01緒論目錄02傳感器的理論及技術(shù)基礎(chǔ)03物理量傳感器04化學(xué)傳感器05生物傳感器06微機(jī)電（MEMS）傳感器07集成傳感器08傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用第八章傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用物聯(lián)天下、傳感先行圖1傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的主要驅(qū)動力俗話說:“物聯(lián)天下、傳感先行”，這句俗語已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)廣為流傳的共識。因此，本章對傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析和研究，通過幾個具體實例來展現(xiàn)傳感器如何在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮作用。8.1物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器在智能家居中的應(yīng)用8.1.1智能家居物聯(lián)網(wǎng)體系認(rèn)知層闡述了物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器、攝像機(jī)和光敏設(shè)備不間斷地采集、認(rèn)知智能家居所處環(huán)境以及智能家居使用者的行為數(shù)據(jù)?；ヂ?lián)網(wǎng)層進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)接入，并提供給認(rèn)知層有線信息交互通道，其采用無線通信與應(yīng)用層中的居家環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能家居接口和信息處理系統(tǒng)進(jìn)行交互。應(yīng)用層負(fù)責(zé)將居住環(huán)境中所有智能家居接入互聯(lián)網(wǎng)中。圖2智能家居物聯(lián)網(wǎng)體系組成結(jié)構(gòu)圖8.1物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器在智能家居中的應(yīng)用8.1.2基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)研究

①系統(tǒng)節(jié)點安置及控制原理在安置智能家居激光傳感器節(jié)點時，需要考慮能耗最小原則和通信數(shù)據(jù)丟失最小原則，因此，采用簇狀架構(gòu)。以最普遍的兩室兩廳一衛(wèi)家居環(huán)境為例安置激光傳感器節(jié)點，如圖3所示。圖3系統(tǒng)激光傳感器節(jié)點安置圖8.1物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器在智能家居中的應(yīng)用8.1.2基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)研究

①系統(tǒng)節(jié)點安置及控制原理系統(tǒng)初始化后開始搜尋互聯(lián)網(wǎng)，激光傳感器通過節(jié)點對智能家居環(huán)境數(shù)據(jù)和使用者行為數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)，并傳輸給應(yīng)用層的居家環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)?？刂泼钣晌锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用層給出，直接輸出到智能家居的控制設(shè)備中進(jìn)行實施，若控制成功，輸出控制日志。圖4系統(tǒng)激光傳感器節(jié)點安置圖8.1物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器在智能家居中的應(yīng)用8.1.2基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)研究

②基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器通信研究在基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)中，智能家居的數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)對智能家居的控制都離不開通信，激光傳感器和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的工作頻段都在2.45GHz左右，頻段過于集中導(dǎo)致智能家居通信性能下降。系統(tǒng)采用有線和無線兩種通信方式，無線通信最易受到頻段干擾，故通過跳頻通信改善無線通信性能。跳頻通信賦予無線通信收發(fā)雙方與原控制編碼頻率變化狀況相同的虛擬控制編碼，從而隔離2.45GHz頻段，通信成功后解碼出原始數(shù)據(jù)。8.1物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器在智能家居中的應(yīng)用8.1.3基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能描述遠(yuǎn)程無線遙感使用者只需在手機(jī)上安裝一個虛擬遙控器，便能在外出的時候通過無線網(wǎng)絡(luò)操作智能家居居住環(huán)境監(jiān)控通過監(jiān)控智能家居所處環(huán)境，分析是否存在火災(zāi)、水災(zāi)、觸電、盜竊等隱患通話管控隱患發(fā)生時，使用者可控制智能家居進(jìn)行報警智能家居授權(quán)管理可設(shè)定智能家居的使用權(quán)限和權(quán)限使用時間，類似于“家長控制”無線定時管理隨時隨地設(shè)定智能家居的開始、關(guān)閉和休眠時間，實現(xiàn)節(jié)能、便捷生活表1在基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)的控制下智能家居擁有的功能8.1物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器在智能家居中的應(yīng)用8.1.4小結(jié)本節(jié)介紹的設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的激光傳感器智能家居控制系統(tǒng)，介紹了智能家居物聯(lián)網(wǎng)體系，其由認(rèn)知層、互聯(lián)網(wǎng)層和應(yīng)用層構(gòu)成，通過考慮能耗最小原則和通信數(shù)據(jù)丟失最小原則，采用簇狀架構(gòu)安置激光傳感器節(jié)點，并研究了系統(tǒng)控制與通信的相關(guān)問題。8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計①系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心服務(wù)器三部分組成。ZigBee明確定義了星形、簇狀和網(wǎng)狀3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為減小能量損耗和數(shù)據(jù)包丟失，本文采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和層次路由協(xié)議。具體做法是將監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點分為若干個簇，每個簇相當(dāng)于是一塊較為固定的自組織網(wǎng)絡(luò)。簇的范圍由網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的實際情況決定。圖5農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計

②系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)工作時首先由監(jiān)測中心服務(wù)器發(fā)出對農(nóng)田環(huán)境各項指標(biāo)進(jìn)行查詢的請求命令，通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)請求命令的具體要求，選擇對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，接著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)命令選擇所要查詢的簇，當(dāng)簇首節(jié)點收到控制命令以后，喚醒并激活本簇內(nèi)的所有節(jié)點，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。節(jié)點及時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送給本簇的簇首節(jié)點，簇首節(jié)點對傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)回到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，繼而通過外部網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)測中心服務(wù)器。監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并存入環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，為以后的分析決策提供數(shù)據(jù)資源。8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計圖6無線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

在該系統(tǒng)中無線網(wǎng)關(guān)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測中心服務(wù)器的中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)發(fā)送命令、接收下層節(jié)點的請求與數(shù)據(jù)，承擔(dān)著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。網(wǎng)關(guān)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括主處理器、擴(kuò)展存儲器單元、射頻收發(fā)模塊和GPRS通信模塊，另外配有以太網(wǎng)接口以及擴(kuò)展接口等。8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計

②無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計傳感器模塊負(fù)責(zé)采集溫度、濕度、光照度等參數(shù)和數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。主處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理從它自身采集來的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送來的二進(jìn)制信息。無線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他的節(jié)點進(jìn)行通訊，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)。電源部分主要給傳感器模塊、處理模塊、無線通訊模塊供電。圖7傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計①傳感器節(jié)點的程序設(shè)計傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，同時接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。傳感器點上電后首先對MCU初始化，然后加載SPI驅(qū)動來初始化無線通信模塊CC2420，初始化成功后掃描所有可用信道來尋找臨近的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并申請加入此網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器節(jié)點采用電池供電方式，必須要保證終端節(jié)點的低功耗，因此在設(shè)計中采用被動喚醒的方式連接協(xié)調(diào)器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。其它時間則轉(zhuǎn)入低功耗模式，節(jié)點功耗降到最低。圖8傳感器節(jié)點軟件流程圖8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計②網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建與管理和數(shù)據(jù)傳輸兩個重要功能。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建與管理功能主要是負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址及維護(hù)綁定表。數(shù)據(jù)傳輸功能主要是充當(dāng)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給無線網(wǎng)關(guān)，或?qū)⒈O(jiān)測中心的監(jiān)測指令發(fā)送給傳感器節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖9所示。圖9網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件流程圖8.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)8.2.4小結(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，尤其是在艱苦或惡劣環(huán)境條件下，具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。本設(shè)計將基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境測控，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)作物現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，設(shè)計了簇狀的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，完成了傳感器節(jié)點硬件設(shè)計和軟件設(shè)