（通信与信息系统专业论文）一种多传感模块无线传感器网络新型节点的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：综合传感器、微电机系统、无线通信和网络等多种技术的无线传感器网络， 能够感知各种环境信息，实现物理世界与通信网络的相互融合，已经成为各国政 府、企业和科研院所重点关注的领域之一。无线传感器网络由大规模微型化的传 感器节点组成，如何设计新型高效的传感器节点成为提高传感器网络性能、扩展 其应用范围的关键问题。 由于现有传感器节点功能单一，传感模块的可扩展性差，二次开发较复杂，因 此，有必要设计并实现一种模块化的、功能可重构的传感器节点。在项目组原有 低成本、低功耗传感节点的基础上，本文实现传感器节点的处理器、射频电路、 电源等模块化设计，并提出支持多传感模块的接口设计，从而保证节点框架灵活， 减少市场推广时面向各种应用场景的设计复杂度。 本文首先对无线传感器网络的体系结构、特点及应用做了介绍，指出现有无 线传感器网络及传感节点的研究现状；其次提出了传感器节点模块化的设计思想， 详细论述了接口模块、处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块的设 计方案，并在硬件设计中，就器件的对比和选择、电路原理和p c b 的设计及电气 规则等问题作了详细论述；此外本文还提出了多传感模块节点的软件框架，给出 在节点的多传感模块及其接口、处理器与通信模块的s p i 接口以及节点应用程序 中自适应数据处理的详细过程，实现节点模块化的功能设计。 随后，通过搭建实际的网络拓扑环境，从功能和性能的角度对本文中设计的多 传感模块无线传感器网络新型节点进行了测试和分析。最后对论文所做的工作进 行了总结，对下一步工作提出了展望。 关键词：无线传感器网络：传感器节点；多传感模块；接口设计；数字传感器 分类号：t p 2 1 2 9 ；t n 9 1 5 0 4 ；t n 9 1 5 0 5 北京交通人学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) ，i n c o r p o r a t i n gm a n yt e c h n o l o g i e ss u c h a ss e n s o r , m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r k c o u l dc o o p e r a t i v e l yc o l l e c tt h ee n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n ，a n dr e a l i z et h e i n t e g r a t i o no ft h ep h y 7 s i c a lw o r l da n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h u sw s n sa r e b e c o m i n go n eo ft h er e s e a r c hh o ts p o t st h a tr e c e i v em u c ha t t e n t i o nf r o mg o v e r n m e n t s ， e n t e r p r i s e sa n di n s t i t u t e s h o wt od e s i g nan e wh i g h p e r f o r m a n c es e n s o rn o d ei sak e y p r o b l e mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ka n de x p a n di t ss c o p eo fa p p l i c a t i o n a sw ek n o w , t h ee x i s t i n gs e n s o rn o d e sh a v em a n yo b v i o u sd i s a d v a n t a g e ss u c h 硒 s i n g l ef u n c t i o n a l i t y , p o o rs c a l a b i l i t y f o rs e n s o rm o d u l e ，c o m p l e x i t yf o rs e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，s oi t i sn e c e s s a r yt od e s i g na n di m p l e m e n tan e wt y p es e n s o rn o d e ， m o d u l a ra n dr e c o n f i g u r a b l e b a s e do nt h eo r i g i n a ll o w c o s t ，l o w p o w e rs e n s o rn o d ei n o u rg r o u p ，t h i