Abstract
Wireless sensor network technology in environmental monitoring, industrial data acquisition and military large-scale field has wide application, along with the automatic control, the development of network technology and chip miniaturization, small-scale wireless sensor network technology will be more and more into People's Daily life. As a small sensor network applications, smart homes has attracted wide attention and research, based on smart home application platform, we design a small-scale wireless sensor network (WSN), called local wireless sensor networks, the network has good stability, reliability and real-time performance, which can realize data acquisition, remote control and safety protection etc. The basic function of smart home.
Local area wireless sensor network design mainly includes the wireless sensor node hardware design and software design of two parts of the routing protocol. Including the design of wireless sensor nodes using the 2.4 Ghz wireless communication chip nRF24L01 and cost-effective 8-bit microcontroller stm8s003, sensor adopts universal air quality sensor MQ - 135 acquisition of indoor air quality, YS - 17 flame sensor detects whether indoor fire DH11 detection of temperature and humidity of indoor temperature and humidity, light sensor 3 du5 testing indoor light intensity, HC - SR501 inspection personnel to enter, SCR BAT138 control with electric open circuit, a serial port turn ESP8266 WiFi module is used for the transmission of the coordinator to collect the information to the network, realize remote monitoring; Routing protocol design USES hierarchical routing, respectively from the LEACH algorithm clustering data transmission chain of thoughts and PEGASIS algorithm, and carries on the integration and improvement, proposed an applied to intelligent household chain cluster routing protocol, the protocol can satisfy the smart home to the reliability of data transmission and real-time requirements.
Key words: the Internet of things intelligent household
nRF24L01 local area wireless sensor network
用戶端對整個網絡進行配置和管理。
1.2 無線傳感器網絡的研究現(xiàn)狀
無線傳感器節(jié)點體積小、成本低，可以大規(guī)模布置，因此無線傳感器網絡可廣泛應用于情報偵察、物種監(jiān)測、全球變暖預警等規(guī)模較大的領域。
