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无线传感器网络是一门涉及多学科交叉、知识高度集成的新兴技术,它综合了传感器技术、微电子技术、嵌入式技术、无线通信技术以及现代网络技术等。本文研制的基于无线传感器网络的数据采集监控系统,实现了监测环境数据采集和远程监控管理。布置在监测环境中的若干传感器节点在一个汇聚节点的组织协调下,能够自组织形成一个树状多层次网络结构。传感器节点采集需要的外部信号后,以多跳无线方式传输给汇聚节点。汇聚节点通过串口与监控中心服务器连接,存储网络部署和数据采集信息至后台数据库中。用户通过Internet访问远程监控管理软件,实现对监测环境的远程监控管理,包括用户管理、节点管理和节点监控等功能。系统具有一定的通用性和可扩展性,可以应用在多种场合,例如:智能家居、蔬菜大棚、工厂车间等。
本文首先阐明了课题研究背景和意义,并对当前无线传感器网络在国内外的研究现状以及其涉及的关键技术作了一个简单的介绍。在深入分析系统的设计目标和设计准则后,文章给出了系统的总体架构,并分别讨论了各组成部分的实现方案。完成了系统硬件平台的搭建,包括传感器节点硬件、汇聚节点硬件和监控中心服务器。其中监控中心服务器只需是一台拥有指定公网IP的普通计算机即可;汇聚节点为一个带有无线通信模块的串口设备。文章中重点进行了传感器节点各组成模块的原理图以及PCB设计,包括处理器模块、无线通信模块、外部信号输入模块、外部存储模块、电源模块和外部功能模块。讨论了无线传感器网络路由协议的特点和设计依据,在现有路由协议分析的基础上,提出了一种树状结构的多层次路由协议,并给出了无线通信协议的制定,完成了网络部署阶段和数据采集阶段不同数据包格式的定义。进行了系统各部分软件的编程实现,包括传感器节点的嵌入式软件开发、汇聚节点的Windows应用程序开发以及基于ASP.NET的远程监控管理软件的开发,实现了数据库设计以及各部分软件功能。讨论了系统研制过程中遇到的难点以及系统在不同情况下的联合运行情况,并总结了个人主要工作和体会,提出了系统的进一步优化。