st h e s i sr e a l i z e st h em o d u l a rd e s i g no fs e n s o rn o d ef o rp r o c e s s o r , r f c i r c u i t s ，p o w e rs u p p l ya n dp r o p o s e sag e n e r a lm o d u l es u p p o r t i n gv a r i o u ss e n s o r st o e n s u r et h ef l e x i b i l i t ya n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yt op r o m o t et h em a r k e t i n gf o raw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l yi n t r o d u c et h ea r c h i t e c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n s o fw s n s ，a n dp o i n to u tt h es t a t e - o f - a r to fw s n sa n ds e n s o rn o d e t h e n ，m o d u l a r s c h e m eo fs e n s o rn o d ei sp r o p o s e d ，f o l l o w i n gt h ee x p l i c i ts c h e m eo fi n t e r f a c em o d u l e p r o e e s s o r ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , s e n s o ra n dp o w e rs u p p l y i nh a r d w a r ed e s i g n ，t h e c o m p a r i s o na m o n gv a r i o u st y p e so fd e v i c e s ，t h ed e s i g no fc i r c u i ta n de l e c t r i cr u l e s a r e d i s c u s s e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s od e s i g n sas o f t w a r ef r a m e w o r ko fs e n s o r n o d e ，a n dp r o p o s e st h ed e t a i l e dp r o c e s so ft h em u l t i s e n s o rm o d u l e , i n t e r f a c e ， p r o c e s s o r ，t h es p ii n t e r f a c eo ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o rn o d ea n dt h ea d a p t i v e a p p l i c a t i o no fd a t ap r o c e s s i n g n ew h o l es o f t w a r ef r a m e w o r km a k e st h ef u n c t i o n a l d e s i g no ft h en o d em o d u l e r e a l i z e d s u b s e q u e n t l y , w ee v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e a n df u n c t i o n a l i t yo ft h en e w m u l t i s e n s o rn o d eb a s e do l la ne x p e r i m e n t a lt e s t b e d f i n a l l y , w es u m m a r i z et h ew o r k a n dm a k ea no u t l o o ki nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) ；s e n s o rn o d e s ；m u l t i - s e n s o rm o d u l e ； i n t e r f a c ed e s i g n ；d i g j i t a ls e n s o r s c l a s s n o ：t p 2 1 2 9 ：t n 9 1 5 0 4 ；t n 9 1 5 0 5 北京交通人学硕+ 学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：童乡有、 签字日期： 跏口夕年石月7 h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：遣；焉、 导师签名 譬， 签字r 期：沙呷年月1 1 日 签字日期： z 吖年月7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张思东教授的悉心指导下完成的。