无线传感网络论文.doc

1、无线传感网络课程设计目录目录I第一章 绪论1第二章 系统总体方案设计22.1 设计题目22.2 设计内容22.3 设计意义2第三章 各模块及元器件介绍33.1 WSN节点电路设计33.2 元器件介绍6第四章 系统软件设计104.1 ZigBee的无线传感器网络10第五章 实验组装及调试125.1 WSN节点的可靠性度量指标125.2 实验组装135.3 实验调试13第六章 总结与展望14致谢15参考文献1615第一章 绪论计算机网络技术的不断发展的数十年间，整个人类获取知识、交流信息的手段发生了巨大变革。同时在事关国家民生的诸如电信、金融等行业中，对网络技术的依赖亦愈加凸显。计算机网络已俨然成

2、为人与人之间信息传递的重要方式。随着网络日益发展、生产生活对设备自动化要求的日益提高，迫切需要一种新技术，以替代现有在环境监控、灾害检测等需要采集整理大量自然环境数据的应用中还需要人工干预的现状。有人提出以将现有网络范围延伸，将其直接部署于自然环境中，并在网络节点上配备传感器元件，实现网络直接监测自然环境数据的工作模式。实践中，一般趋向于使用大量具备信息采集、信息处理和无线通讯功能且廉价的传感器节点，通过自组织、自适应的技术，形成多跳无线网络系统，从而对节点部署区域实现信息收集，通过无线网络发送给处理者。无线通讯技术、芯片制造技术、电池及节能技术的发展，一种新兴的无线传感网络（wireless

3、 sensor networks,WSN）技术，使得上述应用成为可能，其延伸了网络在生产生活中的运用范围，从传统的人与机器的交互为主的网络，转变为计算机直接和环境交互的网络模式。无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到

4、无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。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, 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 这些信息通过无线方式被发送, 并以自组多跳的网络方式传送到用户终端, 从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。这个设计的初衷是利用无限传感器网络实现对于环

5、境的检测并做出相应的反映。以便减轻人力的负担，实现智能化的管理。第二章 系统总体方案设计2.1 设计题目测光无线传感器网络智能节点设计2.2 设计内容本设计基于智能无线传感器网络实现了对温室大棚光照强度的监测，如果光线过暗，则自动开启补光系统，并将大棚光线强弱情况反馈给用户。2.3 设计意义随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价、微型、智能传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。无线传感器网络能实时地监测、感知和采集网络分布

6、区域内的各种环境或监测对象的信息数据，并对数据进行处理，并将获得的信息传给用户。在众多无线网络技术中，ZigBee无线网络技术以低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率等特点越来越备受青睐。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信，另外，采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，使得通信效率非常高，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术最适合应用于无线传感器网络。目前大棚养殖已成为中国一些农村的重要产业，随着大棚养殖逐渐大规模化，无人值守的大规模大棚自动监控系统具有较高的实际

7、应用价值。大棚无线传感器网络监控系统，利用无线收发设备传输数据，系统结构简单，节省大量人力物力，通过监测管理中心可完成对大棚温湿度的控制、二氧化碳含量测量、光照度信息采集和图像监控等功能。第三章 各模块及元器件介绍3.1 WSN节点电路设计3.1.1 节点总体硬件设计WSN微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，故需其节点成本低廉且工作时间尽可能长。图1所示为WSN微型节点结构，由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源4部分组成。数据采集单元利用光敏电阻随光照强度变化而阻值发生变化的特点，监测区域内的光线强度，并将光照强度的变化转换成电信号的强弱变化；数据处理单元负责控制整个节点的

8、处理操作、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信和收发数据；节点电源可采用微型纽扣电池，以便减小体积。节点框图见图3-1。图3-1 无线传感器节点系统框图3.1.2 数据采集单元电路数据采集选用光敏电阻，它是基于半导体光电效应工作的光导管，对光强感应灵敏度相当高，当受到一定波长范围的光照时，其阻值 （亮电阻）急剧减小，电流迅速增加，通过参考电阻分压后进行模数变换即可获得光敏电阻的阻值，进而换算出光照强度。其特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力比较强、可靠性好、器件本身不容易发生故障。采用光敏电阻探测光信号， 外围电路简单，其阻值变化范围大约为1

9、.2k1M之间，三极管Q1的基极电压由微调电阻器RP1和光敏电阻器的分压而决定。数据采集电路图见图2-2。图3-1 数据采集电路图由于光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化，RP1两端的电压就随之变化， ADC将变化的电压转换成数字量，经单片机ATmega128L采集数据并处理。当光线较强时光敏电阻器的阻值较小，三极管Q1的基极电压较高，三极管Q1导通，Q2就截止， 继电器不工作。当光线较暗时，光敏电阻器的阻值变大，三极管Q1的基极电压降低，三极管Q1截止，Q2导通，输出的控制信号为高电平，且继电器吸合。电路中的二极管是为保护三极管VT1而设置的，当三极管VT1由导通状态突然转变为截止状态时，继

