设计用于环境监测的无线传感网多跳数据采集、传输系统。在PC机上能显示当前测得的温/湿度、光照等环境信息。当光照超过一定阈值时，感知节点通过LED信号灯给以报警。_传感网应用开发 输电线

第一章 概述
1.1设计目的
1、使用韩伯感知节点、结合Sink节点，设计用于环境监测的无线传感网多跳数据采集、传输系统。在PC机上能显示当前测得的温/湿度、光照等环境信息。当光照超过一定阈值时，感知节点通过LED信号灯给以报警。
2、对tree路由的理解及应用。
1.2功能要求
实现题目的功能要求需要用到两类节点，这两类节点分别是感知节点和sink节点。
1.2.1 感知节点的功能
感知节点作为采集节点负责采集周围的数据，每20s采集一次光照，每100s采集一次温/湿度。感知节点要将采集到的温/湿度、照度值通过多跳转发给sink节点，转发过程中采用自适应树形路由策略转发数据。
1.2.2 sink节点的功能
Sink节点与PC相连，在PC终端上显示从感知节点接收到的温/湿度和光照的值。
1.3开发环境
PC机；
NotePad++；
cygwin；
SmartRFProg.exe；
Network Topology-Viewer。

第二章 系统整体设计
2.1整体架构组织
2.1.1 OscilloscopeSHT11的整体架构组织

OscilloscopeSHT11是实现功能一时用到的，实现在采样周期内采集温/湿度，按照题目要求把采集的数据由温/湿度变为温/湿度和照度，主要包括头文件Oscilloscope.h、配置文件OscilloscopeAppC.nc和模块文件OscilloscopeC.nc。上述框架图能够在配置文件OscilloscopeAppC.nc中体现出。 Boot接口由组件MainC提供；接口Timer由组件TimerMilliC提供；接口Read<uint16_t>由组件SensirionSht11C和组件PhotoSensor提供，在模块文件OscilloscopeC.nc中Read<uint16_t>被分别重命名为三个接口Read_Humidity，Read_Temp， Read_Photo；接口Leds由组件LedsC提供；为了串行传递Tinyos-2.x消息，需要使用SerialActiveMesssageC组件，接口AMsend、Receive、SplitControl都由组件SerialActiveMesssageC提供，其中SpliControl通过as 变更为SerialControl，进行布线，与数据有关的AMsend、Receive接口被声明为数组（[AM_SOCILLOSCOPE]），区分了消息类型，为了只能在相同类型的接口间发送和接收。
2.1.2 Hanback_TestTree的整体架构组织

Hanback_TestTree是实现功能二时用到的，利用自适应树形路由将采集的温/湿度和照度通过多跳传输给网关节点，利用自适应树形路由转发策略，最后在PC机的通信终端上显示温/湿度和光照值。主要包括头文件Hanback_TestTree.h，配置文件Hanback_TestTreeAppC.nc，模块文件Hanback_TestTreeAppM.nc，头文件HanbackTreeRouting.h，配置文件Hanback_TreeRoutingC.nc，模块文件Hanback_TreeRoutingM.nc。上述框架图能够在模块文件Hanback_TestTreeAppC.nc中体现出。其中SensirionSht11C()，PhotoSensorC()，UltraredSensorC()，组件是为了控制韩伯节点上存在的传感器的组件；SCSuartDGBC组件为了将sink节点从无线收到的数据传给PC而使用的串行组件，该组件与SerialActiveMessage组件不同，可以直接串行传递自身想要的数据形式而非message_t结构体形式。

