软件开发过程描述。ＴｉｎｙＯＳ应用程序开 发是利用文本编辑器编辑源代码文件。首先在Ｍｏｔｅ— Ｗｏｒｋｓ／ａｐｐｓ／目录下建立一个新文件夹，然后在此文件 夹内建立至少５个文件：１）Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件（定制运行环 境）。２）Ｍａｋｅｆｉｌｅ．Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（描述顶层应用组件和所 使用的传感器板）。３）ＡｐｐＣ．Ｂｅ文件（顶层配置文 件）。４） Ｃ．Ｂｅ文件（功能模块）。５）．ｈ文件（头文 件，定义数据结构）。 （２）终端节点。用于采集室内环境温度参数。系 统利用３个终端节点，首先分别给每个节点进行编号， ——ｎ＋６×ｌｎ［ 】＋ｃ×｛Ｉｎ［ — 】‘ｆ （１） ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．０ｒｇ 黄如科，等：基于小波变换与ＢＰ神经网络的模拟电路故障诊断 Ｉｌ ＝ １Ｊ １ｊ２将提取的特征向量输入到应用Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ— Ｍａｒｑｕａｒｄｔ算法的ＢＰ神经网络进行训练，其训练次数 和误差如图５所示。其实际输出值与理想输出有一定 ５结束语 利用小波ＢＰ神经网络的方法实现模拟电路的故 误差，但足以断定故障，其值如表１所示。 障诊断，对测试节点的输出用小波分解提取特征向量， 并进行消噪处理，经归一化后输入到改进算法的ＢＰ 神经网络进行训练。此方法能有效进行故障的识别， 改善了神经网络结构并提高了故障诊断精度和速度， ・～＼ 降低了故障诊断的误差。 ＼ 参考文献 杨士元．模拟系统的故障诊断与可靠性设计［Ｍ］．北京： 清华大学出版社，１９９３． 何怡刚，梁戈超．模拟电路故障诊断的ＢＰ神经网络方法 ［Ｊ］．湖南大学学报：自然科学版，２００３，３０（５）：３５—３９． 图５训练次数及误差 张德丰．Ｍａｔｌａｂ神经网络应用设计［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００９． 表１ 期望输出与实际诊断输出数据对比 ＨＥ Ｙ，ＴＡＮ Ｙ，ＳＵＮ Ｙ．Ｗａｖｅｌｅｔ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ 故障类型期望输出 实际输出 ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｏｕｇｕｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥ Ｐｒｏｃ—Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ］｛１Ｊ １ＪＤｅｖｉ ｃｅｓ Ｓｙｓ１Ｊｔｅｍ， ２００４，８（４）：１Ｊ ３７９—３８４．１Ｊ ＳＴＯＰＪＡＫＯＶＡ Ｖ，ＭＡＬＯＳＥＫ Ｐ，ＭＡＴＥＪ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｆｅｃｔ ｄｅ— ｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｎａｌｏｇ ａｎｄ ｍｉｘｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｂｙ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｕｓｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ， ２００５，５４（３）：４４１—４４８． ＭＥＨＲＡＮ Ａ。ＦＡＲＺＡＮ Ａ．Ｎｅｕｒａｌ—ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｓｅｄ ａｎａｌｏｇ— ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｓ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｓｙｓｔｅｙ—ｌＩ，２０００，４４ （３）：１５１—１５６． 田景文，高美娟．人工神经网络算法研究及应用［Ｍ］．北 京：北京理工大学出版社，２００６． 潘强，孙必伟．模拟电路故障诊断中的特征信息提取［Ｊ］． 电子科技，２０１３，２６（８）：１１６—１１９，１５４． （上接第４５页） 华大学出版社，２００５． 参考文献 ［６］蒋承延，吴思远，陈伟．基于无线传感器网络的智能家居 钱开国，桑楠，马宏．基于ＴｉｎｙＯＳ的无线温湿度传感器网 系统［Ｊ］．微计算机信息，２００７，２３（１３）：１９９—２０１． 络系统设计和实现［Ｊ］．昆明学院学报，２００８ ３０（４）： ［７］王汝传，孙力娟．无线传感器网络技术及其应用［Ｍ］．北 ３０—３２． 京：人民邮电出版社，２０１１ 李时辉．基于无线传感器网络的温室智能监测系统研究 【８ １ ｗＥＭＥＲ Ａ，ＪＯＨＮＳＯＮ Ｊ，ＲＵＩＺ Ｍ．Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｖｏｃａｎｉｃ ｅｒｕｐ－ ［Ｊ］．江西理工大学学报，２０１３（１）：７０—７３． ｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ Ｅｕｒｏｐｅ－ 任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络［Ｊ］．软件学报， ａｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＥＷＳＮ’０５），２００５． ２００３，１４（２）：１１４８—１１５７． ［９］ 万磊，章勇，李剑．基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的智能家 冯显英，葛荣雨．基于数字温湿度传感器ＳＨＴ１１的温湿 居设计［Ｊ］．电子科技，２０１２，２５（２）：１１６—１１９． 度测控系统［Ｊ］．自动化仪表，２００６（１）：５９—６１． ［１０］黄晓亮，徐晓辉，宋军华，等．智能家居系统中无线传感器 孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络［Ｍ］．北京：清 网络的设计［Ｊ］．电子设计工程，２０１１，１９（４）：３５—３７． ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋＰ．ｊｉ．０ｒｇ
