物联网应用无线传感器网络方案.docx

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物联网应用无线传感器网络方案

物联网应用

无线传感器网络方案

2010-10-12

一、物联网技术及其应用

1.1物联网的概念

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。

物联网的英文名称叫“TheInternetofthings”。

顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。

物联网的定义是：

通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，利用云计算信息中心进行交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网可以在内网（Intranet）、专网（Extranet）、和互联网（Internet）的环境下，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：

1、要有相应信息的接收器；

2、要有数据传输通路；

3、要有一定的存储功能；

4、要有CPU；

5、要有操作系统；

6、要有专门的应用程序；

7、要有数据发送器；

8、遵循物联网的通信协议；

9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。

图1-1

图1-2

物联网的应用相当广泛，它在无线通信的基础上实现物物联通，可以对物体的监控和管理，通过不同的传感器得到原始数据后，利用软件平台，对数据信息进行处理，例如气象数据、车辆数据、污染数据等，除了可以提供给相应的部门加以利用和管理，还可以将处理后的各种数据，通过Wifi、GPRS、3G等传输方式发送到接受终端，终端上即可显示道路、气候、新闻、娱乐、商家等指数。

1.2物联网的应用领域

物联网的应用遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

物联网应用

行业

应用方式举例

智能建筑

设备（家电等）、安全、节能

智能运输

库存、车队、监控、导航、识别、货物

物流供应链

交易、订单、跟踪、识别

金融

电子支付、实时信息、移动证券

健康

监控监控，实时信息

教育

网络教育、实时信息

电力

抄表、监控、节能

公共安全

照明、信号、应急、灾害、识别

消防

联动、消防栓、定位、调度

工业自动化

生产、安全、防灾、水电油气

数字化医疗

设备、临床、辅助诊断、病程跟踪

环境保护

污染检测、报警

气象

降水、防洪、远程设备

水务

水质、水量、污染、安全

农业

大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪

林业

防火、勘察、报警

遥感勘测

大地勘测、森林、地震、海洋

煤炭

通风、瓦斯、救灾定位

石化

险情、油井、运输、管线

交通

公交、出租车、铁路、船运、航空

1.3物联网的实现原理

物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，它可以将感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后使之与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，它存在能力超级强大的中心计算机群，能够对网络内的人员、机器、设备和基础设施进行实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。

人们正走向“物联网”时代，但这个过程可能需要很长的时间。

图1-3

物联网的核心是：

Ⅰ）RFID（射频技术）；

Ⅱ）无线传感器传感网（WSN）；

Ⅲ）M2M（MachinetoMachine）；

Ⅳ）两化融合（信息化和工业化的融合）。

在以上所陈述的领域中，核心部分为无线传感器网络（WSN）。

以无线传感器网络为基础，再延展出整个物联网的应用，因此，无线传感器网络可以视为物联网的初期形态，做好无线传感器网络的建设和应用，才能为物联网的实现提供软硬件的平台和基础框架。

图1-4

二、无线传感器网络（WSN）

图2-1：

WSN的基础框架和模型

图2-2：

WSN的软件应用平台架构

微电子机械加工（MEMS）技术的发展为传感器微型化提供了可能，微处理技术的发展促进了传感器智能化，通过MEMS技术和射频（RF）通信技术融合促进了无线传感器及其网络的诞生。

传感器正经历一个从传统传感器（DumbSensor）→智能传感器（SmartSensor）→嵌入式Web传感器（EmbeddedWebSensor）的内涵不断丰富的发展过程，传感器正在实现微型化、智能化、信息化、网络化。

2.1无线传感器网络

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSNs）就是物联网的实质性完成形态。

所谓WSNs，就是由部署在监测区域内大量的传感器节点以无线通信的方式形成的自由组织的网络系统。

这些节点集传感器执行器、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身，将物理世界信息融合到信息世界中，达到了“物联”的目的。

图2-3：

无线传感器网络系统方案结构图

2.2无线传感器网络的特点

Ⅰ）大规模，网络拓扑结构复杂；

Ⅱ）单个节点小体积，节点资源有限；

Ⅲ）自组织，多跳，无基础设施支持；

Ⅳ）网络数据传输有方向性。

2.3无线传感器网络的架构

整个WSN系统的应用，使观测者可以远程、不定期、多方式的自由浏览和统计被观测区域内长时间的信息资料，同时向接收终端发送信息。

图2-4：

无线传感器网络系统数据流程和模块关系

2.4基于WSN的云计算“信息中心”

以各种传感器为基点平台，噪音传感器、流量传感器、车距传感器、GPS定位传感器等，由传感器将数据采集后发送到数据终端，并由固定的终端（PC、LED接收）、移动终端（车载电视、手机、车载LED等），或安装在室外固定的射频接收点，进行数据采集，然后通过无线网络传输到信息中心进行数据存储、处理、挖掘，形成固定格式再经过数据终端发送到终端。

