灌区自动化信息管理系统v1.3.3.doc

1、本 科 生 毕 业 论 文论 文 题 目 灌区自动化信息管理系统 无线传感器网络汇聚节点的软件设计 作 者 姓 名 单 冯 专 业 年 级 计算机科学与技术 04 级 学 号 04061126 指 导 教 师 毛 莺 池 评 阅 教 师 二八年六月中国 南京I摘 要针对我国目前农村灌区自动化水平和管理水平都较低，农村用水系统效率低下的问题，本文设计与实现了一个农村灌区自动化信息管理系统。该系统应用无线传感器技术、嵌入式开发技术、数据库技术以及 Web 服务器技术等，采用最新自行研制的无线传感器采集灌区中的各种水文数据。该系统的应用将为灌溉系统节约成本、提高效率提供良好的平台支持。该农村灌区自动

2、化信息管理系统分为无线传感器网络数据采集子系统、无线传感器网络汇聚节点数据收发和图像采集子系统、信息中心 Web 服务子系统三个主要部分。其中无线传感器网络数据采集子系统主要进行灌区水文数据采集；无线传感器网络汇聚节点数据收发和图像采集子系统主要进行水文数据收发中转及图像采集；信息中心 Web 服务子系统向终端用户提供网站服务以便其查询灌区水文数据图像等信息。本文主要工作是灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统的设计与实现。该子软件运行在嵌入式平台上，其功能包括连接数据采集节点子系统和信息中心 Web 服务子系统、图像采集。在该系统的基础上，实现了系统的扩展，使得该系统的应用不

3、局限于灌区自动化的数据信息处理，而且能够在少量修改的情况下应用于其他领域。具有较大的应用前景。关键词：灌区自动化，无线传感器，图像采集，数据采集IIAbstractAn information management system on automatic irrigation is introduced in this paper for the purpose of solving the current problem, which include low automation and management levels of the current rural irrigation sy

4、stem, low efficiency of rural water using system. Wireless sensor technology, embedded development technology, database technology and Web server technology are applied in this system. The latest self-developed wireless sensors are used to acquire the hydrological data of the irrigated areas. The ap

5、plication of this system will surely save costs and improve efficiency for automatic irrigation. The information management system on automatic irrigation is divided into three parts, the wireless sensor network data acquisition subsystems, the wireless sensor network clustering node subsystem, the

6、information centre (Web services server) subsystem.This paper focuses on the design and implementation of the wireless sensor network clustering node subsystem. The subsystem, connecting Wireless sensor network and Information Center Web services server, will run on embedded platform which connected

7、 with image acquisition devices.We expand the system, making the system suitable for most other application areas, instead of being used only in the information management system on automatic irrigation. Key words: automatic irrigation; wireless sensor; image acquisition; data acquisitionIII目 录第一章 绪

8、论 1一、 研究的背景及意义 .1二、 无线传感器网络简介 .1（一） 无 线 传 感 器 网 络 结构 1（二） 无 线 传 感 器 网 络 的特点 3三、 本文工作与组织安排 .4（一） 本文的工作 4（二） 本文的组织安排 5第二章 相关技术 6一、 相关技术 .6（一） 串口通信 6（二） Windows 下的图像采集 .7（三） TCP/IP 通信技术 .8（四） .NET.9二、 运行平台简介 .9第三章 需求分析 11一、 灌区自动化信息管理系统简介 .11二、 子系统划分 .14（一） 无线传感器网络数据采集与传输子系统 14（二） 汇聚节点数据处理及图像采集子系统 14（三）

9、 信息中心网站子系统 15三、 无线传感器网络汇聚节点软件功能分析 .15（一） 功能概述 15（二） 详细功能需求分析 15四、 小结 .16第四章 系统设计 17一、 体系结构 .17二、 系统功能划分 .18三、 模块设计 .19（一） 数据接收模块 20（二） 数据查询模块 22（三） 数据图形显示模块 23（四） 实时监控与图像采集模块 26IV四、 数据库设计 .26五、 小结 .27第五章 系统实现 28一、 系统界面与数据显示 .28二、 数据图形显示模块的实现 .30三、 数据查询模块的实现 .32四、 实时监控与图像采集模块的实现 .33五、 系统的可扩展性 .38第六章

