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1、基于 SNAP网络的试验室监控系统设计同学姓名：杜立鹏学号： 08指导老师：李悦目录目录错误！未定义书签；绪论 2第一章 Zigbee与 SNAP 的技术对比分析 4专 业： 电子信息班级： 0941其次章系统总体设计5第三章系统硬件设计61节点接口模块62采集节点模块7第四章系统软件设计8第五章应用成效 10参考文献11绪论无线传感器网络 wireless sensor network是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线网络连接形成的一个多跳的自组织网络系统；随着无线传感器网络（以下简称传感器网络）理论与技术的不断成熟，作为当前信息科技领域的讨论热点，以及物联网关键技术之一，随着
2、美国“聪明地球”计 划，以及我国“感知中国”方案的提出，传感器网络的应用已经由国防军事领域向环境监测、交通治理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域扩展；目前，国内外的一些企业、高校及科研院所已投入力气，积极推动传感器网络的讨论开发工作虽然，目前针对传感器网络的诸如路由、定位以及拓扑掌握等算法层出不穷，然而，与传统的网络相比，传感器网络中的单个传感器节点处理才能有限，是一种资源受限的分布式网络，网络中所包含的节点数量大， 应用的环境复杂多变；如何对传感器网络的相关讨论成果进行验证和测试，以保证其在实际工作中稳固高效运行，已经成为亟待解决的问题之一；目前在传感器网络的研发和测试工作中，从业人员
3、一般采纳软件模拟和小规模部署节点测试的方法来验证理论算软件模拟可以进行大规模网络仿真， 但是由于传感器网络采纳无线传输的特性，在真实环境中存在无线信道冲突、信号多路传输、相互干扰等问题，软件模拟采纳相对理论化的模型，难以模拟真实物理环境和无线信道模型；小规模部署节点测试，虽说考虑到真实物理环境，但是对于传感器网络这种大规模，多节点协同作用的特性，不具备典型意义；因此能适合大规模传感器网络的帮助测试平（testbed ），正在引起越来越多研发机构和人员的广泛关注近年来国内外一些闻名高校、商业讨论机构纷纷建立了相应的帮助测试平台软硬件开发，其中比较有代表性的是Crossbow公司的Motework
4、s开发测试监控平台，哈佛高校的MoteLab平台和国内宁波中科集成电路设计中心的 SNAM平P 台； Moteworks是国际闻名传感器网络研发公司Crossbow针对其系列传感器节点及网络，为用户供应的一个网络监控平台，由 节点端（ mote）、中间件（ server ）和客户端（ client3部分组成；节点端包括用户无线传感器节点和基站节点，基站节点负责收集全部用户节点的通信信 息，中间件发测试监控平台，但是其主要针对特定的传感器节点以及特别的应 用背景，因此功能比较局限；通过基站节点收集用户通信数据无法关注网络中 间节点的数据包通信状态，另外其较为昂贵的价格也并不适用讨论机构做传感 器
5、大规模部署的开发测试工作； MoteLab平台是哈佛高校开发的无线传感器网络帮助测试平台，它最初部署了 26个MICA2节点，各节点分别装置在 Crossbow公司开发的具有以太网接口的编程板 如MIB-600或者Stargate ）上，进而与服务器相连服务器通过以太网对节点进行重编程以及收集试验数据，并通过 Web的方式供应了试验任务治理，日程调度和用户拜访掌握等功能； MoteLab是以共享测试床为目的架构和布置的，因此无法实时监控分析节点运行和网络通信情形，更重要的是 MoteLab平台通过给每个节点连接具有以太网接口编程板，极大增加了测试平台的成本，不适合大规模的传感器网络测试应用；