张思东教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给我带来了极大的帮助，使我在求学和做人方面学 到了许多道理。在此衷心感谢两年来张思东老师对我的关心和指导。 高德云教授悉心指导我完成实验室的科研工作的同时，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向高德云老师表示衷心的谢意。 感谢张宏科老师、秦雅娟老师、潘志丽老师、周华春老师、郜帅老师、刘颖 老师在我的科研和生活中给予我的无私帮助和诚挚的关怀。 在实验室工作及撰写论文期间，牛延超博士、梁露露博士、郑涛博士、段俊 奇博士、杜鹏硕士、龚颖莹硕士、王晓宁硕士、冯威硕士对我的研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，特别是我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 在未来的工作、学习中，我会不断提高自己，使自己成为一个优秀的人才， 为祖国的繁荣和社会的发展贡献自己的一份力量，不辜负大家对我期望。 最后衷心祝愿老师和同学们身体健康、工作顺利、万事如意! 祝愿我的家人 和朋友们平安幸福! 最后，衷心感谢各位评委于百忙之中抽出宝贵的时间审阅本文! 综述 1 综述 本章简单介绍了无线传感器网络的结构、特点、应用和国内外研究现状，以 及本文选题意义，并概括了论文的主要工作和组织结构。 1 1无线传感器网络概述 随着信息技术的发展，我们已经能够实现语音、高速数据和多媒体等大量信 息的交互，如何把各种环境信息汇聚到网络，实现物理世界和信息网络的相互融 合，成为诸多应用需求所要解决的问题。近年来，随着传感器、微处理器、无线 通信以及网络等技术的发展，出现了能够解决上述问题的无线传感器网络【l 】技术。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由大规模微型化的传感 器节点以多跳、自组织的方式形成的网络，其借助于各种类型的传感器，把客观 环境中的各种信息，以电信号的形式高效、准确、及时地传递和汇聚到管理终端 ( 网络用户) ；并通过管理终端实现控制和管理无线传感器网络及其设备，从而完 成各种各样的应用服务。无线传感器网络能够广泛应用于军事、环境监测、智能 建筑、精准农业等多个领域。 作为一项新兴的技术，无线传感器网络被美国商业周刊和技术评论 认为是人类未来四大高新技术产业和改变未来人们生活的十大技术之一，各国政 府、科研机构和企业，都对无线传感器网络给予了高度的评价，纷纷开展相应的 计划和研究。国外主要的项目有：u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t ，u c l a 的w i n s 以 及m i t 的u a m p s 等；国内有国家9 7 3 计划、国家自然科学基金项目和国家8 6 3 高技术计划等都设立了相关课题，在节点体系结构、协议以及支撑技术等方面【2 】展 开研究，2 0 0 6 年，政府将发展无线传感器网络列入未来1 5 年的国家中长期科学 和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，这些都极大推动了该研究领域的发展。 目前，无线传感器网络属于新兴科研领域，其研究还处在发展阶段【3 】，尤其是 作为无线传感器网络的关键设备，现有传感器节点功能单一、传感模块的可扩展 性差、二次开发较复杂，而传感器节点的功能和性能，在很大程度上影响了整个 无线传感器网络的发展和使用，因此如何设计模块化的，具有一定通用性、可扩 展性，功能可重构的传感节点设备，对于扩大无线传感器网络的应用领域，提高 我国在信息网络领域的研究水平具有十分重要的意义【4 】。 北京交通人学碗l 学位论文 无线传感器网络的体系结构 闩前，无线传感器刚络系统包括传感器节点、汇聚竹点( s i n k ) 和管理终端。大 鼍的传感器甘 ，根掘应用场景的小州随机和固定的j ： | i 署在目标检测区域内， 能够通过无线白组织的方式构成网络。传感器节点把采懿并处理后的数据，采h j 多跳的方式通过其他 ，点 l = 聚到s i n k 肖 ，并通过互联网、c d m a 等通信方式发 送到管理终端。用户可以通过管理终端对闷标犀域的1 感器数据进行读取和存储， 对无线传感器网络进行配置和管理等操作。如罔1 1 所示为典型无线传感器网络结 构模型哪6 】： 削1 - 1 无线传感器网络结构模型 f i gi - ls m l c m r e m o d e lo f w i r d e - s e n s o r n e t w o r k s 一般的传感器节点，主要由处理器模块、传感器模块、无线通信模块以及电 源模块组成。