10、总结 41致谢 42参考文献 43V图表索引图 1-1 无线传感器网络结构 .2图 1-2 无线传感器网络协议栈 .3图 2-1 平台俯视图 9图 2-2 平台安装后的实物图 10图 3-1 灌区自动化系统物理结构拓扑图 11图 3-2 灌区自动化系统逻辑结构拓扑及各部分通信方式图 12图 3-3 灌区自动化系统实体关系图 13图 3-4 子系统划分图 14图 3-5 汇聚节点数据处理及图像采集子系统的输入输出 16图 4-1 软件结构图 17图 4-2 系统功能模块图 18图 4-3 第一层数据流图 19图 4-4 系统模块关系图（第二层数据流图） 20图 4-5 数据接收模块流程逻辑图 2

11、1图 4-6 数据接收模块数据流图 (第三层数据流图) 21图 4-7 数据查询模块流程逻辑 22图 4-8 数据查询模块数据流图 (第三层数据流图) 23图 4-9 坐标轴转换示意图 24图 4-10 数据图形显示模块流程逻辑 25图 4-11 函数“根据数据表绘制折线图”流程图 25图 4-12 数据图形显示模块数据流图 (第三层数据流图) 25图 4-13 实时监控与图像采集模块数据流图 (第三层数据流图) 26图 5-1 软件初始界面 28图 5-2 程序的主要菜单 29图 5-3 点击“开始显示”按钮后的试图 29图 5-4 数据图形显示的界面 30图 5-5 折线图绘制展示图 31

12、图 5-6 数据查询模块点击“所有历史记录”后的视图 32图 5-7 日期选择 33图 5-8 实时监控与图像采集模块的一般界面 34图 5-10 在视频格式窗口中设置分辨率和像素深度 35图 5-11 成功设置分辨率后，视频图像变小 35图 5-12 添加更多图像采集设备 36图 5-13 静态图片的获取和发送 36图 5-14 首次使用与重置数据库流程 39河海大学学士学位论文 第一章 绪论1第一章 绪论一、研究的背景及意义水资源严重缺乏和水旱灾害频繁是我国的国情。我国农业用水量约占总用水量的 80左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为 45，而水资源利用率

13、高的国家已达 70 80，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。然而，现有的灌区自动化系统存在一些明显不足：(1)通信技术大多采用串行总线技术和现场总线技术等有线通信技术。虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但是实际的应用环境具有长期高温、潮湿，土壤及空气具有较高的酸碱性等特点，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性。(2)传感器大多工作在有线方式。在实际的农业生产应用

14、时，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致农业设施内部线缆纵横交错，系统安装及维护成本急剧增加。这两个因素，极大地限制了成果在生产实际中的推广应用。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是一种新兴的计算模式，是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式、相互传递信息、协同地完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境或检测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。将 WSN 技术用于灌区自动化，能够有效

15、克服现有灌区自动化系统中许多缺点。二、无线传感器网络简介（一）无 线 传 感 器 网 络 结构1. 无 线 传 感 器 网 络 体 系 结构河海大学学士学位论文 第一章 绪论2一个典型的无线传感器网络结构主要包括传感器节点（sensor node） 、汇节点（sink node） 、和任务管理节点，如图 1.1 所示 1。图 一- 1 无线传感器网络结构通过随机部署或确定部署的方式将大量传感器节点分布在监测区域内，通过自组织方式形成多跳无线通信网络。传感器节点负责本地数据采集和处理，并沿某条路径将数据多跳转发到汇节点，最后再由汇节点通过 Internet 或卫星网络将数据传送给任务管理节点。汇

16、节点的处理能力、存储能力和通信能力相对传感器节点较强，一般没有能量的限制。任务管理节点是传感器网络用户，负责从无线传感器网络中获取所需要的监测数据，同时对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务。2. 无 线 传 感 器 网 络 协议结构无线传感器网络的协议体系结构由网络协议栈、传感器网络管理及应用支撑技术 3 部分组成，如图 1.2 所示 7。网络协议栈结构类似于 TCP/IP 协议体系结构。传感器网络管理技术主要是对传感器节点的管理及用户对传感器网络的管理，网络管理贯穿于整个协议栈，使得节点能够能量高效的、协同工作，完成监测任务。在网络协议栈和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用