6、SNAMPsensornetwork analysis and management platform）是宁波中科集成电路设计中心研发的支持无线传感器网络开发和调试的测试平台；SNAM为P 无线传感器网络的开发和调试供应了真实的软硬件基础平台和物理环境，供应了脚本形式的接口，拥有多种可视化用户接口，供应了多种输出文件，便利用户进 行离线调试和分析，以及快速复原试验设置；而,SNAMP每个节点都须连接一个测试节点，增加系统成本；架构上参照 Moteworks，同样无法很好解决掩盖问题以及在大规模网络中中间节点的问题，另外由于 SNAM是P 面对GAINS节点的定制产品，因此不具备通用性；传感器网
7、络的进展对相关测试调试技术提出了诸照实时性、便利性、通用 性、可移植性、适合大规模传感器网络等新的要求；SNAP平台适用于大规模的传感器网络，满意现在传感器网络架设测试的需要，实时收集网络中全部节点 的运行情形并进行记录和分析；在不影响系统正常工作及无需对网络进行拆装 的情形下，对大量传感器节点程序进行升级；第一章 Zigbee 与 SNAP 的技术对比分析ZigBee 技术是一种在 900Mhz 及 2.4GHz 频段的无线通讯协议，底层基于IEEE 802.15.4 标准；它的特点是低成本、低功耗（五号电池半年到一年）、低数据率（ 250Kbps），网络结构优良；在楼宇中布局一个ZigBe
8、e 网络，需要考虑好标准 ZigBee 的三种角色；网络只能由协作者创建；端节点不能转发；加入网络需要申请；退出要汇报及调整路由；ZigBee 技术的典型应用，开发流程， TI 协议栈结构如图 1-3 所示；图 1 zigbee 网络应用示意图图 2 zigbee 开发流程图图 3 zigbee 协议栈结构图2021 年 11 月 18 日， CEL 公司与 Synapse wireless 合作开发 Snap网络，颠覆 ZigBee 传统的开发方式；SNAP 网络协议是一款由 Synapse公司开发的无线 mesh网络协议， Synapse 公司是国际上专业的无线网状网软硬件解决方案供应商，
9、SNAP 为复杂的ZigBee 网络供应一个简洁、牢靠、智能的完整组网方案，同时，由于使用“对等网络”概念，功耗优化明显，冗余性能优异；可实现边施工边开发的全新模式；如图 4 所示；SNAP 使用 3 字节地址，单个网络1 千 6 百万个节点， 65536 个子网络； 16个射频通道，总共 2 亿 6 千万个节点；Python 是一种先进但是简洁的脚本语言，类C 语法，一学就会，不学也会；采纳固件 +脚本+OTA 的全新开发理念；开发流程如图5 所示；栈结构如图6 所示；图 4SNAP 网络应用示意图图 5SNAP 开发流程图图 6SNAP 协议栈结构图其次章 系统总体设计SNAP平台主要由包
10、括节点接口模块（MoteInterface）, 采样模块（ Sniffer）, 用户掌握模块（ ControlInterface）三大基本部分组成；第 1部分节点接口模块负责猎取节点的通信和内部信息并供应内部程序调用接口；第2部分采样模块负责节点数据的采集与掌握；第3部分用户掌握模块负责数据的集中 处理、分析储备、消息转发以及数据的展现、节点命令的发布；SNAP系统的总体架构如图 7所示：图7SNAP整体架构第三章 系统硬件设计1节点接口模块节点接口模块（ mote interface）是基于传感器节点内部操作系统的调试网络接口程序，用于猎取节点内部变量、无线通信数据和打印数据等信息目 前对于
11、传感器节点内部操作系统， TinyOS它是一种特地为嵌入式操作系统设计的基于组件架构方式的传感器节点操作系统，其采纳的轻量级线程技术、两层 调度方式、大事驱动模式、主动消息通信技术及组件化编程等有效地提高了传感器节点 CPU的使用率，有助于省电操作并简化了应用开发TinyOS系统、 TinyOS库和基于 TinyOS的应用基本上都是用 C语言开发的 . 目前在世界范畴内，有超过500个讨论小组或者公司正在 Telos,Tmote,Mice 系列等节点上使用 TinyOS. 我们开发的SNAP平台正是基于 Tinyos 操作系统，目前已经友好地支持TinyOS2.X版本我们开发的名为 TinyO
