（电子科学与技术专业论文）基于can总线的低功耗无线传感器网络研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w 拍l e s ss e n s o rn e t w o r k sa ren e t w o r k sm a d eu po fm a n yn o d e s ，a n dt h o s en o d e s c o m p o s e do fs e i k s o l s ，d a t ap r o c e s s i n gu n i t sa n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s w i r e l e s s s e i i s o rn e t w o r k sh a v eb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r sb e c a u s et h e yh a v e g a i n e dp r o s p e c ta p p l i c a t i o n si nm i l i t a r y , i n d u s t r i a l ，m e d i c a l ，a g r i c u l t u r ea n do t h e ra r e a s t h e yu s u a l l ya r eu s e dt or e m o t e l ym o n i t o ri n h o s p i t a b l ee n v i r o n m e n t s ，a n daw i r e l e s s n o d ei st y p i e a l l yb a t t e r yo p e r a t e da n dt h e r e f o r ee n e r g yc o n s t r a i n e d ，s oi ti ss i g n i f i c a n tt o s t u d yl o w - p o w e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h i sp a p e rb a s e d o nal o w - p o w e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kr e s e a r c hp l a t f o r m , s t u d i e dw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sa n d 丘e l db u st e c h n o l o g y , d e s i g n e dac a n b u sb a s e dl o w - p o w e rw i r e l e s s s e n s o rs y s t e m , a n dt h ec o l l e c t e dd a t a , c a r r i e db yw i r e l e s sm o d u l e s ，硼t r a n s m i t t e dv i a c a nb u st ot h eh o s tc o m p u t e r , t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e mp r o g r a m sa r ea n a l y z e d a n dt h es t r u c t u r e so fs i n kn o d e sa n dw i r e l e s ss e n s o rn o d e sa r ed e s i g n e do nt h e c o n s i d e r a t i o no f b a l a n c eb e t w e e nf u n c t i o n a l i t ya n dp o w e r - s a v i n g ( 2 ) mc o m p o s i t i o no f p o w e rc o n s u m p t i o ni naw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d ew a s a n a l y z e d ，a n dt h ev a r i o u sm e t h o d su s e dt or e d u c es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o nw e r e i n t r o d u c e d t b ed y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n tw a ss t u d i e d a n a l y s i so ft h ep o w e ra n d w o r k i n gm o d e so fs e l l 8 0 1 8 ，w i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i p s ，m i c r o - c o n t r o l l e r si nn o d e sa n d t h ed y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n tm a d et h e mm si nl o w - p o w e rm o d eb a s e do na c h i e v i n g l o w - p o w e rs y s t e m t h eh y b r i da u t o m a t aa n di t su s a g ei nw i r e l e s ss e n s o rn o d e sw e r e s t u d i e d ，a n dt h es y s t e mw a sd i v i d e di n t ot h r e ew o r k i n gs t a t eb a s e do nt h ev a l u ea n d c h a n g eo fd a t ac o l l e c t e db y t h en o d e s ，s ot h en o d e s p o w e rc o n s u m p t i o nw a sr e d u c e d ( 3 ) t h es n s t e m s h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n sw e r ec o m p l e t e d t h ed a t a w e r e t r a n s m i t t e db e t w e e ns i n kn o d e sa n dw i r e l e s ss e n s o rn o d e sb yn r f 9 0 5w i r e l e s s t r a n s c e i v e rm o d u l e s m c p 2 510 ，u s e di nc a nb u sc o n t r o lm o d u l e , t r a n s f e r r e dt h ed a t a t ot h eh o s tc o m p u t e r s c a 3 0 0 0i nt h es e n s o rm o d u l e sc o l l e c t e dd a m a l lo ft h ed e t a i l e d p a r t sd i a g r a m sw e r eg