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
用户端对整个网络进行配置和管理。
1.2 无线传感器网络的研究现状
无线传感器节点体积小、成本低，可以大规模布置，因此无线传感器网络可广泛应用于情报侦察、物种监测、全球变暖预警等规模较大的领域。
1.2.1 情报侦察
随着传感器网络的快速发展，未来战场的情报搜集手段是这样的：先进的无人机在战场区域上空抛洒大量传感器节点，节点随机部署在被监测区域内并自动组网，丰富翔实的战场情报数据就能通过传感器网络传送给指挥部。例如，地震波传感器可以探测敌方重型战车的距离和数量，特殊气体传感器可用来探测战场有无毒气，具有定位功能的传感器网络可以为导弹提供精确制导等等。诸如此类的应用可以为未来的战场侦察模式带来革命性的变化。
1.2.2物种监测
无线传感器网络为生物科学研究提供了很大的方便。例如，为了研究四川卧龙大熊猫的生活习性，可以在自然保护区内大量布置带有影像采集功能的传感器节点，利用无线的方式传送大熊猫活动的影像，这样既排除了人为惊扰也避免了潜伏观测的危险性；又如，光线较暗且不宜放置体积较大监测仪器的鸟巢内，可以安放体积较小的红外传感器节点来对其监测；此外，还可以用温度、湿度，压力和海拔高度等传感器来采集生物的生存环境指标。无线传感器网络的应用可以改变生物研究的固有手段，使科学研究在无人值守的情况下就能得到精细化的进行。
1.2.3全球变暖预警
当今，温室气体的排放加速了全球气候的变暖，有记录显示：在过去四五十年里，北极冰厚度已经下降了40%。这是一个可怕的数字，任由其发展下去，冰山融化导致的海平面上升的后果将会是灾难性的。为了更好地了解地球气候的变化，可以用无线传感器网络来监测冰山的状态：温度，高度，压力，位置变化等，以此来推断全球气候的变化，指导人们进行环境的保护、降低碳排放、新能源的开发和应用。挪威科学家已经开始了类似的研究。
随着科学技术的发展和人们对于生活舒适性和便利性要求的提高，无线传感器网络技术逐渐走进普通家庭的日常生活，而日常生活场合不需要维持大量的传感器节点，小规模的无线传感器网络就能满足日常需要，我们称这种小规模的无线传感器网络为无线传感局域网络。本文将小规模的无线传感器网络引入家居住宅之中，提出了一种以智能家居为应用平台的无线传感局域网络，通过该网络可以实现家居环境数据采集、远程控制和安全防护等功能。
1.3论文的主要工作及结构
本文将无线传感器网络技术引入日常生活的应用之中，提出了一种应用于智能家居的无线传感局域网络。首先，以无线通信芯片nRF24L01 和微控制器芯片STM8S003为基础设计了无线传感器节点，传感器采用通用型空气质量传感器MQ-135采集室内空气质量，火焰传感器YS-17检测室内是否发生火灾，温湿度传感器DH11检测室内温湿度，光敏传感器3DU5检测室内光强，HC-SR501检测人员进入，可控硅BAT138控制用电器的开断，串口转WiFi模块ESP8266用于将协调器采集的信息传输到网络，实现远程监控；其次，对两种经典的层次路由协议（LEACH 路由和PEGASIS路由）进行融合和改进，提出了一种应用于智能家居的链簇路由协议。
第一章介绍课题的背景和意义，阐述了无线传感器网络的研究现状以及本论文的主要工作和具体组织结构。
第二章介绍无线传感局域网络的技术基础，主要介绍了几种典型的短距离无线通信技术和路由协议，并对层次路由和平面路由做了比较分析。
第三章提出总体设计方案，主要介绍了无线传感局域网络的应用平台、系统功能以及硬件和路由的设计思想。
第四章详细阐述无线传感器节点的设计，重点介绍了以nRF24L01 为基础的无线通信模块的设计和以STM8S003 为基础的处理器模块的设计，并介绍了传感器模块、输入输出模块、电源模块、RS232 接口以及遥控节点的设计。
第五章详细阐述了链簇路由协议的设计，首先分析了两种经典的分层路由协议；其次，详细介绍了基于智能家居的链簇路由协议的设计过程，包括网络模型、数据帧结构、通信机制、路由建立和数据传输等。
第六章对论文进行总结，并对后续工作做了展望。
第二章 无线传感局域网络的技术基础