1.2.1 情報偵察
隨著傳感器網絡的快速發(fā)展，未來戰(zhàn)場的情報搜集手段是這樣的：先進的無人機在戰(zhàn)場區(qū)域上空拋灑大量傳感器節(jié)點，節(jié)點隨機部署在被監(jiān)測區(qū)域內并自動組網，豐富翔實的戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)就能通過傳感器網絡傳送給指揮部。例如，地震波傳感器可以探測敵方重型戰(zhàn)車的距離和數(shù)量，特殊氣體傳感器可用來探測戰(zhàn)場有無毒氣，具有定位功能的傳感器網絡可以為導彈提供精確制導等等。諸如此類的應用可以為未來的戰(zhàn)場偵察模式帶來革命性的變化。
1.2.2物種監(jiān)測
無線傳感器網絡為生物科學研究提供了很大的方便。例如，為了研究四川臥龍大熊貓的生活習性，可以在自然保護區(qū)內大量布置帶有影像采集功能的傳感器節(jié)點，利用無線的方式傳送大熊貓活動的影像，這樣既排除了人為驚擾也避免了潛伏觀測的危險性；又如，光線較暗且不宜放置體積較大監(jiān)測儀器的鳥巢內，可以安放體積較小的紅外傳感器節(jié)點來對其監(jiān)測；此外，還可以用溫度、濕度，壓力和海拔高度等傳感器來采集生物的生存環(huán)境指標。無線傳感器網絡的應用可以改變生物研究的固有手段，使科學研究在無人值守的情況下就能得到精細化的進行。
1.2.3全球變暖預警
當今，溫室氣體的排放加速了全球氣候的變暖，有記錄顯示：在過去四五十年里，北極冰厚度已經下降了40%。這是一個可怕的數(shù)字，任由其發(fā)展下去，冰山融化導致的海平面上升的后果將會是災難性的。為了更好地了解地球氣候的變化，可以用無線傳感器網絡來監(jiān)測冰山的狀態(tài)：溫度，高度，壓力，位置變化等，以此來推斷全球氣候的變化，指導人們進行環(huán)境的保護、降低碳排放、新能源的開發(fā)和應用。挪威科學家已經開始了類似的研究。
隨著科學技術的發(fā)展和人們對于生活舒適性和便利性要求的提高，無線傳感器網絡技術逐漸走進普通家庭的日常生活，而日常生活場合不需要維持大量的傳感器節(jié)點，小規(guī)模的無線傳感器網絡就能滿足日常需要，我們稱這種小規(guī)模的無線傳感器網絡為無線傳感局域網絡。本文將小規(guī)模的無線傳感器網絡引入家居住宅之中，提出了一種以智能家居為應用平臺的無線傳感局域網絡，通過該網絡可以實現(xiàn)家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集、遠程控制和安全防護等功能。
1.3論文的主要工作及結構
本文將無線傳感器網絡技術引入日常生活的應用之中，提出了一種應用于智能家居的無線傳感局域網絡。首先，以無線通信芯片nRF24L01 和微控制器芯片STM8S003為基礎設計了無線傳感器節(jié)點，傳感器采用通用型空氣質量傳感器MQ-135采集室內空氣質量，火焰?zhèn)鞲衅?/span>YS-17檢測室內是否發(fā)生火災，溫濕度傳感器DH11檢測室內溫濕度，光敏傳感器3DU5檢測室內光強，HC-SR501檢測人員進入，可控硅BAT138控制用電器的開斷，串口轉WiFi模塊ESP8266用于將協(xié)調器采集的信息傳輸?shù)骄W絡，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；其次，對兩種經典的層次路由協(xié)議（LEACH 路由和PEGASIS路由）進行融合和改進，提出了一種應用于智能家居的鏈簇路由協(xié)議。
第一章介紹課題的背景和意義，闡述了無線傳感器網絡的研究現(xiàn)狀以及本論文的主要工作和具體組織結構。
第二章介紹無線傳感局域網絡的技術基礎，主要介紹了幾種典型的短距離無線通信技術和路由協(xié)議，并對層次路由和平面路由做了比較分析。
第三章提出總體設計方案，主要介紹了無線傳感局域網絡的應用平臺、系統(tǒng)功能以及硬件和路由的設計思想。
第四章詳細闡述無線傳感器節(jié)點的設計，重點介紹了以nRF24L01 為基礎的無線通信模塊的設計和以STM8S003 為基礎的處理器模塊的設計，并介紹了傳感器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊、RS232 接口以及遙控節(jié)點的設計。
第五章詳細闡述了鏈簇路由協(xié)議的設計，首先分析了兩種經典的分層路由協(xié)議；其次，詳細介紹了基于智能家居的鏈簇路由協(xié)議的設計過程，包括網絡模型、數(shù)據(jù)幀結構、通信機制、路由建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/span>
第六章對論文進行總結，并對后續(xù)工作做了展望。
第二章 無線傳感局域網絡的技術基礎
無線傳感器網絡技術涉及多學科交叉的研究領域，因此需要多種關鍵技術的支撐，如網絡拓撲、路由協(xié)議、時間同步、網絡安全、定位技術、短距離無線通信技術等，本文僅對短距離無線通信技術和路由協(xié)議進行介紹和分析。