17、支撑技术。（1）网络协议栈网络通信协议栈由物理层、数据链路层（MAC 子层） 、网络层、传输层和应用层组成。物理层提供简单但鲁棒的信号调制和无线收发技术；链路层负责数据成帧、信道访问控制、冲突监测及差错控制；网络层解决能量感知的路由的生成和选择、拓扑控制、网络互连；传输层则负责数据流的传输控制；应用层由一系列与应用相关的软件组成。（2）网络管理技术能量管理主要负责控制节点对能量的高效使用，贯穿了网络协议栈各个层次；拓扑管理负责保持网络连通与覆盖，以及数据有效传输；网络管理负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口；QoS 支持负责为应用程序提供足够的资源，使无线传感器网络以用户接受的性能

18、指标工作，通信协议中的链路层、网络层和传输层都可以根据用户需求提供 QoS 支持；移动控制负责监测和控制节点的移动，使节点能跟踪其邻居并维护其间路由信息。河海大学学士学位论文 第一章 绪论3（3）网络应用支撑技术无线传感器网络的应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持，包括时间同步、节点定位及为用户提供应用服务接口。分布式网络服务接口 分布式网络管理接口时间同步 节点定位传输控制路 由媒体接入差错控制射频 红外 光能量管理网络管理安全机制移动控制Q o s拓扑控制物理层链路层网络层传输层应用层分层网络协议传感器网路管理技术传感器网路应用支撑技术图 一-2 无线传感器网络协议栈在无线网络中，无

19、线介质的不稳定性使得网络动态性更强，各层之间具有较强的相关性，仅仅单独对某一层的优化满足不了系统的需求。在无线传感器网络中，优化目标不仅仅体现在一层中，因此，无线传感器网络协议栈设计需要跨层设计（Cross-layer Design） 8，即利用层间交互的信息对目标进行优化设计，从而使得系统以较小的代价得到较高的效率。从图 1.2 可以看出，无线传感器网络协议体系结构结合了跨层优化设计思想（Cross-layer Design） 8，各层之间不再相互独立。如能量管理贯穿了整个协议栈；拓扑控制利用物理层、链路层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，提高协议的执行效率，减少能量消耗；QoS

20、 负责网络服务质量的保证，提供优先级机制、服务区分机制等；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。（二） 无 线 传 感 器 网 络 的特点无线传感器网络与传统的无线网络（如 WLAN 和 Ad Hoc 网络）有着不同的设计目标，传统的无线网络设计遵循“端到端” （ end to end）的思想，以传输数据为目的，强调一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发。而 WSNs 则是以数据为中心，网络中的节点不仅要参与数据分组的转发，还要进行相关的数据采集、数据融合与处理等任务，“端到端”的概念被弱化

21、了，此时一端为汇节点，另一端是一组相关的传感器节点。因此，传统无线网络的首要设计目标是在移动的环境中通过优化路由和资源管理策略来提高带宽利用率，其次才考虑节约资源等目标。而无线传感器网络中大部分节点是静止的，往往运行在人无法接近的恶劣环境中，能源无法得到补河海大学学士学位论文 第一章 绪论4充或再生，其首要设计目标是能量的高效使用以延长网络的生命周期 9。一般来说，无线传感器网络具有如下一些特点 4,7,10,11：（1）网络规模大为了提高网络的可靠性，通常在目标区域内部署大量传感器节点，点数量可能达到几百、几千甚至更多。大规模、密集部署的网络一方面可以增大网络监测区域的覆盖率、提高监测精确度

22、。（2）高冗余节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余，网络链路冗余以及采集的数据冗余，从而使得系统具有很强的容错能力。（3）自组织传感器节点通常部署在没有通信基础设施的环境中，节点通过分布式网络协议形成自组织网络，并能够自动调整以适应节点移动、加入和退出等、节点能量及无线传输范围的变化等。（4）网络动态性强除了节点移动带来的网络拓扑变化外，环境因素或者节点能量耗尽等因素可能导致的节点失效，环境条件变化造成的无线通信链路变化，为增强监测精度而新加入节点，节点的功率控制，节点进入休眠状态等均可能造成动态网络拓扑结构。无线传感器网络必须具有很强的健壮性和自适应性。（5）以数据为中心

