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附录A 译文

无线传感器网络作为基于Web的建筑环境监测系统的一部分

这项研究展示了先进的无线传感器技术是如何被工程师用来监测建筑物周围和周围的环境的。这个目标被分成三个不同的任务。首先，无线传感器硬件被编程用来处理来自传感器的信号，并以合适的格式传输数据。这个任务是通过一个开源的操作系统和编程语言专门为无线传感器硬件。第二个任务是处理由无线传感器节点发送的信号。在这个应用程序中，编写了一个Java程序，它可以通过计算机的串口传输无线接收方的消息，然后将数据放在一个数据库中。讨论了该数据库的结构，以帮助确定需要使用数据的关键信息片段。建议的监视系统的第三个部分是检查数据的接口。开发了一种基于web的系统，允许用户使用诸如数据类型、传感器位置和数据采集时间等参数对数据库进行挖掘。预计这项研究将展示利用无线传感器网络监测建筑物的潜力。

1. 介绍

新兴无线传感器技术将会让增强监测条件和周围建筑物[1]。传感器和查看或存储位置之间的无线数据通信为传感器的部署提供了方便和低成本，从而开启了一系列的可能性。不需要运行难看的电线通过各种信号的部分建造建筑,可以节省大量的时间在设置传感器。有了这些感知的可能性，人们就可以考虑使用这些信息的场景。例如,法医分析建筑物内,以确定问题的原因将大大受益于能够部署无线传感器在短期的基础上。无线传感器可以放置在建筑物的关键设备上，以帮助检测和诊断故障。建筑缺乏一个整体建筑自动化系统可以更有效地利用更多的传感点控制照明、采暖、通风、空调(HVAC)设备,插电负荷[2]。在火灾等危险情况,部署无线传感器可以提供更多信息的条件内及周围建筑物的先遣队。

研究人员、调查人员或维修人员可以使用多种方法来监测建筑物的情况，测量温度、相对湿度、光线或能源消耗等量。有线传感器当然可以安装在每个传感器上的传感位置,但是这样一个步骤需要大量的努力和一组额外的电线在一栋建筑。此外,2002年的估计成本运行信号线范围从2.20 - 2.20每米新建筑美元每米为现有建筑[3]。有线系统所涉及的成本的另一个例子可以发现在最近的一次结构监测系统,在多达75%的测试时间和25%的系统总成本涉及的安装信号线[4]。坊间证据显示，核电站等更关键设施的成本要高得多。一种避免使用信号线的方法是通过使用小型数据记录器，在每个位置使用集成传感器。这些设备并没有信号线从它们那里运行，但是它们需要人员定期地下载它们的数据。这一步增加了使用这些设备的成本和难度。无线传输数据的那些调查建筑提供了一个重要的好处,让他们部署传感器和监控数据从远程位置[5]。然而无线系统,有其自身的缺点,如设备成本高,潜在的射频干扰破坏数据流,以及需要提供这些“无线”设备。然而，所有的东西都被认为是无线传感的潜在应用。

一个无线传感器网络由各种硬件和软件组成。该系统的核心是无线传感器设备。这个设备由物理传感器、微处理器分析原始数据信号和生成数据消息,射频发射机提供数据和电源。这个包通常被称为节点或“mote”。“一个关键无线传感器网络的一个方面是，每个微粒上的微处理器可以被编程，以确保给定区域内的所有传感器都能作为一个一致的系统工作。虽然无线传感器网络中的传感器节点能够与其他节点交换信息，但大多数应用程序都需要将数据和信息从每个传感器节点传输到中心数据收集点。这一点通常是一种计算机，它可以归档数据，并且需要软件来确保从无线接收器传送的数据被解释、显示和存储以一种可用的方式。任何成功的无线传感器网络系统的第三个组成部分包括从传感器网络获取的数据。软件应用程序必须有一些——如何能够以逻辑方式查询传感器网络生成的数据。这项工作将讨论与数据采集、存储和从无线传感器网络中检索有关的问题。

有了当前的无线技术，一个巨大的挑战就出现了，因为要充分利用传感器需要的专业知识水平。最复杂的硬件出现了从大学labora保守党和嵌入式程序通常需要先进的知识——明实现所需的性能水平。这些知识在土木工程师和机械工程师中并不常见，他们经常被要求在建筑工地或建筑物上使用这些设备。额外的复杂性在于,大部分工作涉及到专有的编程方法,这使得它很难建立一个标准化的方法建立一个传感器网络或定制一个特定应用程序的传感器网络。