2.1 短距離無線通信技術
隨著通信及網絡技術的發(fā)展，人們對無線通信技術有了更多的需要，尤其是近年來“物聯(lián)網”概念的提出，極大的推動了短距離無線通信技術的發(fā)展。目前比較成熟的短距離無線通信技術有以下幾種：藍牙技術、無線局域網(Wi-Fi)、Zigbee、超寬頻(UWB)和RFID。
2.1.1藍牙技術
藍牙技術，英文名字為Bluetooth,是由愛立信等五家公司于20 世紀九十年代末開發(fā)的，該技術的目的是解決室內短距離的無線數(shù)據(jù)通信。藍牙技術所用的頻段為2.4GHz的工業(yè)、科學、醫(yī)學頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，能達到每秒一兆比特，網絡拓撲結構如圖2-1 所示，支持點對點通信、星型網絡以及混合型的網絡。藍牙技術在辦公場所和個人數(shù)據(jù)傳輸方面有較多使用，可以實現(xiàn)PC、傳真機、打印機、手提電腦、移動電話、無線耳機的無線連接。隨著新一代藍牙標準的推出，傳輸速率可能升高一個數(shù)量級，這種高的傳輸速率可以支持多媒體數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務。
2.1.2Wi-Fi 技術（IEEE802.11b）
Wi-Fi 技術,中文譯為無線高保真,也是一種短距離無線通信技術,它屬于802.11b標準。Wi-Fi 技術的傳輸距離要比藍牙技術遠的多，藍牙的通信距離在十米左右，而Wi-Fi 的傳輸距離可以達到幾百米；另外，Wi-Fi 技術的傳輸速率也較高�；谝陨咸攸c，Wi-Fi 技術具有廣泛的應用，市場上的很多無線路由器就是基于Wi-Fi 技術的；賓館、餐館、圖書館等場所都有Wi-Fi 熱點的接入，可以方便人們通過手提電腦或者手機以及其他掌上設備通過無線的方式接入互聯(lián)網。由于Wi-Fi 的輻射功率比手機的功率都要低，大量Wi-Fi 熱點的密集放置也不會給人體帶來危害性的輻射。
2.1.3zigbee 技術(IEEE802.15.4)
zigbee 技術，是一種基于短距離的無線通信技術，這種技術組網比較簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率較低、能耗較小。該技術是建立在802.15.4 標準之上的。這種短距離無線通信技術在對傳輸速率要求不高的場合中具有廣泛的應用。zigbee 技術所搭建的網絡中具有兩種不同功能的設備，一種設備具有較全面的功能，它可以與所有的設備進行通信；而另一種設備不能與所有的設備進行通信，只能與相關的全功能設備通信，因此這種設備被稱為半功能設備。全功能設備用FFD 表示，半功能設備用RFD 表示。該技術定義了兩種拓撲結構，一種是點對點的拓撲結構，一種是點對多點星型的拓撲結構。點對點拓撲結構的通信雙方可以是全功能設備和半功能設備，也可以是全功能設備和全功能設備；點對多點的拓撲結構的通信中心是全功能設備，從設備是半功能設備也可以是其他星型網絡的全功能設備，如圖2-2 所示。相對來說，點對點的結構可以通過接力的方法來實現(xiàn)遠程接力傳輸，因為節(jié)點的通信覆蓋范圍有限，所以這種結構適用于較為復雜的數(shù)據(jù)傳輸網絡，如物流和無線傳感器網絡等；星型網絡主要應用于較小規(guī)模的無線通信領域中，如小型智能家居和PC 的外設等。
2.1.4UWB 無線通信技術
UWB——超寬帶技術，是一種短距離高速無線通信技術。該技術最早應用于軍事領域，近幾年才被批準進入民用領域。UWB 的特點就是具有極寬的帶寬，如圖2-3 所示，不同于傳統(tǒng)的正弦載波，超寬帶技術利用極短的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，時域很窄則頻域很寬，頻率范圍可從3.1Ghz 到10.6GHz。
2.2路由協(xié)議
2.1.5RFID 技術
RFID 技術，又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取目標對象的相關數(shù)據(jù)，工作過程可以無人值守，適用于多種工作環(huán)境。RFID 的基本模塊由三部分組成：標簽、閱讀器和天線，其工作原理是這樣的：閱讀器時刻發(fā)送射頻信號，裝有電磁感應線圈的標簽進入閱讀器所產生的磁場中，會產生相應的感應電流，感應電流的能量會驅動標簽通過天線發(fā)送出自身存儲的信息，閱讀器接
收到標簽信息后，將其送至中央處理系統(tǒng)。
2.2 路由協(xié)議
路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網絡轉發(fā)到目的節(jié)點，有能量高效、可擴展性、魯棒性、快速收斂性的特點。按照最終形成的拓撲結構，無線傳感局域網絡的路由協(xié)議可分為平面路由和層次路由兩大類，以下是對這兩類路由協(xié)議的介紹和分析。
2.2.1 平面路由