i v e ni nt h e e n do fc h a p t e r ( 4 ) t h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n sw e r ed e s c r i b e d , i n c l u d i n gs o f t w a r ed e s i g n so f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h ed a t a a c q u i s i t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn o d e s t h ew h o l es o f t w a r ef l o w c h a r t so fs i n kn o d e sa n d w i r e l e s ss e n s o rn o d e sw e r eg i v e - - ( 5 ) f i n a l l y , ac a n - b u sc o m m u n i c a t i o n , d a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y , w i r e l e s s s e n s o rn o d ep o w e rc o n s u m p t i o na n dc o m m u n i c a t i o nr a n g eo fp e r f o r m a n c et e s t sw e r e g i v e n k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；l o w - p o w e r ；c a n b u s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表2 1r s 4 8 5 与c a n 总线特性比较1l 表2 2c a n 节点之间的通信距离1 2 表2 3c a n 的数据帧格式1 4 表3 1 几种常用的无线射频芯片性能比较2 0 表3 2l 讧疆9 0 5 工作模式设置2 7 表3 3m s p 4 3 0 f 1 2 3 各种工作模式下电流消耗3 4 表4 1n r f 9 0 5 寄存器配置一4 0 表4 2m c p 2 51 0 的s p i 口指令4 4 表5 1n r f 9 0 5 各模式下的电流和功耗5 7 第l l l 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 学位论文 图目录 图2 1 典型的无线传感器网络体系结构7 图2 2 典型的无线传感器节点组成模块7 图2 3c a n 的i s o o s i 参考模型的层次结构1 3 图3 1 无线传感器网络系统结构框图。1 8 图3 2 网关节点组成结构图2 1 图3 3m i c 2 9 3 0 3 b u 稳压电路2 4 图3 47 8 l 0 5 c v 电压转换电路图2 4 图3 5a m s ll1 7 电压转换电路图2 5 图3 6m s p 4 3 0 f 1 4 9 复位电路图2 5 图3 7m a x 2 3 2 的硬件接口电路图。2 6 图3 8m s p 4 3 0 f 1 4 9 晶振电路图2 6 图3 - 9n r f 9 0 5 应用电路原理图2 9 图3 1 0m s p 4 3 0 f 1 4 9 与n r f 9 0 5 接口原理图3 0 图3 1 lm c p 2 5 1 0 应用电路图3 2 图3 1 2m c p 2 5 1 0 电源和复位电路图。3 2 图3 1 3 无线传感器节点结构图3 3 图3 1 4m s p 4 3 0 f 1 2 3 电源、通信指示原理图。3 5 图3 1 5m s p 4 3 0 f 1 2 3 晶振、j t a g 原理图3 5 图3 1 6 串口电路原理图3 6 图3 1 7n r f 9 0 5 与m s p 4 3 0 f 1 2 3 接口原理图3 6 图3 18s c a 3 0 0 0 与m s p 4 3 0 f 1 2 3 接口图3 8 图4 1n r f 9 0 5 发送数据流程图4 2 图4 2n r f 9 0 5 接收数据流程图4 3 图4 3 报文发送流程图4 5 图4 - 4 报文接收软件设计流程图4 6 图4 5 网关节点的流程图4 7 图4 - 6 无线传感器节点工作流程图一4 9 图4 7 系统整体工作流程图5 l 图5 1 无线传感器节点基本结构5 2 图5 2 状态转换示意图5 4 图5 3 混合自动控制原理图5 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图5 - 4 无线传感器节点各器件的功耗对比图5 8 图5 5 通过串口传输的数据显示图6 l 图5 6 通过c a n 总线传输的数据显示图，6 2 图5 7 高速数据采集模式下节点数据显示6 4 图5 - 8 混合自动控制原理下的节点数据显示一6 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 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谢意。 学位论文题目：篷主坠型垒塑墅堕垄堑垒塑! 塑叁因擎窒垫 学位论文作者签名：丝一日期：砷年，月r 百 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，夕c 许论文被查阅和借阅；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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文题目：差i 型鳅塑煎型螫燃墨囤垒蟛以 学位论文作者签名： 至查墨日期：硼罗年，月f 日 作者指导教师签名： 翊垒蠡 日期：厶? 年f 月f 日 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 透过将大量具有传感器、数据处理单元及通信模块的微小智能节点密集撒枢 在感知区域，节点问以自组织方式构成的网络称为传感器网络，如果节点间的通 信媒介是无线的话则称为无线传感器网络【5 j ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 。无 线传感器网络是综合了传感器技术、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信息技术的新兴学科，它通过高度集成化微型传感器协作 地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，利用嵌入式系统对信息进 行处理，并由随机自组织无线通信网络将所感知信息传送到甩户终端，网络真正 实现“无处不在的计算理念1 4 1 。 w s n 起源于1 9 9 4 年加州大学伯克利分校w i l l i a mj k a i s e r 教授向d a r p a 提 交的“l o wp o w e rw i r e l e s si m e g r a t e dm i c r os e n s o r s ”研究计划书。最早代表性论述 出现在1 9 9 9 年，题为传感器走向无线时代，同年8 月美国商业周刊将其 列为2 l 世纪最重要技术之一，2 0 0 3 年列入四大新技术之一。美国t e c h n o l o g y r e v i e w ) 杂志将其列为未来新兴十大技术之首。