23、无线传感器网络是一个以数据为中心的网络，用户并不关心具体哪些节点返回的信息、也不关心哪些节点参与了信息的处理或转发，只需要得到所需的数据信息。因此，无线传感器网络以数据本身作为查询和结果的思想更接近于自然语言交流的习惯。（6）应用相关无线传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息。而物理世界的多样性决定了网络应用的多样性。不同的应用背景将导致硬件平台、软件系统和网络协议必然存在很大差别。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，是无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。三、本文工作与组织安排（一）本文的工作本文设计与实现了一个农村灌区自动化信息管理系统，并且重点介绍该灌区自动化信息管

24、理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统的设计与实现。河海大学学士学位论文 第一章 绪论5（二）本文的组织安排第一章(本章) 论述本论文的选题背景，所做工作的意义，介绍了无线传感器网络的基本概念。介绍本文所做的工作和文章组织安排。第二章介绍该灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统中使用的相关技术，介绍了该子系统运行的平台信息。第三章介绍了该灌区自动化信息管理系统的总体概况，然后对无线传感器网络汇聚节点子系统做了需求分析。第四章对无线传感器网络汇聚节点子系统做了详细的体系结构分析，模块划分，并且对每个模块进行了分析和设计。第五章主要是对系统实现结果进行展示，给出了许多系统运行截图，

25、并且详细讲述了系统进的可扩展性。第六章对本文所做的工作做一个总结。河海大学学士学位论文 第二章 相关技术6第二章 相关技术本章重点介绍灌区自动化信息管理系统中的无线传感器网络汇聚节点子系统中使用的相关技术，并且介绍了该子系统运行的平台等信息。一、相关技术（一）串口通信串口是计算机上一种通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多 GPIB 兼容的设备也带有 RS-232 口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念是，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在

26、使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。IEEE488 定义并行通行状态时，规定串口通信设备长度可达 1200 米。 典型地，串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用 3 根线完成：地线，发送，接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配： 1. 波特率：该参数衡量通信速度。它表示每秒钟传送的 bit 的个数。例如300 波特表示每秒钟发送 300 个 bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指

27、波特率例如如果协议需要 4800 波特率，那么时钟是 4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为 4800Hz。通常电话线的波特率为 14400，28800 和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是 GPIB 设备的通信。 2. 数据位：该参数衡量通信中实际数据位。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是 8 位的，标准的值是 5、7 和 8 位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的 ASCII 码是 0127（7 位） 。扩展的 ASCII 码是0255（8 位） 。如果数据使用简单的文本（标准 A

28、SCII 码） ，那么每个数据包使用 7 位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。河海大学学士学位论文 第二章 相关技术7由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。 3. 停止位：该参数表示单个包的最后一位。典型的值为 1、1.5 和 2 位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。 4. 奇偶校验位：该参数表示在串口通信中的检错方式。有四种

29、检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位） ，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是 011，那么对于偶校验，校验位为 0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位 1，这样就有 3 个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步（二）Windows 下的图像采集根据 MSDN 上的介绍，Windows 下进行图像采集编程包括如下几个主要步骤，这些步骤中都使用 Window

30、s 的 API 函数：1. 创建视频捕捉窗口（Creating a Capture Window）说明：使用了 API 函数 capCreateCaptureWindow 函数声明如下：HWND VFWAPI capCreateCaptureWindow(LPCSTR lpszWindowName,DWORD dwStyle,int x,int y,int nWidth,int nHeight,HWND hWnd,int nID);2. 连接到视频采集驱动（Connecting to a Capture Driver）说明：使用了 API 函数 SendMessage (hWndC, WM_C

31、AP_DRIVER_ CONNECT, 0, 0L);3. 列举安装了的视频采集驱动（Enumerating Installed Capture Drivers ）河海大学学士学位论文 第二章 相关技术8说明：本步中关键是使用了函数 capGetDriverDescription。用法举例：char szDeviceName80;char szDeviceVersion80;for (wIndex = 0; wIndex 10; wIndex+)if (capGetDriverDescription (wIndex, szDeviceName,sizeof (szDeviceName), sz