在平面路由協(xié)議中，所有傳感器節(jié)點的地位都是平等的，不存在級別的差異，數(shù)據(jù)的傳輸平等的在各節(jié)點之間傳遞，該協(xié)議的組網簡單，網絡比較可靠，適用于規(guī)模較小的無線傳感器網絡。以下介紹幾種典型的平面路由協(xié)議：SPIN、DD、Rumor。
2.2.1.1 SPIN 路由算法
SPIN 協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議，通過節(jié)點間的協(xié)商，融合相關性較強的數(shù)據(jù)，從而減少了通信數(shù)據(jù)量，降低了功耗，提高了能量管理的有效性。
SPIN 使用三種報文數(shù)據(jù)：廣播數(shù)據(jù)、請求報文數(shù)據(jù)和原始采集數(shù)據(jù)。SPIN 工作流程如下：當某節(jié)點感知到新事件發(fā)生時，就會向周圍的節(jié)點廣播包含有原始采集數(shù)據(jù)的報文，收到該報文的節(jié)點檢查對此數(shù)據(jù)是否感興趣，若感興趣則發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文REQ，感知到事件的節(jié)點收到數(shù)據(jù)請求報文后，給其發(fā)送原始采集數(shù)據(jù)；收到原始數(shù)據(jù)的節(jié)點再重復剛才節(jié)點的動作，像周圍發(fā)送廣播報文……其中已經存儲有該原始數(shù)據(jù)的節(jié)點不再發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文，流程圖如2-4 所示。其中ADV 為廣播數(shù)據(jù)，REQ 為請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA 為原始采集數(shù)據(jù)。
2.2.1.2 DD 路由算法
DD 路由協(xié)議和SPIN 協(xié)議所不同的是：SPIN 的路由從感知事件發(fā)生的節(jié)點發(fā)起，而DD 算法則是從需要某種數(shù)據(jù)的節(jié)點開始，因此它是一種基于查詢的路由機制。
DD 算法的整個工作流程由三個階段組成，如圖2-5 所示。第一個階段，匯聚節(jié)點在全網廣播Interest 信息，這種廣播是周期性的，收到Interest 信息的節(jié)點轉發(fā)此信息至網絡中的所有節(jié)點，興趣在轉發(fā)的同時建立了從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的梯度場，這個階段被稱為興趣的廣播階段；梯度場建立之后，源節(jié)點采集到的據(jù)沿著梯度場傳遞到匯聚節(jié)點，在數(shù)據(jù)的傳遞過程中，每條路徑的質量都被記錄下來，其中路徑的質量包括能耗等指標，這些指標被作為路徑選擇的依據(jù)，這個階段被稱為梯度建立的階段；梯度建立之后，從源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)會有多種路徑到達匯聚節(jié)點，因此匯聚節(jié)點會收到多個相同的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點會根據(jù)每條路徑的質量來選擇一條最好的傳輸路徑，以后的數(shù)據(jù)傳輸就用單條最優(yōu)路徑來完成。
2.1.1.3Rumor 路由算法
Rumor 協(xié)議，中文譯為謠傳路由，該協(xié)議借鑒了一種幾何思想，該幾何思想是這樣的：歐式平面圖上任意兩條曲線具有很大的交叉概率。謠傳路由的開始從源節(jié)點和匯聚節(jié)點同時發(fā)起，感知到事件發(fā)生的源節(jié)點產生一個代理消息，該代理消息由源節(jié)點發(fā)送出去并經由任意路徑進行轉發(fā)，與此同時匯聚節(jié)點產生事件查詢信息，該查詢信息也在全網中以任意路徑的方式轉發(fā)，根據(jù)歐式平面圖上任意兩條曲線交叉概率很大的思想，這兩條路徑總會在某一點相交，當兩條路徑相交時，源節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的路徑就建立起來了，如圖2-6 所示。歐式平面圖上任意兩條曲線的交叉幾率很大但不是一定交叉，因此該算法也存在著兩條路徑不相交的可能，如果查詢消息的路徑在較長的時間里沒有尋找到代理消息的路徑，則匯聚節(jié)點會采Flooding 的方式來發(fā)送查詢消息，從而加大路徑交叉的幾率。
2.2.2 層次路由
層次路由協(xié)議是相對于平面路由協(xié)議的，層次拓撲結構的網絡一般以簇的形式存在，網絡中的節(jié)點分為簇頭和簇成員兩類。簇成員負責區(qū)域發(fā)生事件的采集，簇頭節(jié)點負責簇的管理和簇成員的控制，簇頭的選舉原則根據(jù)一定的算法機制完成。典型的層次路由協(xié)議具有以下幾種：