传感器网络经过四代发展，第一 代出现在2 d 世纪7 0 年代，它是简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对 点传输，连接传感控制器构成传感器网络；第二代是随着相关学科不断发展，采 用串、并接口与传感控制器相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络； 第三代是在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，现场总线技术应用，人们用其组建 智能化传感器网络，并使用无线技术连接，成为智能化传感器网络；第四代传感 器网络是用大量具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入 网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。目前传感器网络已发展 至第三代，以无线传感器网络为标志的第四代传感器网络已处于研究和开发阶段 嗍 。 无线传感器网络在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢 险救灾、反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价 值。未来，传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向 发展，最终将成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面。如 果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无 线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人 类与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地 扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力f 3 】。 第l 页 国防科学技术火学研究生院硕+ 学位论文 1 2 国内外相关研究 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 1 世纪开始，无线传 感器网络引起了学术界、工业界和军事领域的极大关注，美国和欧洲相继启动了 许多关于无线传感器网络的研究计划【7 。8 9 】。特别是美国通过国家自然基金委员会和 国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。 1 2 1 国外无线传感器网络的研究现状 美国国防部和各军事部门较早开始启动传感器网络的研究，在c 4 i s r 的基础 上提出了c 4 k i s r 计划，强调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利 用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研 究项目。 美国陆军2 0 0 1 年就提出了“灵巧传感器网络通信 计划，在2 0 0 1 2 0 0 5 财政 年度期间批准实施。其基本思想是：在战场上布设大量的传感器以收集和传输信 息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中 心，将大量的信息集成为一幅战场全景图。当参战人员需要时可分发给他们，使 其对战场态势的感知能力大大提高。 美国军方开展的无线传感器网络研究项目包括c e c 、r e m b a s s 、t r s s 、 s e n s o r l t 、w i n s 、s m a r td u s t 、s e a w e b 、u a m p s 、n e s t 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【9 1 。 美国海军开展的协同交战能力( c e c ) 是一项革命性的技术。c e c 的实质就 是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机地结合起来。高效的传感器网络能 快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化成更高的作战 能力。c e c 传感器网络的感知数据来源于雷达，通过舰船或飞机战斗群携带的处 理器进行感知数据的处理。每艘战船不但通过自己的雷达，而且还从其他战船或 者装载c e c 的战机来获取数据。例如，一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外， 还从舰船战斗群的2 0 个以上的雷达中获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取 数据。空中传感器负责侦察更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的 一部分、c e c 可以从多方面探测目标，极大地提高测量精度和击中目标的概率。 c e c 还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多 个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标。 传感器网络及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分 布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域， 具有鲜明的跨学科研究特点。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事w s n 相 第2 页 国防科学技术- 人学研究生院硕士学位论文 关技术的研究。加州大学洛杉矾分校、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康 奈尔大学、晗佛大学、卡耐基一梅隆大学等在w s n 研究领域成绩较为突出。国际 相关学术会议中对w s n 的研讨增多，检索论文数目逐年以较大幅度增加。 美国自然科学基金委员会( n s f ) 2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，每年 拨款3 4 0 0 万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络 研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校，南加州大学等，展开“嵌入式智能 传感器 的研究项且，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的 测试与控制，支持相关基础理论的研究。2 0 0 5 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4 0 0 0 力美元。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。美国的c r o s s b o w 、d u s tn e t w o r k 、e m b e r 、 c h i p s 、i n t e l 、f r e e s c a l e 等公司也丌展了w s n 的研究工作。 