32、DeviceVersion,sizeof (szDeviceVersion)/ Append name to list of installed capture drivers/ and then let the user select a driver to use.其中，capGetDriverDescription 函数的声明如下：BOOL VFWAPI capGetDriverDescription(WORD wDriverIndex, LPSTR lpszName, INT cbName, LPSTR lpszVer, INT cbVer );4. 预览视频（Previewing V

33、ideo ）说明：本步中主要使用了 capPreviewRate 函数和 capPreview 函数两函数的函数声明如下：BOOL capPreviewRate(hwnd,wMS);BOOL capPreview(hwnd,f);5. 保存静态图像说明：本步中主要使用了 capFileSaveDIB 函数，其函数声明如下：BOOL capFileSaveDIB(hwnd,szName);（三）TCP/IP 通信技术TCP/IP 通信协议，包含了在 internet 上的网络通信的标准，以及一组网络互联的协议和路径选择算法，TCP 是传输控制协议，保证在传输中不会丢失；IP 是网络协议，保证数据

34、被传到指定的地点。河海大学学士学位论文 第二章 相关技术9（四）.NETVisual Studio.NET 是.NET 平台下最为强大的开发工具，无论是软件服务商，还是企业应用程序的部署与发布，Visual Studio.NET 都可以提供近乎完美的解决方案。Visual Studio.NET 提供了包括设计、编码、编译调试、数据库联接操作等基本功能和基于开放架构的服务器组件开发平台、企业开发工具和应用程序重新发布工具以及性能评测报告等高级功能。二、运行平台简介本文重点介绍的灌区自动化信息管理系统的汇聚节点数据处理及图像采集子系统，运行在采用 Intel 处理器的单板电脑上，该单板电脑是由研祥

35、智能科技股份有限公司提供。该平台的最大特点之一是 Intel Core Duo 处理器处理器，这是一款双核处理器。图二-1 平台俯视图河海大学学士学位论文 第二章 相关技术10图二-2 平台安装后的实物图我们在这个开发平台上安装了 windows XP 操作系统，使用 VS.NET2005编程工具。河海大学学士学位论文 第三章 需求分析11第三章 需求分析一、灌区自动化信息管理系统简介灌区自动化信息管理系统的目的是采集数个目标地点的雨量、水位、闸位等信息，并将采集到的数据发送到信息中心，以提供给用户查询，由此做出决策。此外，灌区自动化信息管理系统还可以提供多个地点的图像或视频信息，便于用户直观

36、的观察这些地点的事物变化情况。灌区自动化信息管理系统在硬件上分为三个层次：无线传感器网络、无线传感器汇聚节点、信息中心。无线传感器网络由自行研制的无线传感器组成。主要进行数据采集。无线传感器汇聚节点是嵌入式平台，主要将收集到的数据通过 TCP/IP 协议传输给信息中心，同时也进行图像采集和发送。信息中心实际上是一台 Web 服务器，它以网页的形式向终端用户提供信息查询。整个系统的拓扑图 3-1 所示：图 三-1 灌区自动化系统物理结构拓扑图河海大学学士学位论文 第三章 需求分析12从图 3-1 中可以看出，在无线传感器网络中，多个无线传感器数据采集节点，将采集到的数据发送个一个无线传感器汇聚节

37、点；多个无线传感器汇聚节点又将数据发送到信息中心。多个终端用户可以同连到网站服务器上查询和读取信息。从而实现了整个系统。在此基础上，给出系统的逻辑拓扑图 3-2：图三- 2 灌区自动化系统逻辑结构拓扑及各部分通信方式图从图 3-2 中，可以看出，在无线传感器网络中的数据采集节点采集到数据之后，通过无线传输，将数据发送给无线传感器的数据接收节点，数据接收节点上有微处理器，将数据经过简单的处理之后，再将数据通过串口发送个汇聚节点。这里的汇聚节点是一个嵌入式平台。这个嵌入式平台运行操作系统，它将串口接收到的数据通过以太网发送给信息中心。同时，汇聚节点平台也获取连接在其上的图像采集设备采集的图像信息，