第三章 模块的设计和实现
3.1 OscilloscopeSHT11的模块设计和功能一的实现
3.1.1 OscilloscopeSHT11的模块设计
在OscilloscopeSHT11中是每隔0.5S通过SensirionSht11C组件从SHT11传感器收到温/湿度测量值后，根据#GET_HUMIDITY_DATA的值将温/湿度或湿度值串行传递给PC的程序。根据题目要求：每隔100S采集一次温/湿度，每隔20S采集一次光照，我对原文件进行了修改。
在头文件OscilloscopeSHT11.h中，我首先将采样周期DEFAULT_INTERVAL修改为20S；在该文件中定义了NREADINGS，该值范围从0-10，结构体oscilloscope_t 。 在配置文件OscilloscopeSHT11AppC.nc中，记录了要用的组件的声明及它们之间的连接的有关内容，我在该文件中增加了采集光照需要用到的组件new PhotoSensorC() 并更名为Sensor1及相应的接口绑定关系：OscilloscopeC.Read_Photo->Sensor1。
主要的文件是模块文件OscilloscopeC.nc，在该文件中：
1、首先声明了要用的接口并为部分接口更名，我再该部分增加了将接口 Read<uint16_t> 更名为Read_Photo;；
2、然后定义了一些需要使用的变量，在该部分我增加了turn的定义，用于计数过了多少个采样周期，声明了calc_SHT,并定义了利用LED来报告各种状态；
3、在Boot.booted函数中对一些变量进行了初始化，在该函数中我增加了turn 的初始化，其中将采样周期 DEFAULT_INTERVAL赋给了CurrentInterval；
4、在函数StartTimer()中，调用了Timer StartPeriodic（CurrentInterval），其中CurrentInterval为采样周期20S，然后需要调用函数StartDone（）和StartDone()、Receive.receive()，在该部分未做修改；
5、在函数Timer.fired（）中：
event void Timer.fired() {
turn++;
turn=turn%5;
if (reading == NREADINGS){
if (!sendbusy) {
// oscilloscope_t is cleared as the big endian type.
local.version = nx_16_t_change(CurrentVersion);
local.interval = nx_16_t_change(CurrentInterval);
local.id = nx_16_t_change(TOS_NODE_ID);
local.count = nx_16_t_change(MsgCount);
memcpy(call AMSend.getPayload(&sendbuf), &local, sizeof local);
if (call AMSend.send(AM_BROADCAST_ADDR, &sendbuf, sizeof local) == SUCCESS)
sendbusy = TRUE;
report_sent();
}
if (!sendbusy)
report_problem();
reading = 0;
MsgCount++;
}
if(turn0){
if(call Read_Temp.read() != SUCCESS)
report_problem();
if(call Read_Photo.read()!=SUCCESS)
report_problem(); //100秒时可能既测温湿度又测照度
}
else
if(call Read_Photo.read() != SUCCESS)
report_problem();
}
注释：首先增加了每过一个采样周期turn值自增1，并让turn对5取余数；当（readingNREADINGS)时，sendbusy为FAULSE，更新Oscilloscope结构体中version等信息，并report_problem，reading置0，MsgCount自增1；然后判断turn 的值是否为0，若turn的值为0，说明间隔了100S，则call Read_Temp.read()、call Read_Humidity.read()（在原来的代码中只写你了Temp而没有写Humidity，我的理解是因为温湿度的采样周期是一致的，所以采集完温度就会采集湿度，即若没有成功的采集温度说明湿度采集也不成功）和call Read_Photo.read()；接着调用相应的readDone函数；若(call Read_Temp.read() != SUCCESS) ，(call Read_Photo.read()!=SUCCESS)则report_problem()（100秒时既测温/湿度又测光照）；否则，即间隔为20S，只需call Read_Photo.read()和相应的readDone函数，若(call Read_Photo.read() != SUCCESS)，则report_problem()；
6、函数AMSend.sendDone()，发送完做相应的处理，若发送不成功，则report_problem()，并将sendbusy 置为FALSE；
7、在readDone部分我增加了函数Read_Photo.readDone()：
event void Read_Photo.readDone(error_t result, uint16_t data) {
if (result!=SUCCESS){
report_problem();
data = 0xffff;
}
else
report_sent;
local.readings[reading++] = nx_16_t_change(data);
}
注释：若未成功采集到数据，则report_problem(),光照值置为16进制的全1；若成功采集到数据，则report_send()，并将采集到的数据放入相应的数组中；在函数Read_Temp.readDone()中调用了Read_Humidity.read()，即首先调用Read_Temp.read()函数，接着调用Read_Temp.readDone()函数，并在readDone函数中调用Read_Humidity.read函数，这就是为什么在Timer.fired函数中，当间隔为100S时，仅仅写了if(call Read_Temp.read() != SUCCESS)而没有写if(call Read_Humi.read() != SUCCESS)；在函数Read_Humidity.readDone 中需要调用calc_SHT(T_humi, T_temp)函数，当GET_HUMIDITY_DATA的值为0时，数据为温度值，当其为1时，数据为湿度值；