美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目规划 ，计划2 0 2 5 年全 面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、 控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位 的实时高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进 行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距 离，而置还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶 员避免交通事故等。由于该系统将应用大量传感器与各种车辆保持联系，人们可 以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调整时间等。 根据具体情况自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在 的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系。 英特尔公司在2 0 0 2 年l o 月2 4 日发布了“基于传感器网络的新型计算发展规 划 。计划宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林 灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要三个阶段，包 括物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功 能的超微型传感器，该传感器也称作尘粒或智能微尘。实现阶段将在实际商务中 使用来自传感器网络的感知数据。应用阶段将传感器网络应用于预防医学、环境 监测及灾害对策等领域。 加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了w s n 的研究。欧盟第6 个框架计划将“信息社会技术 作为优先发展领域之一，其中 多处涉及对w s n 的研究，启动了e y e s 等研究计划。日本总务省在2 0 0 4 年3 胃 成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制订了信息技术“8 3 9 ” 战略，其中“3 是指i t 产业的三大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网 第3 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 络、下一代互联网协议。 企业界，欧盟的p h i l i p s 、s i e m e n s 、e r i c s s o n 、z m d 、f r a n c et e l e c o m 、c h i p e o n 等公司；日本的n e c 、o k i 、s k y l e y n e t w o r k s 、世康、欧姆龙等公司都丌展了w s n 的研究。 1 2 2 国内无线传感器网络的研究现状 首次j 下式启动出现于1 9 9 9 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，该领域的五大重点项目之一。2 0 0 1 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w s n 的相关 工作。 最近几年，我国国家自然科学基金委员会资助了很多w s n 研究项目，包括重 点项目和面上项目。2 0 0 4 年，将一项无线传感器网络项目( 面上传感器网络的分布 自治系统关键技术及协调控制理论) 列为重点研究项目。2 0 0 5 年，将网络传感器中 的基础理论和关键技术列入计划。2 0 0 6 年将水下移动传感器网络的关键技术列为 重点研究项目。国家发改委下一代互联网( c n g i ) 示范工程中，也部署了w s n 相关 的课题。在一份我国未来2 0 年预见技术的调查报告中，信息领域1 5 7 项技术课题 中有7 项与传感器网络直接相关。2 0 0 6 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w s n 的研究直接相关， 即智能感知技术和自组织网络技术。我国2 0 1 0 年远景规划和“十五 计划中，将 w s n 列为重点发展的产业之一。 我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电 子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、 北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展 了传感器网络的研究，2 0 0 4 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工 作中来。 1 3 本文研究的目的和意义 综上所述，无线传感器网络具有广泛的应用前景，尤其是在军事、工业、农 业等领域，世界各国都在抢占无线传感器网络这项技术的制高点。从总体来讲， 国内关于传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是出于传感器网络是一门 新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来尘活影响 深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济以及国防现代化建设都将有重 大的战略意义。 第4 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 1 4 本文的主要工作和结拇 本文在了解无线传感器网络结构和关键技术的基础上，着重研究并设计了基 于c a n 总线的无线射频传感器网络软硬件系统，并对传感器网络的功耗进行了分 析。在满足系统需求的情况下，从节省能耗角度出发，提出了针对系统在芯片选 型、电路简化、软件算法方面功耗优化的些可行性方法。文章内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题研究背景，研究目的和意义，以及国内外相关 研究工作。 第二章概述介绍了无线传感器网络和现场总线技术，主要介绍无线传感器网 络的结构、关键技术和c a n 总线技术规范及应用。 第三章是系统的硬件设计部分，完成了芯片选型和系统各个模块具体的电路 设计，给出了网关节点和无线传感器节点各个部分的详细电路图。 第四章介绍了系统的软件设计，包括无线通信模块的软件设计、网关节点的 数据控制模块、c a n 总线通信模块的软件设计以及无线传感器节点的数据采集的 软件设计等，给出了系统整体流程图。 第五章分析了无线传感器网络节点的组成及功耗，并介绍了降低系统功耗所 采用的各种方法，研究了d p m 算法，最后进行了系统的性能测试。 第六章总结本文所做的主要工作，分析了存在的问题，并对后续工作进行了 展望。 第5 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 第二章无线传感器网络和c a n 总线技术概述 2 1 无线传感器网络概述 信息技术的发展使我们实现了对信息的海量存储、高速传输和快速处理。但 是，对信息的获取龆仍未达到自动化的水平，这就大大限制了人们对外部世界的 实时反应能力。随着传感器、计算机、无线通信、微机电等技术的发展和相互融 合，一种可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集的无线传感器 网络就应运而生，无线传感器网络是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线 通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络。