处理器模块分为控制器和存储器两部分，控制器负责把传感器采集 到的传感器数据和接收到的管理控制信息进行处理，存储器主要用于存储传感器 数据和路由等信息；传感器模块负责采集目标区域各种类型的传感信息；无线通 信模块主要用于数据的无线收发，是传感器节点之间进行信息交互的接口：电源 模块负责为整个传感器节点提供能量，可以是直流电源、电池或者太阳能设备等。 传感器节点的结构如图1 2 所示，在通常情况下各个模块之间密不可分，尤其是传 感器模块，当某种应用需要改变其硬件配置时，其他模块都需要重新设计。 、多一 多脚墨磋 i 。g 5 。兰茭鲞 综述 处理器模块 图1 - 2 传感器节点结构图 f i g1 - 2s t r u c t u r ec h a r to f s e n s o rn o d e 1 1 2无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统通信网络相比具有很强的应用相关性，主要包括以下 特点： 1 ) 以长期可靠传送传感器数据为目的 无线传感器网络的处理能力、通信能力、存储能力以及生命周期都是有限的。 因此如何能利用有限的资源来长时间且稳定的向汇聚节点发送所在环境的传感器 数据，就成为传感器节点研究的重点，这也是无线传感器网络和普通网络的最大 不同。 2 ) 传感器节点数量大、分布广 无线传感器网络为了对目标区域的物理情况进行全面完整的采集和传输，必 须在该区域部署大量的传感器节点。这样会减少目标区域的监测盲区，但同时也 会造成大量的冗余节点存在。因此如何提高节点覆盖效率，也是无线传感器网络 研究的重点。 3 ) 动态性 由于环境影响或者能量耗尽，会有部分传感器节点电量耗尽或者损坏，导致 网络结构的变化。由于大量节点的存在，会产生网络拓扑的频繁变化。这就要求 无线传感器网络能够适应这种动态性变化，具有自动调节网络拓扑的能力。 4 1 可靠性 在无线传感器网络应用的某些恶劣或人类不宜长时间测量的环境中，应该考 虑能够适应极端的测试环境或者自然环境和动物的破坏等问题。另外，应该能够 具有一定的保密性和安全性。要求传感器节点和无线传感器网络的设计要具有一 定的鲁棒性和容错性。 北京交通人学硕十学位论文 基于以上考虑，传感器节点应该具有较高的稳定性、成本较低等特点，并可 支持多种传感器，能够长期稳定的提供各种传感器数据、容易在其基础上进行开 发和改进。具有多传感模块的模块化传感器节点，能够满足上述要求。 1 1 3无线传感器网络的应用 近期，随着传感器节点的性能和传感器种类的增加，无线传感器网络的应用 范围越来越广泛： 1 ) 在农业、林业等环境监测领域的应用 在农业和林业等领域，无线传感器网络有着显著的优势。可以用于监视植物 灌溉、土壤酸碱度的变化、空气变化以及大面积的地表检测。人们通过在待测区 域安装载有不同传感器的传感器节点并组成无线传感器网络，在监控室内就能够 监控目标环境的温度、湿度、风力、风向、有无烟雾以及土壤的p h 值等，从而科 学地为农业、林业等环境监测领域提供研究和实践的重要途径。典型的应用有美 国大鸭岛海燕生活习性监测保护系统【_ 7 1 。 2 ) 在健康领域的应用 把传感器节点固定到被观察者身上，无线传感器网络能够在被观察者运动、 休息甚至睡觉时实时监测人的各项生理数据( 例如体温、脉搏、血压等) ，观察者 可以通过管理终端来了解被观察者的生理情况，及时做出相应的医疗对策，在很 大程度上能够挽救病人的生命。另外，传感器节点对病人的监控，能够持续稳定 的测量各项数据，而不用医疗人员每次手动测量，从而根据病人的身体状况做出 及时的治疗，提高安全性和工作效率。 3 ) 在建筑和家居领域的应用 把带有多种传感器的传感器节点，如加速度传感器、温度传感器、湿度传感 器等，部署于建筑或者家居中，能够监测目标建筑的相关信息( 如房屋或者桥梁 的震动、室内环境的温度和湿度等) ，或者把家庭中的各种设备控制协调起来( 如 控制空调、照明等) ，为家庭成员提供更加宜居的环境。典型应用有智能家居心j 等。 4 ) 在公共交通领域的应用 通过把传感器节点部署到公共交通设备上，能够感知其温度以及所在位置等 出行公民感兴趣的信息。通过把传感器节点部署到公路和公交车站等，可以感知 某条线路上的汽车流量以及某个车站的待乘人数等。这样公交管理中心能够根据 无线传感器网络所汇聚的数据对整个公共交通系统进行统一的调度，可以大幅度 调高整个公共交通的运输能力。 5 ) 在机器人领域的应用 4 综述 机器人虽然具有强大的计算能力和机动性，但是对所在环境和全局的感知能 力不足。因此需要利用无线传感器网络所具有的强大的感知能力来弥补。把两者 结合之后，能够具有更加广阔的应用前景。 6 ) 在物流领域的应用 把传感器节点部署到货物上和仓库的环境中，利用传感器节点感知仓库坏境 的温度、湿度等信息，管理终端通过分析传感器节点所感知的信息，对仓库的控 制做出决策，以保障货物的质量和安全。同时，能够根据节点的定位，判断每个 节点即每件货物和产品的位置，对整个物流环节进行有效的管理。 除了上述应用之外，无线传感器网络能够广泛应用于工农业生产、海洋、军 事、地理等多个领域。基于无线传感器网络的多种应用场景，传感器节点所需要 搭载的传感器种类较多，所以只有采用多传感器的传感器节点才能适应广泛的应 用领域和场景。