3.1.2 功能一的实现
首先修改各个文件；然后运行cygwin进入到目录/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/OscilloscopeSHT11中，输入make cc2431运行，如图3.1所示：

然后将编译的hex文件下载到节点中，进入SmartRFPog.exe进行下载；
为了确认通过串行连接线从已编程的节点周期性传送数据，需要运行示波器java运用程序，首先进入cygwin，进入到目录/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/OscilloscopeSHT11/java，记录命令：java net.tinyos.sf.SerialForwarder –comm serial@COM6:57600(6是我的串口号，在设备管理器中可以查看)运行SerialForwarder,运行成功后如图3.2所示：

SerialForwarder运行成功后，打开新的cygwin，再次进入目录：/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/OscilloscopeSHT11/java，输入./run ,执行命令。
3.2 Hanback_TestTree的模块设计和功能二的实现
3.2.1 Hanback_TestTree的模块设计
Hanback_TestTree例题是购买韩伯节点时已默认被下载的程序。Hanba
ck_TestTree例题，每隔3秒读进节点上的温度/湿度/照度/红外线传感器的检测值后，通过多跳协议—Tree路由，传给很远的Sink节点。Sink节点将从无线收到的数据传给PC，用户可以通过Windows程序—Viewer.exe确认当前无线网络的拓扑及各节点的检测数据。
根据题目要求，首先我对其采样周期进行了修改，另外，题目中并未要求采集会红外线的值，所以我将例题中的测量红外线的组件接口函数等删去，但是后来我发现删去以后在Viewer.exe中没有任何节点信息显示，后来经过询问其他人知道，头文件Hanback_TestTree.h中的内容不能修改，若随意修改将会干扰中断执行，于是在同学的建议下，我把红外线的值改为一个固定的值。
在配置文件Hanbck_TestTreeAppC.nc中，将组件UltraredSensorC删除，并删去绑定关系语句：Hanback_TestTreeAppM.Read_Ultrared -> UltraredSensorC；
主要的修改依然在模块文件Hanback_TestTreeAppM.nc中，在该文件中：
1、同样首先声明了要用的接口并为部分接口更名，我在改部分删去了interface Read<uint16_t> as Read_Ultrared；
2、然后定义了一些需要使用的变量，在该部分我增加了turn的定义并初始化为0，用于计数过了多少个采样周期，声明了calc_SHT；
3、在Boot.booted函数中，调用了SCSuartSTD.start()，为了串行组件的开始；
RControl.start()，为了路由组件的开始，SCSuartSTD，RControl的原型都是StdControl；并判断TOS_NODE_ID 是否等于 SinkAddress，若TOS_NODE_ID != SinkAddress，则调用Timer.startPeriodic(DATA_TIME)，（DATA_TIME为采样周期），到达一定时间间隔后采集数据，若TOS_NODE_ID = SinkAddress，则sink节点需将数据发给PC；
4、在Timer.fired函数中：
event void Timer.fired() {
turn++; //每轮都自增1
call Leds.led2Toggle();
call Read_Photo.read(); //get sensor data as photo, temp., humi., ultrared orders
}

event void Read_Photo.readDone(error_t err, uint16_t val) {
if (err == SUCCESS)
{
myPhoto = val;
if(turn%5==0)
call Read_Temp.read();
else
post transmit_frame();
}
}
event void Read_Temp.readDone(error_t err, uint16_t val) {
if (err == SUCCESS)
Raw_Temp = val;
call Read_Humi.read();
}
event void Read_Humi.readDone(error_t err, uint16_t val) {
if (err == SUCCESS && Raw_Temp!=0xFFFF)
calc_SHT_(val, Raw_Temp);
post transmit_frame();
}