本研究的目的是探讨使无线传感器更容易被建筑和建筑工程师使用的方法。最初的讨论将集中于使用开源软件的无线传感器硬件编程。第二个方面的工作将讨论数据库性能指标,用于存储数据。这份手稿将以一种通过Web浏览器轻松查看数据的方法来结束。希望目前的工作将描述一个系统,可以有效地用于各种应用程序用于监视和将提供一个明确的路径,工程师可以使用现有的无线传感器技术在他们的特定的应用程序。

2. 背景

文献中有许多文章讨论了无线传感在建筑和监测方面的应用。Kintner-Meyer和Brambley[3]和Kintner-Meyer et al。[6]30温度传感器安装在一个办公大楼和额外的传感器在一个屋顶空调机组监控它的性能。讨论,等办公大楼布线成本(劳动和材料)占大约45%的新建筑和安装成本近75%的安装成本改进应用程序。希利[7]检查使用无线传感设备监视居住条件,发现传感器网络容易设置,但需要更多的编程,便于部署。遗嘱[8]讨论了实现无线控制技术应用于建筑,预示着美国社会的举动BACnet委员会供暖、制冷和空调工程师(ASHRAE这样)与ZigBee无线标准委员会[9]在建筑控制实现无线通信。Raimo[10]讨论了网状网络的出现在建筑物连接控制器。Ruiz[11]讨论了一系列的方法来实现各种无线应用在建筑,从语音通信到低数据率监测。在结构健康监测中,林奇[12]评论新兴使用无线传感器监测结构的兴趣。这篇文章指出，对钢结构的视觉检查可能会造成成本的损失。

200美元和1000美元/焊接连接,而部署有线传感器来监测建筑结构健康状况可以成本高达5000美元/传感器系统12至15个传感器。无线传感器的使用可以节约劳动力来大大降低成本。很明显,建筑行业很乐意在建筑中使用无线,原因归结于易于使用,可靠性和低成本的无线监测。

无线技术的最新进展已使部署这些系统容易;这些进步是记录的作者(Pottie and Kaiser [13], Akyildiz et al. [14], Estrin et al. [15], Hill et al. [16], Szewczyk et al. [17], Azia et al. [18])。特别要注意的是网状网络的使用。网状网络描述了一个传感器网络的拓扑结构，其中每个传感器节点与它的邻居进行通信，并且可以通过网络传递来自该邻居的信息。一个对比的拓扑是一个星形网络，其中每个传感器节点直接与收集数据的基站进行通信。网状网络计划的好处在于,每个传感器节点只需要直接与相邻节点与通信基站。最先进的网状网络计划允许传感器排列在一个广告的方式,这消息的路由路径可以改变应该障碍物防止两个节点之间的通信或另一个电台进入网络。这种类型的系统增加了传感器网络的鲁棒性，并允许它很容易地扩展。这种系统的缺点是软件的复杂性增加(以及相应增加的系统成本)和每个传感器节点作为中继器的事实，因此消耗了更多的能量。当考虑到建筑环境的感受时，工程师们可能会对大量的成分产生兴趣。其中最重要的可能包括温度、相对湿度、光、二氧化碳、一氧化碳、权力,烟,入住率和流量。许多公司生产的产品将从这些传感器中存档数据，并通过图形用户界面显示数据。这样的系统,然而,通常是使用专有协议,开发和定制用户是很困难的。另外,系统可能遵循共同的标准通信协议如BACnet[19],但这样的一个系统可能不是适合所有应用程序在一个建筑。用于软件应用程序使用的传感器交换和存储数据和元数据的标准方法将鼓励开发可互操作的解决方案以改善建筑物的监测。

3. 方法

当处理无线传感器时，数据表示的挑战就会出现。首先，数据必须由无线传感节点打包，并以一种可以理解的方式在电波中传送。该信号必须在存储或显示数据的计算机上进行解释。为了帮助使数据能够被大量的应用程序访问，我们应该做出努力来确定在数据库中存储数据的最佳结构。鼓励不同组件之间的互操作性的传感监测系统,标准数据格式发送的消息传感器、数据库存储传感器数据,从数据库中数据流结束应用程序是必要的。作为这一努力的一部分，将讨论从传感器和数据存储中传输数据的格式。

为了探索这些问题，我们寻求开源软件开发的开源工具。被选中的软件平台编程传感器节点是随着nesC TinyOS操作系统编程语言(Culler [20], Gay et al. [21])。这些平台是加州大学伯克利分校开发的专门为传感器节点,和一个活跃的用户社区出现了各种软件工具。许多编程语言可以用来开发软件来运行在桌面处理传入的信号时，基于它的受欢迎程度和编译器和库的可用性，在这里选择了Java用于检索和查看数据,它是决定使用一个基于web的系统,而不是开发一个特定于平台的应用程序。