如果需要使用的传感器没有搭载到现有传感器节点时，只需要通 过传感器节点的模块化设计，进行扩展和改进即可。随着科学技术的进一步发展， 无线传感器网络一定会迎来更加广阔的应用天地。 1 2研究现状 1 2 1无线传感器网络的研究现状 无线传感器网络作为一种自组织、自适应、低能耗的网络，有其独特的产生 过程。第一代无线传感器网络，主要研究适用于无线传感器网络的路由协议和网 络结构。一般以预定义的数据结构来采集和发送传感器数据。第二代无线传感器 网络是一种以数据为中心的分布式数据库，用户通过查询的方式来访问数据库。 这种方式解决了服务定义的问题以及请求数据库查询的接口问题。第三代无线传 感器网络，已经扩展到多解决方案存储、多查询的优化以及三维范围查询。第四 代无线传感器网络，使用n a n d 闪存，极大的增加和改善了本地存储的容量和能 耗，一种突出本地数据归档和查询的数据结构将会出现。无线传感器网络经过不 断地发展，形成以下三个重要的研究方向：路由和网络结构、逻辑网络结构以及 信息存储和处理【l j 。 随着无线传感器网络的发展，有越来越多的大学和科研机构投入大量的科研 力量对无线传感器网络和传感器节点进行了研究。 国外许多大学都对无线传感器网络进行了研究。美国伯克利加州大学把无线 传感器网络部署在金门大桥的主体和桥墩上，采集桥体的震动情况，从而对该建 筑的健康状态进行分析。传感器节点通过多跳传输，把震动数据通过基站传送给 5 北京交通人学硕十学位论文 服务器。监测人员可以通过服务器来观测整个大桥的情况。另外，美国斯坦福大 学、南加州大学、美国洛杉矶加州大学等多所大学以及美国西北太平洋国家实验 室，都利用无线传感器网络对建筑的健康状况及内部管理等方面进行了监测。 随着无线传感器网络的发展，国际标准化组织制定了许多适用于传感器网络 的相关标准。针对低速率、低成本、低能耗的应用场景，i e t f 组建了6 l o w p a n 工 作组，提出了将i p v 6 协议与i e e e 8 0 2 1 5 4 相结合的适用于无线个域网的一系列相 关标准，这为无线传感器网络的发展、研究提供了参考依据。与此同时，飞利浦、 摩托罗拉及三星等公司牵头成立了z i g b e e 产业联盟，致力于制定近距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的小型设备双向无线通信技术标准，该标准适 用于无线传感器网络应用需求。 在国外大学和标准组织展开对无线传感器网络研究的同时，国内的一些科研 单位和大学也开展了对于无线传感器网络的研究工作。中国科学院软件研究所， 不仅在理论方面进行了研究，同时开发了与m i c a 2 兼容的无线传感器网络平台。 清华大学在m i c a 2 兼容的节点平台上，进行了同步、定位、m a c 协议等方面的理 论研究。北京交通大学从2 0 0 3 年就开始积极研究i p v 6 无线传感器网络。2 0 0 5 年 1 2 月由北京交通大学下一代互联网研究中心研制的b j t ui p v 6 微型传感路由器， 解决了传感器网络的一系列关键技术问题。 1 2 2传感器节点的研究现状 随着相关技术的发展，无线传感器网络作为一种新兴的研究领域，在军事、 农业、环境等多个领域有着广阔的应用前景，迫切需要对不同的应用系统进行实 现，充分发挥无线传感器网络在不同应用领域中的作用，这对于提高我国的科技 发展水平具有十分重要的意义。 第一代传感器节点，以u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 9 】为代表，证明了传感器节 点的可行性，开启了无线传感器网络的应用前景，但是没有特别强调无线通信技 术和网络技术。第二代传感器节点，以m i t 的u a m p s 1 0 】为代表，为无线传感器网 络搭建了一个通用的平台，为协议等的研究提供支持。第三代传感器节点以u c b e r k e l e y 的m i c a 2 1 l 】为代表，重点发展了低能耗节点，从而延长传感器节点和无线 传感器网络的生命周期。第四代传感器节点以m i c a z 1 2 l 为代表，主要特点为支持 z i g l 3 e e ，从此开始了对无线通信方面的研究。第五代传感器节点以s u n 公司的s u n s p o t 1 3 】为代表，采用高性能处理器，形成了通用的软硬件平台，为科研和教学提 供了性能优良的设备。 国外主流传感器节点主要有下述几种：s m a r td u s t l 9 】是美国d a r p a m t o 6 综述 m e m s 支持的项目，由u cb e r k e l e y 研究。其节点结合m e m s 技术和集成电路技 术，体积不超过1 i 姗3 ，具有光通信能力，使用太阳能电池，能够以尘埃的方式附 着在别的物体上甚至浮动在空气中。m i c a 系列节点是u cb e r k e l e y 研制的用于传 感器网络研究的节点，包括w e c 、r e n e e 、m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 和s p e c 等。