无线传感器网络技术涉及多学科交叉的研究领域，因此需要多种关键技术的支撑，如网络拓扑、路由协议、时间同步、网络安全、定位技术、短距离无线通信技术等，本文仅对短距离无线通信技术和路由协议进行介绍和分析。
2.1 短距离无线通信技术
随着通信及网络技术的发展，人们对无线通信技术有了更多的需要，尤其是近年来“物联网”概念的提出，极大的推动了短距离无线通信技术的发展。目前比较成熟的短距离无线通信技术有以下几种：蓝牙技术、无线局域网(Wi-Fi)、Zigbee、超宽频(UWB)和RFID。
2.1.1蓝牙技术
蓝牙技术，英文名字为Bluetooth,是由爱立信等五家公司于20 世纪九十年代末开发的，该技术的目的是解决室内短距离的无线数据通信。蓝牙技术所用的频段为2.4GHz的工业、科学、医学频段，数据传输速率较高，能达到每秒一兆比特，网络拓扑结构如图2-1 所示，支持点对点通信、星型网络以及混合型的网络。蓝牙技术在办公场所和个人数据传输方面有较多使用，可以实现PC、传真机、打印机、手提电脑、移动电话、无线耳机的无线连接。随着新一代蓝牙标准的推出，传输速率可能升高一个数量级，这种高的传输速率可以支持多媒体数据的传输业务。
2.1.2Wi-Fi 技术（IEEE802.11b）
Wi-Fi 技术,中文译为无线高保真,也是一种短距离无线通信技术,它属于802.11b标准。Wi-Fi 技术的传输距离要比蓝牙技术远的多，蓝牙的通信距离在十米左右，而Wi-Fi 的传输距离可以达到几百米；另外，Wi-Fi 技术的传输速率也较高。基于以上特点，Wi-Fi 技术具有广泛的应用，市场上的很多无线路由器就是基于Wi-Fi 技术的；宾馆、餐馆、图书馆等场所都有Wi-Fi 热点的接入，可以方便人们通过手提电脑或者手机以及其他掌上设备通过无线的方式接入互联网。由于Wi-Fi 的辐射功率比手机的功率都要低，大量Wi-Fi 热点的密集放置也不会给人体带来危害性的辐射。
2.1.3zigbee 技术(IEEE802.15.4)
zigbee 技术，是一种基于短距离的无线通信技术，这种技术组网比较简单、数据传输速率较低、能耗较小。该技术是建立在802.15.4 标准之上的。这种短距离无线通信技术在对传输速率要求不高的场合中具有广泛的应用。zigbee 技术所搭建的网络中具有两种不同功能的设备，一种设备具有较全面的功能，它可以与所有的设备进行通信；而另一种设备不能与所有的设备进行通信，只能与相关的全功能设备通信，因此这种设备被称为半功能设备。全功能设备用FFD 表示，半功能设备用RFD 表示。该技术定义了两种拓扑结构，一种是点对点的拓扑结构，一种是点对多点星型的拓扑结构。点对点拓扑结构的通信双方可以是全功能设备和半功能设备，也可以是全功能设备和全功能设备；点对多点的拓扑结构的通信中心是全功能设备，从设备是半功能设备也可以是其他星型网络的全功能设备，如图2-2 所示。相对来说，点对点的结构可以通过接力的方法来实现远程接力传输，因为节点的通信覆盖范围有限，所以这种结构适用于较为复杂的数据传输网络，如物流和无线传感器网络等；星型网络主要应用于较小规模的无线通信领域中，如小型智能家居和PC 的外设等。
2.1.4UWB 无线通信技术
UWB——超宽带技术，是一种短距离高速无线通信技术。该技术最早应用于军事领域，近几年才被批准进入民用领域。UWB 的特点就是具有极宽的带宽，如图2-3 所示，不同于传统的正弦载波，超宽带技术利用极短的窄脉冲传输数据，时域很窄则频域很宽，频率范围可从3.1Ghz 到10.6GHz。
2.2路由协议
2.1.5RFID 技术
RFID 技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取目标对象的相关数据，工作过程可以无人值守，适用于多种工作环境。RFID 的基本模块由三部分组成：标签、阅读器和天线，其工作原理是这样的：阅读器时刻发送射频信号，装有电磁感应线圈的标签进入阅读器所产生的磁场中，会产生相应的感应电流，感应电流的能量会驱动标签通过天线发送出自身存储的信息，阅读器接
收到标签信息后，将其送至中央处理系统。
2.2 路由协议
