开题报告(无线传感器网络节点设计与实现).doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：闫安斌学 号：0905044229学 院、系：信息与通信工程学院 电气工程系专 业：电气工程及其自动化论 文 题 目：无线传感器网络节点设计与实现指导教师:刘文怡 2013 年 2 月 28 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集传感器节点分布区域内各个监测对象的信息，并将这些信息发送到汇聚节点，以实现复杂的指定范围内目标监测与跟踪，具有快速展开，抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。它是一个由大量廉价的传感器节点组成的无线自组织网络。其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到目标区域的监测110。一 无线声音传感器节点网络发展现状与趋势无线传感器网络的研究最初起源于美国军方，其研究的项目包括CEO、REMBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、AMPS、SeaWeb、NEST等。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。美国国家自然基金委员会（NSF）也开设了大量与其相关的项目，NFS于2003年制定了无线传感器网络研究计划，每年拨款3400万美元支持相关技术研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心；2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首1。加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构都先后开展了无线传感器网络的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多出涉及对无线传感器网络的研究。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制定了信息技术839战略，其中“3”是指IT产业的3大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。企业界中欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon 等公司，日本的NEC、OKI、Skyleynetwork、世康、欧姆龙等公司都开展了无线传感器网络的研究1。我国对无线传感器网络的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域的五大项目之一。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院无线传感器网络的相关工作。我国学者非常重视无线传感器网络方面的研究，南京邮电大学、北京邮电大学和哈尔滨工业大学等高校科研机构均已开始了该领域的探索研究，其中南京邮电大学无线传感器网络研究中心在无线传感器网络领域已经有了一定的科研成果1。在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。2006年年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关。我国2010年远景规划和“十五”计划中，将无线传感器网络列为重点发展的产业之一1。二 本次课题研究的意义 无线通信技术的飞速发展、目前传感器家族的不断壮大和健全、计算机技术的日益进步和计算机的普及、微电子技术的突飞猛进、网络时代的到来以及目前国际上节能减排的号召，都推动了低功耗低成本的无线传感器快速发展，也引发了国内外各界的广泛关注。这些无线传感器具有信号采集和处理、无线通信的功能；无线传感器节点成本较低，体积较小，可以被随意地散布在监测区域，方便快捷；用它们组成的网络规模大，具有无线、自组织、多跳的功能，而且无需基础设施的支持2。本次课程设计的主要任务是设计出一种无线声音传感器节点，当被监测的区域中有声音信号时，无线声音传感器节点接收到该信号，经过节点中的相关芯片及电路处理后，通过无线传输模块将处理后的数据发送出去，接收节点接收到数据后根据预先设计的指令，执行指令。此装置可以用在一些公司或单位的门禁，普遍现在个单位及公司使用的门禁是刷卡形式的，用户在通过门禁时必须将车停下，刷卡之后门禁才会打开，致使很多用户很不方便，使用无线声音传感器，当车辆行驶过来时，无线声音传感器对其进行定位和追踪，判断是否为其开启门禁，这样当车辆要通过门禁时，门禁会自动为车辆提前开启，减少了车辆通过时间，同时也方便了用户，这种装置尤其适用于有紧急事务处理的部门（例如医院，消防部门）17。此外，这种装置也可安装在高速公路的收费站，它可以使高速收费站减少人员需求和工作量，车辆的高速费可以通过电子刷卡形式收取。另外道路上的测速装置上也可以安装这种传感器，当车辆驶来时，无线声音传感器对其进行定位和追踪，判断是否有违章，如果有违章，传感器可以指示拍照系统在车辆驶到合适的位置对其拍照，这样既可以减少检测装置对电能的损耗，也可以节约拍照资源16。除此之外在国防建设上，无线声音传感器也有重大的用途，许多军用装备在行进中都会有巨大的噪声产生，在必要的区域安放无线声音传感器，当有敌方军用装备靠近时，无线声音传感器接收到信号，发送数据给接收节点，指挥中心根据收到的数据做出相应的判断6781114。无线传感器体积小，成本低，它无需基础设施的支持等特点，在目前的市场上受到了很多用户的喜欢，尤其声音节点的无线传感器更是因为其信息来源十分简单和普通，它有着十分广泛的应用前景，相信，随着科研技术的不断发展，无线声音传感器的不断改进，以及功能的不断完善，它将会满足更多用户的需求，受到更多用户的青睐！