其 中m i c a 2 和m i c a z 节点使用c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 芯片和a t m e l 公司的 a t m e g a l 2 8 芯片。m i c a 系列节点具有一定的可扩展性。s l l i l 公司推出的s u n s p o t 1 3 】节点，采用3 2 位a r m9 2 0 t 低功耗高性能处理器芯片，分为电源层、处 理器和通信层、传感器层，带有电池，具有过充自我保护功能，能够通过传感器 层扩展，连接不同的传感器。 在国外无线传感器网络迅速发展的同时，国内也抢占了w s n 产业的制高点， 与国外几乎同时起步研究无线传感器网络【3 】。宁波中科集团集成电路设计中心开发 的g a i n s 系列传感器节点【6 】，采用a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 处理器，射频部分 采用c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 。北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验 室研制一种基于i p v 6 的无线传感器网络节点，采用a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 处 理器，射频部分采用c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 ，采用温度传感器l m 6 1 和光敏电阻。 东南大学开发的传感器节点【1 4 】，采用f r e e s c f l e 公司的z i g b e e 无线收发射频芯片 m c l 3 1 9 2 和p l l i l i p s 公司的3 2 位a r m 芯片l p c 2 1 3 8 ，支持z i g b e e 。另外清华大 学、中国科技大学、北京邮电大学、华中科技大学、上海交通大学以及中科院等 均开展了相关的研究。 纵观现有各种传感器节点，大部分的结构和组成相似，主要由传感器模块、 处理器模块及无线通信模块组成。随着科学技术的不断发展进步，传感器节点的 应用与研究出现以下几个趋势【6 】【”】： 1 ) 传感器节点通用性增强：传感器节点所具有的传感器功能以及传感器所能 够适用的场景越来越多。 2 ) 传感器节点无线通信能力增强：传感器节点的信号强度、通信距离、以及 信号的稳定性都有一定的进步。 3 ) 节点能耗降低、生命周期变长：传感器节点增加的休眠机制等，能够减少 电量的消耗，同时电池的供电方式趋向多元化，因此节点的生命周期也随 之加长。 4 ) 节点性能特别是处理器性能增强：传感器节点的处理器芯片由原来简单的 8 位单片机到现在的a r m 9 处理器，在处理性能上有了很大的提高。 1 3选题意义 7 北京交通人学硕士学位论文 无线传感器网络作为一种新兴的研究领域，随着各种技术的发展，无线传感 器网络在军事、农业、环境等多个领域有着广阔的应用前景，迫切需要实现更多 的应用系统，能够在这些领域把无线传感器网络真正应用起来，从而对于提高我 国在各个领域的科技发展水平具有十分重要的意义。 无线传感器网络的实体部分主要由传感器节点和s i n k 节点组成。其中，作为 无线传感器网络关键设备的传感器节点分布于目标区域，用于检测客观世界的环 境信息，决定了整个无线传感器网络的功能和应用范围。因此，传感器节点的软、 硬件设计是无线传感器网络的基础和应用的关键。 随着无线传感器网络应用系统对传感器节点的功能要求不断提高，这就容易 造成节点部分功能的重复开发和设计，因此需要设计一种能够广泛支持各种无线 传感器网络应用场景的传感器节点，要求该节点具有成本较低、高稳定性以及较 强的通信能力，能够支持多种传感器，具有可扩展性，从而减少不同应用系统的 开发成本和设计复杂度。 为满足上述需求，本文设计了一种通用型、模块化、功能可重构的无线传感 器网络节点，主要从功能、性能、能量供应方式、体积及价格等多方面进行综合 分析。该节点能够提供各种功能的传感器和自适应数据处理方式，具有性能稳定、 体积小巧等特点。 1 4 论文的主要工作及结构 本文主要从无线传感器网络的发展趋势和发展前景出发，以嵌入式、无线通 信技术为基础，开发出一种具有一定计算能力的多传感模块无线传感器网络新型 节点，这种节点加入到传统无线传感器网络中，增强了网络整体的应用范围。所 做的主要工作如下： 1 ) 介绍了无线传感器网络和传感器节点的研究背景、发展方向和应用等。 2 ) 提出了一种多传感模块的无线传感器网络传感器节点的设计方法，并设 计了其硬件组成的各个模块。 3 ) 提出了多传感模块的无线传感器网络节点的传感器软件设计方案，完成 了传感器节点各个部分支持模块化的软件开发工作。 4 ) 通过搭建小型传感器网络，对设计的新型无线传感器网络节点的性能进 行测试、分析与对比。 本文共分为五章，内容如下： 第一章论述了无线传感器网络的体系结构、特点及应用，对无线传感器网络 以及传感器节点做了深入分析，阐述了选题的意义，提出论文的主要 8 综述 设计思路，概述论文的主要工作。 第二章论述了国内外研制的主流传感器节点，提出传感器节点的模块化设计 理念，完成了多传感模块的传感器节点的硬件设计。 