10、电器线圈内会产生一个高电压，这个高电压可以通过二极管来释放。3.1.3 数据处理模块电路图3-3 数据处理模块数据处理模块是无线传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、 任务分配与调度、 数据整合与传输等多个任务，考虑无线传感器网络的实际特点， 作为硬件平台的中心模块， 除了应具备一般单片机的基本性能外， 还应该具有高集成度、 低能耗、运行速度快、尽可能多的I/O口、 低成本等特点。本设计所采用的CC2430就是真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案， 这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee技术为基础的2.4GHz ISM波段对低成本， 低功耗的要求， 它结合一个高性能2.4GHz直

11、接序列扩频射频收发器核心和一个工业级小巧高效的8051控制器。3.1.4 数据传输单元图3-4 数据传输单元无线通信模块中无线收发器主要完成传感器节点间、 节点与网关间的数据交换功能，模块芯片选用CC2430。CC2430是TI-Chipcon公司推出的符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器。利用此芯片开发的无线通信设备， 支持数据传输率高达250 kbps。CC2430使用SPI串行可编程接口协议与微控制器进行通讯。SPI接口由 CSn、SI、SO和SCLK共4个引脚构成。 处理器通过SPI接口访问CC2430内部寄存器和存储区。 系统使用SFD、FIFO、FIFOP和

12、CCA共4个脚表示收发数据的状态。 另外， CC2430在硬件上集成了IEEE 802.15.4的MAC层， 简化了系统的开发。A/D转换器输出与CC2430的连接在此省略。3.2 元器件介绍3.2.1 光敏电阻器图3-5 光敏电阻器光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。3.2.2 芯片CC243032 cc2430CC2430的尺寸只有77mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的0.18&m

13、icro;m CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。CC2430的接收器是基于低-中频结构之上的，从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2MHz的中频信号。中频信号经滤波、放大，在通过A/D转换器变为数字信号。自动增益控制，信道过滤，解调在数字域完成以获得高精确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在2.4GHz ISM波段的不同系统良好的共存。 在发射模式下，位映射和调制是根据IEEE 802.15.4的规范来完成的。调制(和扩频)通过数字方式完成。被调制的基带信号经过D/A转换器再由单边带调制器进行低通滤波和直接上变

14、频变为射频信号。最终，高频信号经过片内功率放大器放大以达到可设计的水平。 射频的输入输出端口是独立的，他们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部TX/RX开关，其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的，一个平衡式天线，如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。图4展示了CC2430的典型应用电路。集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要。晶片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围，另搭配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。3.2.3 ATmega128L

15、图3-6 ATmega128LATmega128 是ATMEL公司的 8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛。特点:1.高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器2.先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 3. 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程Flash 寿命: 10,000 次写/ 擦除周期 具有独立锁定位、可选择的启动代码区 通过片内的启动程序实现系统内编程 真正的读- 修改- 写操作 4

16、K字节的EEPROM 寿命: 100,000 次写/ 擦除周期 4K 字节的内部SRAM 多达64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过SPI 实现系统内编程 4. JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 遵循JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过JTAG 接口实现对Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程第四章 系统软件设计4.1 ZigBee的无线传感器网络ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术,其 PHY层和 MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准。本文提出的无线传感器网络工作在全

17、球通用的ISM( Industrial, Scientific andMedical)免付费频段2.4GHz上,其数据传输速率为250Kb/s,划分为16个信道。与蓝牙或802.11b等同属短距离无线通信技术相比,ZigBee技术具有先天的优势。ZigBee设备为低功耗设备,具有能量检测和链路质量指示的功能。同时,由于采用了碰撞避免机制(CSMA2CA),避免了发送数据时的冲突。在网络安全方面,采用了密钥长度为 128位的加密算法,对所传输的数据信息进行加密处理,保证了数据传输时的高可靠性和安全性。用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、性价比高、放置灵活、扩展简便、成本低、功

18、耗低、安全可靠,这种新兴的无线传感器网络必将有广泛的应用前景。ZigBee网络支持3种类型拓扑结构： 星形结构，网格状结构和族状结构， 本系统使用星形网络实现通信，网络配置一个网关和多个传感器节点，在星形网络中所有的传感器节点都只与网关通信，为实现这一功能，网关必须知道每个采集节点的网络地址，这需要每个节点在加入网络后把网络地址发送给网关，网关收到网络地址后建立地址表并存储，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。IEEE802.15.4MAC数据包最大长度为127字节，每个数据都由头字节和16CRC值组成，在数据传输中使用应答数据传传输机制，设置ACK标志位为1的帧会被接收器

19、应答，如果在一定期限内未收到应答，则证明采集节点发生错误。核心控制处理单元CC2430软件流程如图4-1所示。图4-1 CC2430软件流程图Zig Bee通信传输模块由 Zig Bee传输模块及其外围设备组成 , Zig Bee模块由 Freescale公司产生的 MC13192和 MC9S08两个芯片所组成 12 13 ,其中 MC13192为射频和基带控制芯片 ,MC9S08为微控制芯片。而 Zig Bee的外围设备由液晶显示器、 键盘和 MT8880组成 ,其中液晶显示器负责显示各种所需要的界面 ,键盘用来控制汇节点的操作 , Zig Bee汇节点通信范围内的所有传感器节点进行通信联络