38、将这些图像信息在平台本地显示，以及发送个信息中心。信息中心接收到通过以太网传输过来的数据和图像之后，将其存放在数据库中。终端用户通过浏览器登陆之后，就可以查询想要的数据，查看图像，以及数据绘制成折线图等。由此可见，无线传感器网络中的数据采集节点是数据传输的起始，终端用河海大学学士学位论文 第三章 需求分析13户是数据传输的结束。数据在传输过程中经过：无线传感器网络的数据接收节点、汇聚站点嵌入式平台、信息中心 Web 服务器。数据在传输过程中使用了多种传输方式：无线传输、串口传输、USB 传输、TCP/IP 传输。在此基础上，进一步给出系统的实体关系图 3-3 (E-R 图)：图三-3 灌区自动

39、化系统实体关系图综上所述，给出系统各部件简要信息表 3-1表三-1 系统各部件简要信息表功能 硬件承载者 数量无线传感器网络中的数据采集节点通过雨量传感器和水位传感器获取水位、闸位、雨量等值，再通过无线协议把数据传输给接收节点无线传感器节点 众多无线传感器网络中的数据接收节点是多个数据采集节点的中心，它专门负责接收数据采集节点的数据，并将这些数据发送给汇聚节点无线传感器节点 多个汇聚节点 主要负责将数据接收节点发送来的数据发送给信息中心，同时，它还担负着图像信息采集的任务嵌入式平台 多个信息中心 与最终用户交互，将数据信息和图像信息有序的展现给用户Web 服务器 1 个河海大学学士学位论文 第

40、三章 需求分析14二、子系统划分根据功能分析，将该灌区自动化系统分为三个子系统：无线传感器网络数据采集与传输子系统、汇聚节点数据处理及图像采集子系统和信息中心网站子系统。子系统划分如图 3-4 所示。图三-4 子系统划分图（一）无线传感器网络数据采集与传输子系统该子系统主要进行数据的采集与传输。该子系统由若干个无线传感器节点组成，这些无线传感器节点功能各有不同。主要分为两种：数据采集节点和数据接收节点。数据采集节点的功能主要是：进行数据采集。它通过其上的传感器接口，可以接收传感器传来的数据。接收到传感器传来的数据之后，将数据简单处理之后通过无线发送给数据收集节点。 数据收集节点的主要功能是：将

41、数据采集节点采集到的数据有序的发给汇聚节点平台进行进一步处理。本节点是与它连接数据采集节点对外的“发言人” 。该节点通过无线与其他数据采集节点通信，在通过串口与嵌入式汇聚节点平台进行通信。（二）汇聚节点数据处理及图像采集子系统该子系统主要处理串口收到的数据和采集图像信息并发送个信息中心。该河海大学学士学位论文 第三章 需求分析15子系统，可分为数据收发、图像采集与发送、本地显示等几个部分。数据收发是该子系统的功能之一。无线传感器网络中的数据收集节点通过串口发送来数据，这些数据必须按照一定格式发送给信息中心。图像采集与发送是该子系统的功能之一。将 USB 图像采集设备采集到的图像信息通过 TCP

42、/IP 协议发送给信息中心。本地显示是该子系统的功能之一。除了将数据发送给信息中心，同时，我们也需要本地的显示和数据查询：显示接收到的数据的折线图，显示采集到的图像甚至实时视频，查询历史数据。（三）信息中心网站子系统该子系统主要提供 web 服务，用户在任何地方使用浏览器通过互联网访问网站，来获取无线传感器的数据信息，也可以查询历史数据，查看数据折线图，查看采集的图像信息，生成数据报表等。信息中心的数据都由汇聚节点平台发送。该子系统是灌区自动化系统的对外的接口，它提供的图像界面是整个系统与用户交互的平台。三、无线传感器网络汇聚节点软件功能分析本文设计并实现了汇聚节点数据处理及图像采集子系统，即