第三章提出了多传感模块的无线传感节点的软件架构，完成多传感模块的接 口设计软件流程、s p i 通信过程以及自适应数据处理机制。 第四章搭建原型系统，对多传感模块的传感器节点进行功能和性能的测试。 第五章对论文所做的工作进行总结，分析传感器节点设计和应用中有待解决 的问题，对未来的工作重点提出了进一步的设想和展望。 9 北京交通人学硕+ 学位论文 2 多传感模块传感器节点的硬件设计 本章主要介绍了多传感模块无线传感器网络节点的硬件设计方案，具体包括 接口模块、处理器模块、无线通信模块以及电源模块的具体设计细节，给出传感 器节点的整体效果图，并总结了设计中应该注意的问题和事项。 2 1多传感模块传感器节点的设计必要性 现有的无线传感器网络节点都与某种特定的应用相关，在成本、精度、能耗 和扩展性等各个方面均不能达到理想状态。不同研究机构和大学都在致力于各自 的无线传感器网络和传感器节点的研究，缺少一种能够支持多种传感器、低成本、 二次开发难度小、能够广泛应用于各种场景的新型传感器节点。 目前国内外主流的传感器节点都有各自的特点。s m a r td u s t 传感器节点，虽然 具有体积小、可以附着在别的物体上的特点，但是由于自身携带的传感器种类较 少，所以应用场景的范围较小，同时可扩展性较差。m i c a 系列传感器节点，能够 支持较好的扩展性，但是自身的供电方式较单一，不能提供较长时间的持续电源 供给。同时m i c a 系列传感器节点，自身没有搭载传感器，因此在需要使用一些使 用率较高的传感器( 例如温度传感器等) 时，仍然需要设计相应的扩展板。s u n s p o t 传感器节点，具有高性能和较长使用周期的特点，但是该传感器由于采用 a r m 9 处理器，因此传感器节点的成本较高，不能广泛应用于各种需要大批量部 署传感器节点的地方。g a i n s 传感器节点是国内开发的比较有代表性的传感器节 点，能够支持扩展多种传感器，但是所支持的接口较少，不具有较强的可扩展性。 上述传感器节点都是嵌入式设备，其处理能力和硬件资源都受到一定的限制。 因此必须重新考虑各种应用对节点硬件的要求，使之具有更强的扩展性，而现有 节点显然不能满足上述要求，难以在不改变传感器节点设计的情况下适应较多的 应用。另外，部分传感器节点所支持的供电方式较少，也在一定程度上限制了应 用的范围。同时，部分传感器节点成本较高，也不适合大规模的部署传感器网络。 因此，需要设计一种具有一定通用性、功能可重构的传感器节点，能够在不 进行扩展的情况下搭载常用传感器，同时能够扩展并支持多种其他种类的传感器 和存储器等设备。从而实现对常见应用的支持，同时能够以低廉的成本，迅速开 发出适用于特定应用的传感器节点。 1 0 多传感模块传感器节点的硬件设计 2 2多传感模块传感器节点的设计目标 根据对国内外主流传感器节点的分析和实际应用的需要，多传感模块无线传 感器网络新型节点的设计目标为：具有稳定的无线通信能力、计算和存储能力， 并有一定的可扩展性和通用性；根据不同的应用需求，选择相应的功能模块，组 成具有新功能的传感器节点。 根据传感器节点通用性和模块化的特点和要求，本文中传感器节点的设计应 该满足以下要求： 1 ) 良好的扩展性：为了能够迅速接入其他传感器和存储器，需要预留多种常 用接口，例如i o 、1 2 c 、a d c 以及电源等，方便连接新型传感器或者存 储器等。实现以现有节点快速开发适应新要求的新传感器节点。 2 ) 较低的功耗：由于传感器节点的能源有限，为了达到较长的生命周期，必 须尽量降低节点功耗。主要方式有：使用低功耗器件、合理布线、降低板 上功耗、加入休眠和变化判断等机制。 3 ) 成本低廉：大部分情况下，传感器节点部署之后是不会回收的，因此应该 尽量降低传感器节点的成本。 4 ) 外形小巧：为了适应更多的无线传感器网络应用场景，传感器节点应该力 求体积小。 5 ) 能够适应多种应用环境：应能够适应于各主要应用场景中，成功感知环境 数据并将其发送给现有网络的用户 传感器节点应该力求满足上述几点，同时根据不同的应用场景再进行扩展。 例如需要其他传感器，如烟雾浓度传感器，能够通过1 2 c 总线接口、i o 口或者 a d c 转换接口进行连接，在市场中选择一款能够同本设计中传感器节点进行连接 的烟雾传感器，利用现有的软件驱动，进行迅速的二次开发和使用。若是在需要 长时间稳定工作的环境中，能够连接太阳能电池进行充电和电量监测等，完成对 传感器节点的电源管理。 2 3多传感模块传感器节点的硬件设计 按照实际运行中所发挥的功能来分，传感器节点由处理器模块、无线通信模 块、传感器模块、电源模块及接口模块组成。传感器节点作为一个整体的计算系 统，要求各个模块之间协调工作，能够高效的协同工作，共同完成某种功能。本 文提出的传感器节点具有较强的可扩展性，可以根据实际场景的需要添加相应的 传感器、存储器或者电机和太阳能电池等。把节点分为主板和扩展板，其中处理 北京交通大学硕十学位论文 器模块、无线通信模块、电源模块和接口模块整合到主板上，把传感器、存储器 和电机等放到扩展板上，这样可以根据实际应用的需要，实现对各个模块的重构。 如图2 1 所示是多传感模块无线传感器网络新型节点的模块结构图。 