12、S_Patch节点接口模块包括数据接口与命令接口，节点通过射频天线在发送 Zigbee 数据时，也将 Zigbee 数据以特定格式向数据接口转发，采集模块通过侦听接口，就可以猎取节点通信数据同时讨论人员也可以在待测试的节点程序中根据肯定格式调用接口命令，以获得节点某些内部数据命令接口用于采样模块与传感器节点进行交互，如设置节点无线发射能量, 猎取节点信息等我们的 TinyOSDPatch节点接口模块设计轻巧，只占用少量CPU周期执行指令，不影响传感器节点主程序运行用户在使用SNAP平台时，只要将编写好的传感器应用程序与具有接口模块的操作系统联接编译，就可以生成具有可交互功能的执行程序，而无需或
13、者少量修改自身程序，极大地便利了讨论人员的使用节点接口模块设计使用流程如图8所示:图8节点接口模块设计使用流程2 采集节点模块我们目前的 SNAP系统支持诸如 Telos,Tmote 等使用 USB端口作为数据传输口的传感器节点这种类型的节点，因其设计轻巧、与用户交互便利被广泛应用在传感器科研以及商业领域 . 在SNAP平台中，采样模块（ Sniffer）的作用相当于一个数据收集和掌握网关 , 一边通过 USB端口连接传感器节点，一边通过以太网或无线局域网连接用户掌握模块采样模块通过上述介绍过的节点接口模块 可以猎取节点内部变量以及通信数据等信息，并将这些数据信息通过网络传输 给用户掌握模块同
14、时，采样模块支持从用户掌握模块猎取最新的传感器应用程序, 并将其上载到传感器节点中 . 我们特地自主开发了采集模块的硬件载体D- Sniffer采集板.D-Sniffer的模块设计结构如图 9所示:图9采集节点模块第四章 系统软件设计为配置ZM2410芯片，采纳了 zigbeeCfg 应用程序；第一完成对串口参数的设置： 115200波特率， 8位数据位， 1位停止位， N奇偶校验；然后升级固件，如图10所示，升级完成，点击“ZLGnet” - 本地模块 - 基本信息 - 猎取信息；成效如图11所示；图10升级固件图 11猎取本地信息通过修改“本地网络地址”为“2517”“ 2508”“ 25
15、24”，分别设定安放在517试验室和 524试验室的节点，以及安放在走廊内的节点；如图12所示；系统上电、安置完成后，通过点击“查找路由表”，找到2517的网络节点；如图 13所示；图12 修改本地地址图 13 查找服务器节点完成网络连接后，使用串口调试助手ZYICOMTES软T件，进行通信测试，通信正常；如图 14所示；编写温度、光照度、湿度、红外检测等相关节点程序；程序被下载至各实验室的采集节点；在 517试验室的主节点处，收集全部信息；以采集温度为例，主程序如下：/*温度传感器 DS18B2测0 试程序主芯片 : STC90C52RC 12T工作频率 : 12.000MHz*/ #inc
16、lude REG51.H#include INTRINS.Htypedef unsigned char BYTE；sbit DQ = P33；/DS18B20的数据口位 P3.3；.void mainDS18B20_Reset；/设备复位DS18B20_WriteByte0xCC；/跳过ROM命令 DS18B20_WriteByte0x44；/开头转换命令while .DQ；/等待转换完成DS18B20_Reset；/设备复位DS18B20_WriteByte0xCC；/跳过ROM命令 DS18B20_WriteByte0xBE；/读暂存储备器命令TPL = DS18B20_ReadByte；/读温度低字节 TPH = DS18B20_ReadByte；/读温度高字节while 1；图14 串口通信试验第五章 应用成效图15走廊试验实景图 1图16走廊试验实景图 2我们在新试验楼 5楼，布置了 3个传感器节点，应用 SNAP平台进行传感器网络的试验分析；图 15-18 展现了试验过程中的几处场景；图17517试验室实景图图 18524试验室实景图参考文献王兴亮，吴成科 .无线传感器技术 .北京：电子工业出版社， 2001宋组顺，等 .现代通信原理 . 北京： 西安电子科技高校出版社， 1993张新政，等 .数字通信原理与技术 .北京：电子工业出版社， 1995