图2-5：

云计算“信息中心”运行流程图

在整个流程中，现实世界（传感器网络）提供的数据源，都完全依赖信息中心的软件平台来处理和发布。

图2-6：

典型的无线传感器网络应用

2.5信息中心框架图

图2-7

通过框架图我们可以看到整个无线传感器网络，是如何应用到各个领域的。

WSN中的数据在通过基础硬件平台即基础层获取后，需要经过多个层面的传递，予以应用。

由于无线传感器网络的多样性、复杂性，所以只有以信息中心为平台，利用软件的模块化来管理，才能完成数据传递、处理、交换和发布。

在应用层，各个部门都可以在云信息中心平台得到数据，包括交通、环境监测、流量、矿山地质、农林渔等数据，这些数据由信息中心平台的软件进行处理和整合。

公共服务层是数据发布中心，可面向终端（车辆、LED显示、手机、PC等）实时发布重要数据，提供数据的检索、比对、定位追索等一系列处理。

中间件层是数据存储和设备管理的核心，包括数据量的大小和处理速度。

传输层通过无线网络Wifi、3G、GPRS、CDMAXA等方式，将采集的原始数据传输到数据库中，并可以由中间件层存储、服务层处理、应用层使用。

基础层以各种传感器为基点，安装在需要采集的点位，并将采集到的数据实时传送到接受设备，以供查询和使用。

2.6软件平台

2.6.1信息中心应用层

应用层我们分为两大块，信息运营层和整合应用层。

图2-8

1）信息运营层，这里我们为各部门，提供相应的数据平台或接口，可以与每个部门的信息系统联通，形成数据交换网络，还可以提供相应的数据分析，为整合应用层提供支持。

例如：

环保：

大气污染指数、噪音指数、降水指数、水污染指数、土地酸碱度等；

交管：

人车流量、高峰时段管理、事故处理、车辆管理等；

农林渔：

智能农业、森林防火、渔业养殖等；

水利：

水温监控、水流量监控、水位检查、水污染检查等等。

2）整合应用层：

这里我们主要为商业平台提供信息支持，通过对各方面的信息处理，为商家提供准确的信息资料和发布，通过车载终端、手机，就可以查询相关信息：

图2-9

交通信息：

为城市交通提供服务；可以通过终端查询实时路况、拥堵信息、道路施工、GPS定位、地图信息等。

图2-10

车辆呼叫：

用手机呼叫身边的出租车，可以在信息中心查询到出租车的信息。

图2-11

天气信息：

准确实时的天气情况，包括降雨、降雪、路面、温度；未来几天内的所在地云图、降雨；区域性信息等信息

图2-11

新闻信息：

商业新闻、公益信息、广告促销、商家活动等；可以看到区域内的餐厅、娱乐场所、每个场所的人气指数、促销信息、商家的地理信息等

图2-12

地图信息：

准确的定位信息、电子罗盘、出行规划等；在终端上可以为人们的出行提供更详细的规划，乘车路线，公交信息、住宿信息等

如上所述的商业资讯，为人们出行娱乐提供第一手详细资料。

平台商业化应用，可以带动各行各业的发展，如旅游业、娱乐业、饮食住宿、交通运输等。

在提供准确实时商业资讯的同时，还可以发布相关的法规、制度、管理等政务信息。

数据被传递到信息运营层后，通过分析，为政务部门制定行业的管理方法和治理手段提供依据。

2.6.2信息中心基础层采集和处理数据

通过基础层我们可以得到相应的数据

图2-13

1）车辆行驶轨迹，可以看到安装基点的车辆在一天中行驶的轨迹，可以更合理的安排车辆的行驶、可以看到车的流量，长途、短途，行驶时间等相关数据。

图2-14

2）GPS信息图电子罗盘，通过GPS的定位，可以看到车辆实时状况，包括定位、里程、车辆工作状况、行驶路线。

这些数据可以进行处理得到某时段的实时路况，并发送到终端，进行错峰行驶、保证交通顺畅。

图2-15

3）在交通运输管理中，可以轻松的看到每个车辆的行驶路线、里程数、车辆运营状态、道路状况等信息。

图2-16

4）道路天气信息，可以看到流量最大的区域某天的某个时段的噪音、空气质量、降水、降雪、路面温度等，有利于环保和节能降耗的管理。

图2-17

5）天气信息系统，主要由建于各路段的诸多自动气象站、中心站、管理与决策机构以及公路养护与应急机构组成。

图2-18

6）监测项目，除一般常规项目之外增加了降水识别传感器和道路温度传感器，降水识别装置可以自动判断降水是雨还是雪甚至是路面的结冰，道路温度探测器是专为道路天气信息系统所用而设计的，主要安装于汽车前轮胎的前面，在汽车行进过程中测量路面温度，生成路面的温度变化曲线，反映不同路段、不同时间路面温度状况。