2.2.2.1LEACH 路由算法
致 謝（二號宋體加粗居中，單倍行距，段前段后空1.5行）
×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××（正文宋體五號，1.25倍行距，上下不空行）
（插入分頁符）
參考文獻（二號宋體加粗居中，單倍行距，段前段后空1.5行）
[1]（五號宋體+Times New Roman，單倍行距，上下不空行，標點格式如下示例）
[2]×××××××
[3]×××××××
[4]×××××××
[5]×××××××
[6]×××××××
說 明：
1、參考文獻一般要求:
（1）參考文獻一般應是作者直接閱讀過、對學位論文有參考價值且發(fā)表在正式出版物上的文獻，除特殊情況外，一般不應間接使用參考文獻；
（2）參考文獻應具有權威性，要注意應用最新的文獻；
（3）引用他人的學術觀點或學術成果，必須列在參考文獻中；
（4）參考文獻在整個論文中按出現(xiàn)的次序列出；
2、參考文獻的著錄格式（其中標點符號都要在全角下錄入）
期刊、專著、學位論文及英文期刊將嚴格按下列格式進行著錄。
（1）連續(xù)出版物：［序號］作者1，作者2，作者3，等．文獻題名[J]．刊名，出版年份，卷號(期號)：起止頁碼．如：
［1］袁慶龍，候文義．Ni-P合金鍍層組織形貌及顯微硬度研究[J]．太原理工大學學報，2001，32(1)：51-53．
（2）專著：［序號］ 主要責任者．文獻題名[M]．出版地：出版者，出版年：頁碼．如：
［2］劉國鈞，鄭如斯．中國書的故事[M]．北京：中國青年出版社，1979：115．
（3）會議論文集：［序號］ 析出責任者．析出題名[A]．見(英文用In)：主編．論文集名[C]．(供選擇項：會議名，會址，開會年)出版地：出版者，出版年：起止頁碼．如：
［3］孫品一．高校學報編輯工作現(xiàn)代化特征[A]．見：中國高等學校自然科學學報研究會．科技編輯學論文集(2)[C]．北京：北京師范大學出版社，1998：10-22．
（4）專著中析出的文獻：［序號］ 析出責任者．析出題名[A]．見(英文用In)：專著責任者．書名[M]．出版地：出版者，出版年：起止頁碼．如：
［4］羅云．安全科學理論體系的發(fā)展及趨勢探討[A]．見：白春華，何學秋，吳宗之．21世紀安全科學與技術的發(fā)展趨勢[M]．北京：科學出版社，2000：1-5．
（5）學位論文：［序號］ 主要責任者．文獻題名[D]．保存地：保存單位，年份：如：
［5］張和生．地質力學系統(tǒng)理論[D]．太原：太原理工大學，1998．
（6）報告：［序號］ 主要責任者．文獻題名[R]．報告地：報告會主辦單位，年份：如：
［6］馮西橋．核反應堆壓力容器的LBB分析[R]．北京：清華大學核能技術設計研究院，1997．
（7）專利文獻：［序號］ 專利所有者．專利題名[P]．專利國別：專利號，發(fā)布日期：如：
［7］姜錫洲．一種溫熱外敷藥制備方案[P]．中國專利：881056078，1983-08-12．
（8）國際、國家標準：［序號］標準代號．標準名稱[S]．出版地：出版者，出版年：如：
［8］GB/T 16159—1996．漢語拼音正詞法基本規(guī)則[S]．北京：中國標準出版社，1996．
（9）報紙文章：［序號］主要責任者．文獻題名[N]．報紙名，出版年，月(日)：版次．如：
［9］謝希德．創(chuàng)造學習的思路[N]．人民日報，1998，12(25)：10．
（10）電子文獻：［序號］ 主要責任者．電子文獻題名［文獻類型/載體類型］．：電子文獻的出版或可獲得地址(電子文獻地址用文字表述)，發(fā)表或更新日期/引用日期(任選) ：如：
［10］姚伯元．畢業(yè)設計(論文)規(guī)范化管理與培養(yǎng)學生綜合素質[EB/OL]．：中國高等教育網教學研究，2005-2-2．
附：參考文獻著錄中的文獻類別代碼
普通圖書：M
會議錄：C
匯編： G
報紙：N
期刊：J
學位論文：D
報告：R
標準：S
專利：P
數(shù)據(jù)庫：DB
計算機程序：CP
電子公告：EB/OL
注：
（1）上面所列各項必須齊全，尤其是卷和期。
（2）專著若多次引用，可省略頁碼。
（3）英文作者名字具體是姓前名后，還是名前姓后——即縮寫在前，還是縮寫在后不做統(tǒng)一規(guī)定，但要求全文要統(tǒng)一；原文中的逗號和縮寫點均省去，原每個作者之間分號分隔符改用逗號。例如：Tokuyama， T.; Yoshida， N.; Matsuishi， T.; Tdklfj G. 應為Tokuyama T， Yoshida N， Matsuishi T， et al．期刊名字一律用全稱；年卷期須齊全。
（4）對于每一篇參考文獻，如需另起一行才能標注完有關內容，則第二行開頭必須與該文獻序號后的文字上下對齊。
備 注:
模版中的所有紅色字體文字表示格式要求及備注，正文中按紅色字體格式要求排版，最終版要將紅色字體從正文中去掉。
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