注释：首先每隔一个采样周期，turn值都自增1，并调用Read_Photo.read()函数，接着调用Read_Photo.readDone()函数，在该函数中，采集成功进行赋值后，进行判断turn%5是否为0，若为0，说明间隔为100S，则接着调用函数Read_Temp.read()；Read_Temp.readDone()，并在readDone函数中调用函数Read_Humi.read()；Read_Humi.readDone(),并在readDone函数中调用calc_SHT_(val, Raw_Temp)进行计算，抛出函数transmit_frame()，进行传送数据；在该部分我删除了函数Read_Ultrared.readDone()，并将post transmit_frame()提前到函数Read_Humi.readDone()中；
5、在函数中transmit_frame()中：
if(turn%5==0){
DFS.Temp = myTemp;
DFS.Humi = myHumi;
DFS.Photo = myPhoto;
DFS.Ultrared = 0xFFFF;
}
else{
DFS.Temp = 0xFFFF;
DFS.Humi = 0xFFFF;
DFS.Photo = myPhoto;
DFS.Ultrared = 0xFFFF;
}
注释：当间隔为100S时，将myTemp、myHumi、myPhoto中存储的检测值放入Application结构体中-DataFrameStruct 字段，并将DFS.Ultrared的值定为 0xFFFF；
当间隔为20S时，将myPhoto中储的检测值放入Application结构体中-DataFrameStruct 字段，并将DFS.Temp、DFS.Humi、DFS.Ultrared，即红外线的值一直定为16进制的FFFF（10进制的65535），并通过Rout_Send.send函数，下发到Tree路由组件-Hanback_TreeRouting组件中；
6、在函数Rout_Receive.receive中，首先进行判断，若TOS_NODE_ID == SinkAddress，说明sink节点需发送数据到PC，其中对收到的数据进行了CRC检测，memcpy的作用：eg.118行中是将调用函数Rout_Send.getPayload(msg)后得到的msg指向区域中的数据拷贝sizeof个到NWKF中。件HanbackTreeRouting.h，配置文件Hanback_TreeRoutingC.nc，模块文件Hanback_TreeRoutingM.nc中未做修改。

3.2.2功能二的实现
通过上述修改后，与OscilloscopeSHT11例题中类似，首先进入目录/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/Hanback_TestTree中；然后输入make cc2431进行编译，编译成功界面如图3.3所示：

生成hex文件，如图3.4所示：

然后下载代码到节点中，sink节点和普通节点都需要下载。

第四章 运行测试和心得总结
4.1运行测试
4.1.1 测试中出现的问题及解决方法
1、在实现功能一运行java应用程序时，在cygwin中输入./run后，显示的java应用程序中没有任何图像，经过反复实验，发现是在需要将USB switch从 MCU移到232端时，每次总是在进入java文件夹后才记得移动，这个问题是由于个人粗心和对操作的不熟悉而导致的，重做一次就可以解决；
2、在将hex文件下载到节点时，点击Perform actions后提示错误，解决方式是把先把节点的USB switch拨到MCU端才能进行下载；
3、在实现功能二时，拓扑图中没有任何信息显示，经过询问其他同学知道，在头文件Hanback_TestTree.h中定义了两个结构体DataFrameStruct、UartFrameStruct，若删除结构体中的内容，在使用到该结构体时会出现中断而采集不到数据，解决方式是：恢复文件Hanback_TestTree.h中删除的部分，并在模块文件Hanback_TestTreeAppM.nc的函数ransmit_frame()中修改：当间隔为100S时，将myTemp、myHumi、myPhoto中存储的检测值放入Application结构体中-DataFrameStruct 字段，并将DFS.Ultrared的值定为 0xFFFF；当间隔为20S时，将myPhoto中储的检测值放入Application结构体中-DataFrameStruct 字段，并将DFS.Temp、DFS.Humi、DFS.Ultrared，即红外线的值一直定为16进制的FFFF（10进制的65535）。
4.1.2 运行结果
1、利用java应用程序显示采集的温/湿度、照度值：成功运行SerialForwarder后打开新的cygwin，再次进入目录：/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/Oscilloscope
SHT11/java，输入./run ,若命令被正确执行，可以看到如图4.1所示的画面：