图2-19

7）噪音监测，可以得到车辆出行高峰期的噪音指数、尾气排放指数以及车流量数据等，信息中兴可以处理这些数据，进行合理的交通疏导。

2.6.3软件界面

1）传感器采集的数据进行处理，成为各个部门可以使用的数据，并形成报告统计数据。

由传感器发送的数据是最原始的数字代码，无法直接使用，因此有信息中心的软件处理之后，才能成为可用的资源并为各个部门所用。

例如：

可以通过空气质量传感器得到数据，发送到中心后，可以由软件处理。

图2-20

2）水污染传感器以及水纹传感器，可以监控各个地方的污染指数、污水排放指数、水位及流量指数等，对于汛期防汛、水土污染、空气治理方面提供最数据。

图2-21

3）水利监测类的传感器模块，可通过传感器采集处理的数据有水流量、水位警戒、水浑浊度等，设定报警值，就可以防患于未然，在雨季对危险水域的实时监控，甚至可以对降水量实行监控。

图2-22

2.7、硬件平台

2.7.1硬件部分

由传感器、基板、接受终端组成，传感器可分为流量、噪音、雨水、GPS等，基板为载体，传感器载体开发板，包括CPU和RAM，接收终端存储发送端，包含wifi、3G、GPRS、CDMA等无线传输模块，传感器采集的数据由基板发送到终端，再有终端经过无线基站发送到信息中心。

图2-23

2.7.2硬件平台的实现方式

传感器节点即是基于低功耗的稳定硬件平台，集成了操作系统、射频协议和节点应用程序等。

节点上传感器灵活可配置、同时可以由用户自行添加维护传感器，各个节点上可分别配置不同类型不同数量的传感器模块。

节点自组成的网络具有很强的自恢复性和低功耗特性。

节点采集部署环境中的实际数据，然后将数据通过网络正确的进行融合汇聚。

已完成2.4G频段的射频节点、节点板、传感器板、网关板等所有硬件节点和相关硬件板卡设计和制造。

传感器节点主要包含如下硬件：

1）微处理器：

带丰富的IO、A/D和各种接口（I2C、SPI、UART），低功耗可休眠；

2）射频收发模块：

负责无线数据收发，低功耗、高稳定性，工作于315/433/868/915MHz/2.4GHz等多种频率；

3）传感器模块：

大量适用于不同应用的传感器，可采集温度、湿度、声、光、压力、速度、加速度、PH值、含氧量、血糖含量、甲醛等各种物理量；

4）供电模块：

可采用干电池、锂电池、太阳能电池等进行供电。

传感器板节点板

                              网关板                                               节点套装

三、应用案例

3.1车辆传感器

3.1.1车辆应用

随着汽车产业的发展，交通管理和安全成为焦点问题，若能将在私家车、公交车、出租车等交通工具纳入到无线传感器网络中，通过安装在车上的车辆传感器，可以收集到大量的数据，处理后的信息为交通管理提供数据依据，如：

1）车辆管理：

出租车管理，可以防止黑车运输、乘客及司机信息、里程信息、车辆呼叫安排；

公交车管理，可以车辆行驶时间、到站时间、人流量信息、交接班信息；

私家车管理，可以和正规运营的停车场联网，查处事故车辆、监控黑车运营。

2）道路管理：

路况信息，施工路段的发布、道路拥堵状况、道路规划路段、临时占路情况；

路面信息，路面的湿滑状况、路面积水状况、路面结冰降雪情况。

图3-1

3.2车载终端

3.2.1终端应用

通过车载终端还可以显示信息中心发布的信息，成为商业应用的平台，如：

1）、信息发布：

商家的信息、地理位置信息、广告、政策法规等多元化、互动式的发布；

2）、信息交互：

信息搜索、车主宝典、商家评分等互动交流。

3.3车载终端信息发布系统架构

图3-2

如图所示，车辆上的传感器，将数据传给车辆上的接收终端（PDA）存储，然后通过3G网络、WiFI网络、以及GPRS等通信网络，将数据传回信息中心进行处理，通过互联网为各个部门提供数据。