43、汇聚节点数据处理及图像采集子系统，以下是对汇聚节点数据处理及图像采集子系统的分析。（一）功能概述汇聚节点数据处理及图像采集子系统运行在嵌入式平台上，其功能包括连接数据采集节点子系统和信息中心 Web 服务子系统、图像采集。详细有：1. 将无线传感器接收的数据转发给信息中心2. 将图像采集设备采集的图像信息转发个信息中心3. 在本地显示收到的数据4. 在本地显示采集到的图像信息河海大学学士学位论文 第三章 需求分析16（二）详细功能需求分析为了更好的编制软件，在需求分析阶段，必须明确详细的功能需求，以下就是该子系统的详细功能分析：1. 为了体现无线传感器网络的灵活行，汇聚节点平台应具有一定的便携

44、性2. 当无线传感器网络采集的数据到来是，应及时反应3. 为了便于用户查询和观察，应能将数据绘制成折线图显示4. 每当数据到来时，显示的数据表应该能够自动更新5. 每当数据到来时，折线图应该能够自动更新6. 应能将采集到的数据及时发送到信息中心7. 为了使用网络给信息中心传输数据，应该具有操作系统，支持 TCP/IP 协议8. 应该能够进行方便灵活的历史数据查询9. 应能将图像采集设备采集的图像实时显示10. 应该能够获取静态图片信息，将静态图片传输到信息中心11. 为了实际应用，汇聚节点应可以同时接多个图像采集设备12. 最好能使系统与数据库存储的数据结构无关汇聚节点数据处理及图像采集子系统

45、的输入输出见图 3-5。图三- 5 汇聚节点数据处理及图像采集子系统的输入输出四、小结本章首先介绍了该灌区自动化信息管理系统的拓扑结构，以及系统各部分的通讯方式；然后介绍了该系统的子系统划分，详细说明了每个子系统的功能；最后，对汇聚节点数据处理及图像采集子系统做了详细的需求分析，为下一章的系统分析最好了准备。河海大学学士学位论文 第四章 系统设计17第四章 系统设计本章着重分析汇聚节点数据处理及图像采集子系统，即灌区自动化信息管理系统汇聚节点软件，给出了该软件的系统设计。一、体系结构通过之前的需求分析，该软件可分为四个模块，软件的结构图如图 4-1 所示。该系统结构图中标明了数据的流向。图四-

46、1 软件结构图图 4-1 中标明了数据的流向。数据接收模块只进行数据的接收，它把接收的数据发送到数据库当中；数据查询模块只接收要查询的时间段的数值，模块自行查询数据库并将查到的数据返回给用户界面显示；数据图形显示模块接收数据库查询到的数据表，该模块将这张数据表中的数据按照最佳的比例绘制折线图显示；实时监控与图像采集模块接收图像采集设备控制参数，模块获取到图像信息之后将其返回给控制部分。在对需求进一步理解之后，系统功能被进行了进一步的细化，绘制出一张系统的详细功能模块图，见图 4-2：河海大学学士学位论文 第四章 系统设计18图四-2 系统功能模块图二、系统功能划分灌区自动化信息管理系统汇聚节点

47、软件的第一层数据流图如图 4-3 所示。系统接收无线传感器网络传输的数据信息和 USB 图像采集设备传输的图像信息，系统将这些信息进行处理之后，将处理过的数据和图像信息发往信息中心，将需要显示的内容进行显示。河海大学学士学位论文 第四章 系统设计19图四-3 第一层数据流图本系统可分为数据接收模块、数据查询模块、数据图形显示模块、实时监控与图像采集模块，各模块的功能分解如下：(一) 数据接收 监听串口数据 将接收到的串口数据存入数据库 将数据发送到信息中心 通知总控程序数据到来(二) 数据查询 查询所有历史数据 按照时间段查询历史数据 当串口数据到来时，能动态更新显示(三) 数据图形显示 根据用户的要求，将数据绘制成折线图显示出来 当串口数据到来时，能动态重绘折线图，并显示出来(四) 实时监控与图像采集 实时视频图像显示 支持多个图像采集设备 静态图像采集 静态图像保持成图片文件 给信息中心发发送图片文件三、模块设计在进行详细模块设计之前，必须明确各个模块之间的关系、每个模块在系统中的地位、每个模块各自的输入和输出。在明确了这些问题之后，进行了整体规划，设计出来的软件才能很好的满足需求。在所有问题中