图2 - l 节点结构图 f i g2 - 1s t r u c t u r ec h a r to f n o d e 采用模块化节点结构，能够提高开发的效率，能够把各个模块集中到一个相 对封闭的区域中，在硬件设计的过程中利于排版和布线、降低高频干扰等。同时 也利于二次开发的过程中对传感器节点进行修改和调试等，能够方便与其他接口 连接，满足对于多传感模块的要求。 多传感模块传感器节点以接口模块为中心，负责把各个模块整合起来完成整 个传感器节点的功能。接口模块分别与处理器模块、无线通信模块、电源模块以 及传感器模块连接，主要用于实现传感器节点的功能扩展，可以连接各种传感器、 存储器以及电机，从而感知、存储更多的数据，如果需要扩展上述任何一个模块， 只需要通过接口模块把要改进的模块重新设计后连接到接口模块即可。处理器模 块是整个节点的关键设备，负责对传感器的控制、对传感器数据的计算和融合， 对无线通信模块的控制，对通信链路的管理，对传感器节点的节能调度等，处理 器模块利用接口模块中的各种接口对各个模块进行控制。无线通信模块负责通过 无线链路，接收和发送各种传感器数据、路由信息及控制命令信息，利用接口模 块中的s p i 与处理器模块进行数据通信，如果需要扩展无线通信模块，采用新型 射频芯片，只要通过接口模块的s p i 接口连接即可。传感器模块负责感知和采集 周围环境以及传感器节点自身的各种信息，并把采集到的数据回传给处理器模块， 进行下一步的处理，若需要采用其他种类的传感器，利用接口模块中的1 2 c 等接 口进行连接即可。电源模块负责为传感器节点提供电能，计算传感器节点剩余电 量，以便进行无线传感器网络统一的调度和控制，实现整体的效用最大化，对电 1 2 多传感模块传感器节点的硬什设计 源模块的扩展，能够利用接口模块中的电源接口进行，实现对传感器节点的充电 以及电源管理等功能。 传感器节点根据不同的场景需要使用不同的传感器，因此需要设计功能可重 构的传感器节点，下面给出本文设计的多传感模块无线传感器网络新型节点各主 要模块的设计方案。 2 3 1接口模块 接口模块是传感器节点的一个重要部分，很大程度上决定了传感器节点的扩 展性。传感器节点的通用性和功能重构，主要通过接口模块来实现。利用接口模 块，能够把各种常用接口整合起来。这样对于一般常见应用，传感器节点不需要 进行任何改动即能够满足要求，对于具有特殊要求的应用场景，只需要根据特殊 要求加载所需要的传感器等设备即可。根据上述思路，把传感器节点分为两块电 路进行设计，用接口模块进行连接。其中把主要的、常用的模块放到主板上，而 把会根据应用场景的不同有所改变的部分设计到扩展板上，例如传感器模块。下 面主要介绍接口模块的设计。 根据本文设计传感器对通用性和扩展性的要求，在接口模块中，主要保留了 9 v 和3 3 v 等电源接口以及串口等。扩展板接口使用h r s 公司的d f 9 3 1 【1 6 l 插接件。 设有防止误插的接口形状，具有耐压、耐湿的特点，可多次插拔，插好之后，接 口稳定，不容易出现晃动的情况。能够在各种较为恶劣的环境中稳定使用。接口 模块如图2 2 所示： a g n d1 5 3 3 v 可 s i s c l c s n f 0 c c a s f d 串i x c k 口l t x d f 9 3 l 图2 - 2 接口模块设计图 f i g2 - 2i n t e r f a c em o d u l es c h e m a t i c 1 3 您c 玎a g 溅匿臣p 引一如一凹一勰一一拍一筋一抖一孙一挖一孔一加一挎一掩一一怕 引四勰弱筋m乃勉甜加侈培m ：2 h b 他m 9 8 7 6 5 4 3 2 n一挖一一m一98765432一 北京交通人学硕十学位论文 接口模块采用通用模块化的设计思想，能够迅速连接其他设备。其中主要包 括以下接口：s p i 接口、串口、a d c 接口、j t a g 接口、1 2 c 接口、i o 接口、3 3 v 和9 0 v 电源。其中s p i 接口主要用于与射频芯片进行通信，处理器模块通过s p i 接口对无线通信模块进行控制；串口主要用于与其他终端或者节点进行通信和对 节点进行调试；a d c 接口用于连接模拟传感器，把传感器的模拟信号转换成数字 信号，最大支持8 b i t 模拟信号的处理；1 2 c 接口可以连接支持1 2 c 总线接口的各种 传感器和数据存储器；i o 口可以通过模拟所需要的时序等方式与数字传感器和数 据存储器进行通信，利用a d c 接口、1 2 c 接口和i o 口实现对各种传感器的支持； 可以利用j t a g 进行软件的控制和调试。如上图所示：s o 、s i 、s c l k 、c s n 为s p i 接口t d i 、t d o 、t m s 、t c k 为j t a g 接口；a d c 3 、a d c 2 、a d c l 、a d c 0 为 a d c 接口；r x d l 、t x d l 、x c k l 、t 2 为串口；s c l 和s d a 为1 2 c 总线接口： g n d 、a g n d 接地；9 v 和3 3 v 提供板上其他设备的供电；r e s e t 可以实现处理 器a t m e g a l 2 8 的重新启动，即可以实现整个传感器节点的重新启动和入网：f i f o 、 f i f o p 、c c