图3-3

再由发布系统，向车载终端发送信息（商业、公益信息）并在车载终端上显示，提供信息查询和交互。

图3-4：

车载终端信息显示图

通过终端上的软件系统，就可以和信息中心交互，可以查询信息、看路况、交友、购物娱乐、车辆状况等一系列的互动。

3.4车辆应用商业营运模式图

图3-5

越来越多的车辆上都安装有车载终端（PDA、GPS导航、行车电脑系统等）和蓝牙、手机等通信模块，只要在终端上下载相应的软件就可以成为平台中的一个点。

无线传感器网络的发展为车辆管理体系提供了更高更有效的手段，再结合商业平台的应用，成为城市管理中必不缺少系统。

四、总结

4.1智慧城市概念

智慧城市是指充分借助物联网、传感网，涉及到智能楼宇、智能家居、路网监控、智能医院、城市生命线管理、食品药品管理、票证管理、家庭护理、个人健康与数字生活等诸多领域，把握新一轮科技创新革命和信息产业浪潮的重大机遇，充分发挥深圳信息通信（ICT）产业发达、RFID相关技术领先、电信业务及信息化基础设施优良等优势，通过建设ICT基础设施、认证、安全等平台和示范工程，加快产业关键技术攻关，构建城市发展的智慧环境，形成基于海量信息和智能过滤处理的新的生活、产业发展、社会管理等模式，面向未来构建全新的城市形态。

图4-1

随着物联网时代的到来，各个行业都在积极的应用，物联网涵盖的范围相当广泛，其核心仍然是无线传感器网络的建设和信息处理发布平台的建设。

我们的方案，是在把这2大核心结合起来，并由云计算的信息中心为内核，综合软硬件的一个通用化的无线传感器网络平台，并通过模块化开发，可以适用于各个领域的物联网发展。

引入以服务为主线的商业发展模式，为商业物联网推广提供一个发展模式及实施框架，在这个商业模式中，和云计算信息中心是密不可分的，所有的终端（手机、PDA、车载终端等）都成为这个云中心的一个信息接收点，以三大无线运营商的MMS信息系统为桥梁，为物联网的发展提供一个通用化的网络平台。

4.2智能医疗体系

如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用无线传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时的处理，还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。

此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。

总之，无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段，见图4-2:

图4-2：

病房巡检示意图

昆明学院

2013届毕业论文（设计）

论文（设计）题目智能大厦控制系统设计

子课题题目传感器网络的智能家居报警系统设计

姓名毛兴普

学号20090417215

所属院系自机学院

专业年级电气工程及其自动化1班

指导教师李云娟老师

2013年5月

传感器网络的智能家居报警系统设计

摘要（中文）：

摘要

随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。

智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代化生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。

因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。

智能家居报警系统作为智能家居系统的子系统之一，承载着智能家居所面临的机遇和挑战。

本文针对智能家居网络特点,通过对智能家居网络分析、对比和研究，采用星状网络组建智能家居网络，对智能家居网络进行了设计与实现。

将ZigBee无线通信技术应用于智能家居中，并提出一种采用ZigBee无线通信技术的智能家居系统设计方案，具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。

利用CC2430的ZigBee模块与各种传感器设计了以IARZmbeddedWorkbench为平台，运用C语言进行系统的软件编程，实现了ZigBee模块间的无线通信及智能家居的红外报警模块，达到低成本、高灵活性、通用的ZigBee无线智能家居报警控制，并最后完成了实现。

关键词：

ZigBee；智能家居；无线传感器网络；CC2430

传感器网络的智能家居报警系统设计

摘要（英文）：

Abstract

Withthedevelopmentofelectronicinformationtechnologyandcomputernetworktechnology,familyinformation,networkingisthenewtrendofdevelopmentoftoday'ssmarthomesystem.Smarthomesystemcanprovidemankindwithamorerelaxed,orderlyandefficientmodernwayoflife,istheinevitabletrendoffuturesettlementpatterns.Therefore,thesmarthomesystemisbecominganemergingareaof​​research.

Inthispaper,thecharacteristicsofintelligenthomenetworkthroughtheintelligenthomenetworkanalysis,comparisonandresearch,theformationofintelligenthomenetworkusingastarnetwork,thedesignandimplementationofintelligenthomenetwork.ZigBeewirelesscommunicationtechnologyusedinsmarthome,andputforwardaZigBeewirelesscommunicationtechnologysmarthomesystemdesign,withtheaFreewiring,maintenance,lowoperationcost,real-timeonlinemonitoring,thevariousdatawirelesslywithinhomeacquisitionandtransmissioncharacteristics.CC2430ZigBeemodulewithavarietyofsensorsdesignedtoIARZmbeddedWorkbenchplatform,usingClanguagesystemsoftwareprogramming,infraredwirelesscommunicationbetweenZigBeemoduleandsmarthomealarmmodule,toachievealowcost,highflexibilityGeneralZigBeewirelesssmarthomealarmcontrolandfinalizationoftheimplementation.

Keywords:

ZigBee;smarthome;wirelesssensornetworks;CC2430

第一章前言

1.1智能家居简介

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。

智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。

由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。

安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。

自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。

音视频技术是实