我们可以大胆的预见，将来无线声音传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型声音传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其它日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线声音传感器网络将是未来的一个无空不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及人类日常生活和社会生产生活的所有领域。参考文献：1王汝传，孙力娟等无线传感器网络技术及其应用M北京：人民邮电出版社，2011，042 戴日辉，韩光照ZigBee协议的研究及无线传感器的节点设计A科学论坛，1009-914X3 曹广华,赵子滨,张晓川,刘雅姑功能模块分离的无线传感器网络节点设计A信息与电子工程，2012，084 徐兴,王卫星,岳学军基于FPGA的可重构无线传感器网络节点设计A科学技术与工程，2010，065 佟吉钢，张振新，陈增强等基于FPGA的无线传感器网络节点设计A传感技术学报,2009，036 潘 峰，秦 丽，孟令军具有声定位功能的无线传感器网络节点设计A计 算 机 工 程，2008，127 孟令军，夏善红具有自定位功能的无线传感器网络节点设计与实现A仪表技术与传感器，2007,068 周应学声目标探测无线传感器网络节点设计及网内数据融合研究硕士学位论文中北大学2007,19 孙力娟，刘林峰，杜晓玉，肖甫水声传感器网络拓扑控制技术综述A南京邮电大学学报( 自然科学版)，2012,1010 李可非水声无线传感器网络节点的设计与开发硕士学位论文中国海洋大学2009,0611 潘峰具有声定位功能的无线传感器网络节点的技术研究硕士学位论文中北大学2008,0512 赵洋,冯仁剑,万江文一种高性能无线传感器网络节点的设计与实现A电测与仪表，2007，1013高英明，金仁成，王立鼎等嵌入式无线传感器网络节点设计与通信研究A大连理工大学学报，2008,0914 薛秀银，李德毅，林岳松等被动声传感器网络模拟器的设计与实现A火力与指挥控制，2009,0715 陆忠实，沈军，罗护，胡博声传感器网络节点的硬件系统设计A技术纵横，2009，0816袁弟声传感器在室内设计中的应用A科技资讯，2006,1117 侯志国，何 强，罗晓松声探测多传感器多目标定位与跟踪方法A电声基础，2010,0918赵海，赵杰，刘铮等一种无线传感器网络节点的设计与实现A东北大学学报(自然科学版)，2009，06 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一 本课题要研究或解决的问题（1）了解并熟悉无线传感器网络节点的基本体系及理论。（2）熟练掌握电路图绘制软件和FPGA开发软件。（3）完成网络节点原理图设计（4）利用软件绘制PCB板图。（5）完成网络节点调试。（6）最后撰写毕业论文说明书。二 本课题拟采用的研究手段（途径）图1无线传感器网络硬件节点的基本构架首先通过查阅资料，学习和掌握无线传感器网络的基本知识，了解目前国际及国内的发展现状和发展趋势，重点学习无线传感器网络硬件设计，了解一个完整的无线传感器网络节点的基本架构。面向应用的无线传感器网络硬件节点的基本构架遵循了一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于实际应用需要，在各个层面上都有所扩展。其基本构架如右图所示。功能部件层是整个节点的硬件基础；设备驱动层为底层物理部件提供设备驱动功能与策略；嵌入式系统内核层在设备与应用之间建立连接，提供软硬件系统调用的方式，同时为上层应用提供功能服务；应用系统层为终端用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法13。无线传感器硬件节点内部各个模块之间并非独立的关系，而是相互联系、共同协作完成整个数据采集存储与转发的过程。本次课程设计拟采用的方案如下图所示。图中16表示有6个声音传感器，在使用无线声音传感器网络节点时，6个声音传感器摆放在6个不同的位置，接收被监测区域内的声音信号。对应于调理板也有6个，也称作传声器接口，它的主要作用是将传感器传送来的模拟信号进行滤波、放大作用，便于接下来的A/D转换模块进行数据转换，而且滤波效果使得A/D转换模块转换一定频率范围的信号，减小A/D转换模块的工作量。图2 本次课程设计拟用方案接下来介绍A/D转换模块，此次设计选用的芯片应该与调理电路相结合，所以应该选用具有6个独立的A/D转换接口，而且该A/D转换器的数据采样速率应该满足传感器节点的数据处理要求，从设计理念来讲，转换速率越快越好，能够让声音传感器传送来的信息在最短的时间内处理完毕，系统的延迟越短越优。但本次设计的产品是应用于实际的，所以，在考虑A/D转换器性能时，也应该综合其经济性，选用一种既经济又实用的A/D转换器。数据经A/D转换后,传送给FPGA,设计者将编写好的为FPGA服务的程序下载到其内部的存储单元中，FPGA在运行中，从存储单元内读取程序，使其具有特定的功能，数据经过该FPGA之后，传送到DSP中。本次设计，应采用内部资源比较丰富的FPGA，使其可以满足该节点中所有需要FPGA实现的功能，同样也应该将经济适用性考虑在内。DSP是数字信号处理的简称，它是一种独特的用于数字信号处理的可编程微处理器，拥有强大的数据处理能力和较高的运行速度。它通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。本次设计在选用DSP时，应该综合考虑节点处数据处理的负荷和经济性选用最优的DSP满足实用性要求。 SDRAM是同步动态随机存储器，它用作DSP的缓存，满足DSP对数据随机存储的要求。FLASH是DSP的外部程序存储器。DSP旁的USB接口是用于数据的存取。 FPGA旁的GPS是用于节点自身的定位。无线是节点的无线收发装置，它应该满足低功耗、射频范围设计需求的基本特点。FIFO是先入先出队列，用于FPGA的数据缓存451213。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：闫安斌同学经过