它独立于基站或移动路由器 等基础通信设施，通过分布式协议自组成网络。无线传感器网络是传感器向微型 化、智能化和无线通信化的延伸。 2 1 1 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络结构【3 1 1 】包括平等和层次化两类。平等结构中，所有节点都是 对等的，在形态和功能上都是相同的。当节点形成层次化结构时，特定层次的节 点针对下一层次的部分节点完成特定任务。虽然平等结构中各节点的完全互换性 质具有很多优点，但实际中传感网络很少采用平等结构。传感网络一般通过少量 的“网关”节点与一个更通用的网络相连，该网络具有消除冗余数据、复杂计算、 数据缓冲和最终的数据传递等功能。根据传感器节点在使用是否移动，可将无线 传感器网络分为静态网络和动态网络，其中大多数是静态网络。在静念网络中， 传感器节点被随机地或按一定要求布置在监测区域内，并根据用户的要求，可对 温度、湿度、噪声、光强度、压力等环境参数进行测量，或者感知物体的运动速 度和方向等。在动态网络中，传感器节点一般被安置在可移动的物体上，如车辆 或被监测的动物，它将随物体的移动而移动，无线传感器网络中有一个特殊节点， 称为汇聚( s i n k ) 节点，它是中心处理节点，也称网关节点。该节点可向区域内的传 感器节点发送数据采集命令，并接收和处理传感器节点传送来的数据。一个典型 的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、网关节点、互联网 和用户界面等，如图2 1 所示。 第6 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 ，一一、j ，7 、二一、一 八一， i 、。 ， ： 一一一 7 一一+ k k 。 、互联倒和卫肇么一| 汇聚节点_ 7 。7 _ j 一 。、一一。o ， 卫一 监翔遮域 传瘩器节点 ；管理节点i 大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自 组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输， 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到网关节点，最后 通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管 理，发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处 理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他 节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的 重点。 网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络 与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点 的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。网关节点既可以是一个具有增 强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没 有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 典型的无线传感器网络节点般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块、 无线收发模块组成，如图2 2 所示。 图2 2 典型的无线传感器：1 1 点组成模块 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；数据处理模块负责控 制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据； 无线收发模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数 据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 2 1 2 无线传感器网络的特点 。；j 无线传感器网络是一种“智能 网络，具有其自身的优势的同时也存在很多 需要解决的问题，因此，无线传感器网络的研究和应用都具有很大的挑战性，其 主要特点【i o 1 2 】有： ( 1 ) 通信能力有限。传感器节点的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只 有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于传感器 网络更多地受到地势地貌以及自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络， 离线工作。因此，如何利用有限的通信能力高质量地完成感知任务是设计人员面 临的重要挑战。 ( 2 ) 电源能量有限。传感器由于电源的原因经常失效或废弃。而在大多数应用 中，无法给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用( 死 亡) 。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。 ( 3 ) 计算存储能力有限。传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器，由于这些 器件的限制，传感器的计算和存储能力十分有限。 ( 4 ) 网络动态性强。网络中的传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性， 并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此，网络的拓扑结构动态变化。而且 网络一旦形成，人们很少干预其运行，加之物理环境不确定性的影响，使整个系 统呈现高度的动态性。传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通 信协议必须具有可重构和自适应性。 ( 5 ) 自组织，无中心，多跳路由。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网 络设施，节点协调各自的行为，开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。网 络中节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行 通信，则需通过中间节点进行路由。传感器网络的多跳路由是由普通网络节点完 成的，没有专门的路由设备。 ( 6 ) 节点没有统一的标识。传感器网络节点没有一个全局性的标识，如i p 地址 等。每个节点仅仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之 间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。 ( 7 ) 传感器数量大、分布范围广、体积小、成本低。传感器网络的传感器节点 第8 页 国防科学技术火学研究生院硕+ 学位论文 一 密集，数量巨大。此外，传感器网络可以分布在很广的地理区域，维护十分困难 甚至不可维护。传感器各部分集成度很高，具有体积小的优点，从应用的角度出 发，要求传感器网络具有低成本。 ( 8 ) 数据管理与处理是传感器网络的核心。传感器网络的核心是感知数据，而 不是网络硬件。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。在传 感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以，传感器网络是一种以数 据为中心的网络，其基本思想是：把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传 感器网络视为感知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用且 标。此外，出于传感器节点分布很密集，相邻节点之间的感知数据具有很强的相 似度。对于一些具体的传感器网络，工作环境非常恶劣，再加上节点分布密集， 环境噪声干扰和节点之闻的相互干扰更强。 跟无线m e s h 网络相比，无线传感器网络的业务量较小，无线m e s h 网络业务 量较大，主要是i n t e m e t 业务( 包括多媒体业务) ；无线传感器网络移动性较强， 因而能源阎题是无线传感器网络的主要问题，而无线m e s h 是固定的，即使移动其 移动性也很小，所以可以直接由电网供电，故其节点能量不受限制。 无线传感器网络是无线a d h o c 网络的一种典型应用，虽然它具有无线自组织 特征，但与传统的无线自组织( a d h o c ) 网络相比，又有一些不同之处，它们之 间的主要区别有以下几点： 在网络规模方面，无线传感器网络包含的节点数量比a d - h o c 网络高几个数量 级。 在分布密度方面，无线传感器网络节点的分布密度很大。 由于能量限制和环境因素，无线传感器网络节点易损坏出故障。 由于节点的移动和损坏，无线传感器网络的拓扑结构频繁变化。 在通信方式方面，无线传感器网络节点主要使用广播通信，而a d - h o c 节点采 用点对点通信。 无线传感器网络节点的能量、计算能力和存储能力受限。 由于无线传感器网络节点数量的原因，无线传感器网络节点没有统一标识。 无线传感器网络以数据为中心。 2 2c a n 总线概述1 1 3 l c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 1 4 唧控制器局域网，是国际上应用最广泛的 现场总线之一。c a n 是一种多主方式的串行数据通讯总线，基本设计规范，有高 的位速率，高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误，当信号传输距离达 到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。作为一种技术先进、可 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，c a n 已被广泛应用到各 个自动化领域，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用c a n 总线。例如， 在汽车工业、航空工业、工业控制、自动控制、智能大厦、电力系统、安全防护 等各个领域，c a n 总线都具有不可比拟的优越性。 1 c a n 技术简介 c a n 协议是建立在国际标准化组织的开放系统互连模型基础上的，不过其模 型只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传 输介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。c a n 可提供高达1 m b p s 的数据传输 速率( 此时通信距离最长为4 0 m ) ，直接传输距离最远可达1 0 k m 。c a n 总线通信 接口集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的帧处理， 包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等。c a n 协议的一个最大 特点是废除了传统的站地址编码，而对通信数据块进行编码。采用这种方法可使 网络内的节点个数在理论上不受限制，但在实际应用中，节点数目受网络硬件的 电气特性所限制，一般在同一网络中允许挂接l1 0 个节点。数据块的标识码可由 1 1 位或2 9 位二进制数组成，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接 收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用【1 6 m 。 c a n 的信号传输采用帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，可满足通常工业 领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求；同时8 个字节不会占用总线 时间过长，从而保证了通信的实时性，而且受干扰概率也很低。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。当节点严重错误 时，具有自动关闭功能，以切断节点与总线的联系，使总线上的其他节点及通信 不受影响，具有较强的抗干扰能力。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设 计使其特别适合工业过程监控设备的互连【1 4 】。 2 c a n 总线的起源和发展 2 0 世纪8 0 年代初期，由于欧洲汽车工业发展的需要，最先由德国b o s c h 公司 提出c a n 总线方案以解决汽车控制装置间的通信问题。当时，由于消费者对于汽 车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电 子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出c a n 总 线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不 断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以 被挂接在该总线上，1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 11 8 9 8 ( 高速应用) 和 i s 0 11 5 1 9 ( 低速应用) 【1 5 】。 3 c a n 总线的特性 c a n 总线的通信网络，与其他通信网络的不同之处在于：一是传送中不包含 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 _ t - - - - 目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符 过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用，其好处是可在线上挂总线或脱离总 线、即插即用、主动发送和多站接收l 二是特别强化了对数据安全性的关注，满 足控制系统以及对数据有较高要求的系统的需求。其主要特性如下： 低成本的现场总线； 极高的总线利用率： 很远的数据传输距离( 长达1 0 k i n ) ； 高速的数据传输速度( 高达1 m b p s ) ； 多主结构依据优先权进行总线访问； 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制； 发送的信息遭到破坏后可自动重发； 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示