4. 安装启用

4.1 概述

实现无线传感器网络监控的建筑环境,商业化硬件使用。为了将这些motes转换成一个可用的传感器网络，需要额外的软件来确保传感器产生的数据可以被一系列应用程序轻松访问。下面的部分将详细描述无线传感器网络系统的实现。图1描述了一个简单的实现方法(1)数据采集,(2)数据收集,(3)数据检索。这个演示所设想的应用程序是一个工程师试图改进对建筑物内的条件的监控。这样的研究可以用来评估建筑系统的性能，或者帮助诊断诸如室内空气质量差之类的问题。工程师希望在整个建筑中放置传感器，并监控几个星期的情况，以帮助确定建筑物及其系统的性能。虽然工具可以进行这样的研究,工程师可能要微调系统上安装特定的传感器节点,修改数据采集率,或以不同的方式处理数据。这里描述的实施旨在提供灵活性。

4.2 数据采集

4.2.1 准备硬件

如前所述，传感器节点是无线传感器网络的核心。对于该实现，使用单个供应商的节点。图2显示了这样一个节点的图像。该节点由主板组成，包括一个微处理器和一个无线电，一个传感器板，以及一个2节电池的电池。在这个实现中，传感器板包含温度，光，加速度和磁传感器和插入主板通过51-pin扩张连接器。可以看到,这两个委员会是为了适应彼此。可以想象，任何一组传感器都可以放置在传感器板上，只要插入主板，就可以为任何特定的应用程序提供数据。

主板上的是微处理器和无线电硬件。微处理器(ATMEGA128L)进行传感器板的模拟信号转换成数字形式,确保在正确的时间间隔,数据处理原始数据,将数据打包到一个消息,将消息发送到无线硬件和协调信息通过网络的路由。单片机提供的情报提供了无线传感器网络的力量,实现在这个实现由一个简单的可编程闪存芯片包含128 kB,4 kB的静态随机存取存储器(RAM),和4 kB的eepm(电可擦可编程只读存储器)。考虑到这些限制，必须在编写控制这些motes的软件时进行处理。

最后两个组件组成的传感器节点是无线硬件和电源。无线电传送信息2.4 GHz乐队和内部符合IEEE 802.15.4规范提供服务[22]。本规范适用于低数据率的应用如这里所描述,旨在达到必要的数据传输距离25 - 30米的室内和室外多达100在使用小功率[23]。这个标准已经被“ZigBee联盟”所采用，该联盟旨在加快无线传感器的使用。该电台提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、清晰的信道评估、链路质量指示、包定时信息和网格网络。节点是由2节AA电池使用寿命1年,和能耗率为30mu;W在睡眠模式,在主动模式33千瓦,45兆瓦在无线电传输[24]。最近的一项生命分析表明，平均能量消耗是平均寿命的61天以13.1 mV /天4.64包/秒的最大数据速率[25]。很明显，更换电池的需求肯定会降低这些传感器的吸引力。其他技术，如振动能量收集或光电充电，正被仔细研究，作为向节点提供电力的另一种方式。

图1.楼宇监控系统应用图

图2.无线传感器节点。（a）传感器板与无线节点连接，（b）传感器板与无线节点分开。

4.2.2 软件

为了使这些motes能够正常工作，软件必须开发并写入车载微处理器。在传统编辑器中使用nesC编程语言编写应用程序;编译器创建机器代码，然后通过临时连接的连接将其传输到每个节点。电线被断开，当传感器节点打开时，程序会自动运行。

TinyOS操作系统和nesC语言是专门为资源受限的微处理器。他们的目标是实现高效处理的事件如传感器数据采集、无线传输和数据处理。平台的另一个关键方面是它可以配置为确保节点使用很少的能源所需的任何行动时传感器或收音机。

软件作为普及活动开展的基础。该软件在无线网状网络中设置传感器，提供了操作无线电和路由信息所需的算法。此类软件的可用性是一个建筑工程师的福音,它提供的无线基础设施他们可以建立特定的传感应用。需要注意的是特定于应用程序的软件特性的关键。最重要的部分,用户想要控制之间的时间间隔采集数据的传感器,性能指标,模拟到数字的转换为任何特定的传感器连接到节点,和包装的数据通过无线电波发送到一个消息。对于这里使用的硬件,8秒的时间间隔数据采集设置在一个头文件,允许简单的修改这个值。对于传感器板来说，软件是可以实现的，可以实现转换传感器所需的信号处理。

数字价值观的信号。不过，如果需要其他传感器，则该任务将落在用户或传感器板开发人员需要的代码上。知识输入的每个传感器(如电压水平)以及如何输出与被测量的物理现象是必要的。

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