20、 ,当传感器节点有信息时 ,则 MC13192接收传感器节点的报警信息 ,MC13192和 MC9S08之间通过串行外围设备接口 SP I ( Serial Peri pheral I nterface )进行连接 ,然后通过MC9S08所连接的外围设备 MT8880将 DT MF信号传送至 CPU进行信息的处理。第五章 实验组装及调试5.1 WSN节点的可靠性度量指标WSN节点大多数情况下作为不可惨设备，其主要可靠性指标有寿命分布与可靠度、平均寿命、失效率等5.1.1寿命分布与可靠度节点从初始时刻(t=0)能正常工作开始直到由于某种原因进入失效状态为止所经历的时间称为节点的寿命已知节点寿命

21、为非负随机变量。其分布函数F(x)=P( z)称为节点的寿命函数，而节点在时刻t的生存概率P()=P( t)=1一F(t)称为该节点的可靠度函数或可靠度节点在规定的时问内，完成规定功能的概率其中“规定的时间”通常是指节点使用的时间；“规定的功能”通常是指节点的主要技术性能5.1.2 失双翠若节点寿命 的分布函数为F()，其概率密度，()存在，则t时刻节点的失效率(或故障率)定义为： (5.1)由于 (5.2)则有 (5.3)5.1.3 寿命节点的寿命的期望值E()称为平均寿命，记为MTTF(Mean Time To Failure)平均寿命与节点可靠度有关系式 (5.4) 5.2 实验组装按照

22、系统框图画出电路布线图,仅可能的减少导线的交叉,避免出现短路现象使电路短路或烧坏元器件.按照电路布线图进行步线.注意电烙铁的使用,防止在焊接的工程中烧坏器件.同时注意实验地点的布线.5.3 实验调试电路组装好后,按照设计要求安放于实验大棚内.打开开关.观察各结点是否正常运作.通过电脑进行检测,用纸壳板遮住结点,发现电脑没有做出任何提醒.遂关闭开关,检测电路发现cc2430芯片电源端未焊接牢靠.经焊接后重新试验,用纸壳板遮住结点,电脑得到提醒.证明设计成功.第六章 总结与展望在本次课程设计中,我主要查阅了校内网站中的有关于无限传感器的资料,同时结合本学期所学的知道,然后根据课程设计的要求,设计了

23、这次课程设计.并最终取得了圆满的成功我感觉到了设计的快乐也觉得自己所学的专业知识开始有了可用武之地，同时也让我看到了自己所学的理论与实际实践还有较大的差距，提醒并促使我加强理论课的学习。虽然无线传感器网络的大规模商业应用, 由于技术等方面的制约还有待时日, 但是最近几年, 随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小, 已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域:1. 军事应用。无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域。由于其具有可快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点, 因此能够实现对敌军地形和病理布防及装备的侦察、战场的实时监视、定位攻击目标、

24、战场评估、核攻击和生物化学攻击的检测和搜索等功能。2. 环境应用。无线传感器网络因其部署简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点为环境科学研究的数据获取提供了方便, 因而可广泛应用于气象和地理研究、自然和认为灾害(如洪水和火灾)监测、监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测; 还可以通、方便和更具人性化的智能家居环境。3. 医疗应用。无线传感器网络所具备的自组织、微型化和对周围区域的感知能力等特点, 决定了它在检测人体生理参数、健康状况、医院药品管理以及远程医疗等方面可以发挥出色的作用, 因而在医疗领域有着广阔的应用前景。4. 家庭应用。智能家居系统的设计目

25、标是将住宅中各种家居设备联系起来, 使它们能够自动运行, 相互协作, 为居住者提供尽可能多的便利和舒适。在家电和家具中嵌入传感器节点, 通过无线网络与Internet连接在一起, 将会为人们提供更加舒适的弊端。5. 工业应用。自组织、微型化和对外部世界的感知能力, 决定了无线传感器网络在工业领域大有作为。它包括车辆的跟踪、机械的故障诊断、建筑物状态监测等。以上的应用方向只是无线传感器网络应用中的一部分, 尚存在着许多空白点亟待解决, 使其更好的服务于人们日常的生产和生活当中。无线传感器网络已经在国际上成为了研究的热点, 随着小规模的投入使用, 它带来的效果和作用使有目共睹的, 因此对大规模动态

26、的无线传感器网络的研究有着重要的科研价值和应用前景。但是现在的技术还不是太成熟, 不过随着关键技术的突破和进步, 无线传感器网络将应用到社会的每一个角落。致谢本课题在选题及研究过程中得到刘君玲和吴丹的悉心指导。他们多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。刘老师和吴老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对两位老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢刘老师、吴老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!参考文献1 孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,2005.2 陈永甫.电子电路智能化设计实例与应用.北京:电子工业出版社,2002,7.3 宋吉江,牛轶霞.光敏电阻的特性及应用.家用电器.消费,2000.4 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究J.计算机应用与软件，2004.5 于海斌,曾鹏.智能无线传感器网络系统M.北京:科学出版社,2006.