在图7中，图像的上面表示光照值，下面是温/湿度，温/湿度的间隔时间是光照的五倍。
2、下载hex文件到节点后，用USB连接sink节点，节点的USB switch拨到232端，其他活动节点把POWER拨到BAT即可，在Viewer中选择相应的端口号和sensor,点击Connect即可看到如图4.2所示的拓扑结构图：（我的节点时0和2，0为根节点，其他节点是其他人的）

在图8中，为间隔为20秒的结果，可以看到除了光照值，其他都是65535，即（0xFFFF）（当间隔为20S时，DFS.Temp = 0xFFFF;DFS.Humi = 0xFFFF;
DFS.Photo = myPhoto;DFS.Ultrared = 0xFFFF;）

当间隔为100秒时，结果如图4.3所示：

在图4.3中，间隔为100S时，温/湿度、照度的值发生了变化，而红外线的值任为65535（但在检查时，我首先运行的得到结果，过较长时间检查时红外线的值发生了变化，还不知道问题出在哪儿）即turn%5=0时，DFS.Temp = myTemp;
DFS.Humi = myHumi;DFS.Photo = myPhoto; DFS.Ultrared = 0xFFFF。
在检查的时候老师问到一个问题，为什么在2与7和1节点间的连线一直在切换，经过仔细思考，我认为是因为在用自适应树形路由进行转发时，节点会自适应的选择下一跳节点。
4.2心得总结
在刚开始做课设时，我比较迷茫，不知道如何下手，在老师的指导下，我首先仔细分析题目，根据我的优势选择了第二题，然后我开始分析老师给的例题，经过仔细分析，我发现要实现功能一其实并不难，在老师所给的两个例题Oscilloscope和OscilloscopeSht11中，分别采集的是光照和温/湿度的值，所以对于功能一我有了大体思路，需要将两个例题结合起来，因为OscilloscopeSHT11中采集了两种数据，在其上做改动会更加容易，因此，我的思路是在OscilloscopeSHT11的对应配置文件中加上测量光照值所需要的组件及对应的接口，在模块文件中加入相应的函数。那么接下来的关键问题就是，在原来的例题中是间隔一个采样周期后开始采集数据，而根据题目要求，需要在两个采样周期内分别采集数据，经过对程序逻辑结构的仔细分析，我决定在定时器上做改动。实现功能一有了大体思路后，我开始分析实现功能二需要用到的洪泛、自适应树形路由多跳转发策略。后来根据分析结果并结合之前的实验，我决定使用自适应树形路由多跳转发策略。
在做好决定后，我开始入手做第一题，按照之前的思路，我首先在配置文件OscilloscopeAppC.nc中加入了测量光照所需的组件及接口（参考Oscilloscope例题中的配置文件），然后再头文件Oscilloscope.h中，将采样周期修改为20S即20000ms，在模块文件OscilloscopeC.nc中增加一个变量turn，用于计数采样周期，然后利用turn的值来控制时间间隔，在Timer.fired()中做修改。编译成功后，为了确认通过串行连接线从已编程的节点周期性传送数据，运行了示波器java运用程序。在实现了功能一的基础上，实现功能二就顺畅了很多，我在Hanback_TestTree中做修改，由于一开始删除了Hanback_TestTree.h中与采集红外线有关的部分，一直不能的出结果，后来经过询问同学知道原因，在头文件Hanback_TestTree.h中定义了两个结构体DataFrameStruct、UartFrameStruct，若删除结构体中的内容，在使用到该结构体时会出现中断而采集不到数据，最终完成了实验。
在这次课程设计中，虽然最后结果不尽人意，但我有了很大的收获，通过对代码的反复分析，我对OscilloscopeSHT11和Hanback_TestTree中涉及的大部分代码有了更深的理解和掌握。对于洪泛和自适应树形路由转发策略，我都进行了分析，最后选择自适应树形路由是因为之前做过类似实验，会更加熟悉。在课设中，我的自学能力、解决问题的能力、动手能力有了很大的提高。在遇到问题时，我首先会选择自己动手解决，当自己不能解决时与同学探讨解决，增加了和其他同学的交流在；通过不断分析程序，我知道了当在程序中遇到一个不知道的函数或变量时如何进行分析，面对一个问题是应该如何入手来分析，将一个大的问题逐步分解为一个个小的部分。

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