路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，有能量高效、可扩展性、鲁棒性、快速收敛性的特点。按照最终形成的拓扑结构，无线传感局域网络的路由协议可分为平面路由和层次路由两大类，以下是对这两类路由协议的介绍和分析。
2.2.1 平面路由
在平面路由协议中，所有传感器节点的地位都是平等的，不存在级别的差异，数据的传输平等的在各节点之间传递，该协议的组网简单，网络比较可靠，适用于规模较小的无线传感器网络。以下介绍几种典型的平面路由协议：SPIN、DD、Rumor。
2.2.1.1 SPIN 路由算法
SPIN 协议是一种以数据为中心的自适应路由协议，通过节点间的协商，融合相关性较强的数据，从而减少了通信数据量，降低了功耗，提高了能量管理的有效性。
SPIN 使用三种报文数据：广播数据、请求报文数据和原始采集数据。SPIN 工作流程如下：当某节点感知到新事件发生时，就会向周围的节点广播包含有原始采集数据的报文，收到该报文的节点检查对此数据是否感兴趣，若感兴趣则发送数据请求报文REQ，感知到事件的节点收到数据请求报文后，给其发送原始采集数据；收到原始数据的节点再重复刚才节点的动作，像周围发送广播报文……其中已经存储有该原始数据的节点不再发送数据请求报文，流程图如2-4 所示。其中ADV 为广播数据，REQ 为请求发送数据，DATA 为原始采集数据。
2.2.1.2 DD 路由算法
DD 路由协议和SPIN 协议所不同的是：SPIN 的路由从感知事件发生的节点发起，而DD 算法则是从需要某种数据的节点开始，因此它是一种基于查询的路由机制。
DD 算法的整个工作流程由三个阶段组成，如图2-5 所示。第一个阶段，汇聚节点在全网广播Interest 信息，这种广播是周期性的，收到Interest 信息的节点转发此信息至网络中的所有节点，兴趣在转发的同时建立了从数据源到汇聚节点的梯度场，这个阶段被称为兴趣的广播阶段；梯度场建立之后，源节点采集到的据沿着梯度场传递到汇聚节点，在数据的传递过程中，每条路径的质量都被记录下来，其中路径的质量包括能耗等指标，这些指标被作为路径选择的依据，这个阶段被称为梯度建立的阶段；梯度建立之后，从源节点采集的数据会有多种路径到达汇聚节点，因此汇聚节点会收到多个相同的数据，汇聚节点会根据每条路径的质量来选择一条最好的传输路径，以后的数据传输就用单条最优路径来完成。
2.1.1.3Rumor 路由算法
Rumor 协议，中文译为谣传路由，该协议借鉴了一种几何思想，该几何思想是这样的：欧式平面图上任意两条曲线具有很大的交叉概率。谣传路由的开始从源节点和汇聚节点同时发起，感知到事件发生的源节点产生一个代理消息，该代理消息由源节点发送出去并经由任意路径进行转发，与此同时汇聚节点产生事件查询信息，该查询信息也在全网中以任意路径的方式转发，根据欧式平面图上任意两条曲线交叉概率很大的思想，这两条路径总会在某一点相交，当两条路径相交时，源节点与汇聚节点之间的路径就建立起来了，如图2-6 所示。欧式平面图上任意两条曲线的交叉几率很大但不是一定交叉，因此该算法也存在着两条路径不相交的可能，如果查询消息的路径在较长的时间里没有寻找到代理消息的路径，则汇聚节点会采Flooding 的方式来发送查询消息，从而加大路径交叉的几率。
2.2.2 层次路由
层次路由协议是相对于平面路由协议的，层次拓扑结构的网络一般以簇的形式存在，网络中的节点分为簇头和簇成员两类。簇成员负责区域发生事件的采集，簇头节点负责簇的管理和簇成员的控制，簇头的选举原则根据一定的算法机制完成。典型的层次路由协议具有以下几种：
2.2.2.1LEACH 路由算法
致 谢（二号宋体加粗居中，单倍行距，段前段后空1.5行）
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参考文献（二号宋体加粗居中，单倍行距，段前段后空1.5行）
[1]（五号宋体+Times New Roman，单倍行距，上下不空行，标点格式如下示例）
[2]×××××××
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说 明：
1、参考文献一般要求:
（1）参考文献一般应是作者直接阅读过、对学位论文有参考价值且发表在正式出版物上的文献，除特殊情况外，一般不应间接使用参考文献；
（2）参考文献应具有权威性，要注意应用最新的文献；
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2、参考文献的著录格式（其中标点符号都要在全角下录入）
期刊、专著、学位论文及英文期刊将严格按下列格式进行著录。
（1）连续出版物：［序号］作者1，作者2，作者3，等．文献题名[J]．刊名，出版年份，卷号(期号)：起止页码．如：
［1］袁庆龙，候文义．Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究[J]．太原理工大学学报，2001，32(1)：51-53．
（2）专著：［序号］ 主要责任者．文献题名[M]．出版地：出版者，出版年：页码．如：
［2］刘国钧，郑如斯．中国书的故事[M]．北京：中国青年出版社，1979：115．
（3）会议论文集：［序号］ 析出责任者．析出题名[A]．见(英文用In)：主编．论文集名[C]．(供选择项：会议名，会址，开会年)出版地：出版者，出版年：起止页码．如：
［3］孙品一．高校学报编辑工作现代化特征[A]．见：中国高等学校自然科学学报研究会．科技编辑学论文集(2)[C]．北京：北京师范大学出版社，1998：10-22．
（4）专著中析出的文献：［序号］ 析出责任者．析出题名[A]．见(英文用In)：专著责任者．书名[M]．出版地：出版者，出版年：起止页码．如：
［4］罗云．安全科学理论体系的发展及趋势探讨[A]．见：白春华，何学秋，吴宗之．21世纪安全科学与技术的发展趋势[M]．北京：科学出版社，2000：1-5．
（5）学位论文：［序号］ 主要责任者．文献题名[D]．保存地：保存单位，年份：如：
［5］张和生．地质力学系统理论[D]．太原：太原理工大学，1998．
（6）报告：［序号］ 主要责任者．文献题名[R]．报告地：报告会主办单位，年份：如：
［6］冯西桥．核反应堆压力容器的LBB分析[R]．北京：清华大学核能技术设计研究院，1997．
（7）专利文献：［序号］ 专利所有者．专利题名[P]．专利国别：专利号，发布日期：如：
［7］姜锡洲．一种温热外敷药制备方案[P]．中国专利：881056078，1983-08-12．
（8）国际、国家标准：［序号］标准代号．标准名称[S]．出版地：出版者，出版年：如：
［8］GB/T 16159—1996．汉语拼音正词法基本规则[S]．北京：中国标准出版社，1996．
（9）报纸文章：［序号］主要责任者．文献题名[N]．报纸名，出版年，月(日)：版次．如：
［9］谢希德．创造学习的思路[N]．人民日报，1998，12(25)：10．
（10）电子文献：［序号］ 主要责任者．电子文献题名［文献类型/载体类型］．：电子文献的出版或可获得地址(电子文献地址用文字表述)，发表或更新日期/引用日期(任选) ：如：
［10］姚伯元．毕业设计(论文)规范化管理与培养学生综合素质[EB/OL]．：中国高等教育网教学研究，2005-2-2．
附：参考文献著录中的文献类别代码
普通图书：M
会议录：C
汇编： G
报纸：N
期刊：J
学位论文：D
报告：R
标准：S
专利：P
数据库：DB
计算机程序：CP
电子公告：EB/OL
注：
（1）上面所列各项必须齐全，尤其是卷和期。
（2）专著若多次引用，可省略页码。
（3）英文作者名字具体是姓前名后，还是名前姓后——即缩写在前，还是缩写在后不做统一规定，但要求全文要统一；原文中的逗号和缩写点均省去，原每个作者之间分号分隔符改用逗号。例如：Tokuyama， T.; Yoshida， N.; Matsuishi， T.; Tdklfj G. 应为Tokuyama T， Yoshida N， Matsuishi T， et al．期刊名字一律用全称；年卷期须齐全。
（4）对于每一篇参考文献，如需另起一行才能标注完有关内容，则第二行开头必须与该文献序号后的文字上下对齐。
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