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智能 环境监测 无线 传感器 网络 节点 设计

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淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：王丽霞学 号：1071302203专 业：通信工程设计(论文)题目：智能环境监测无线传感器网络节点设计指 导 教 师:胡荣林2011年2月27日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述1 研究背景无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域1。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价小型或微型无线传感器网络节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织智能网络系统2。传感器网络综合了传感器技术、嵌人式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，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，通过嵌人式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现无处不在的计算理念1。其应用前景非常广阔,现正逐步深入到人类生活的各个领域3,比如国防军事、反恐抗灾、环境监测、交通管理、工程安全、医疗护理、建筑结构、健康监测等。环境监测是一类典型的无线传感器网络应用,如加州大学伯克利分校计算机系的Intel实验室和大西洋学院联合开发了一个名为“in-situ”的利用无线传感器网络监测海岛生态环境的项目,并在大鸭岛(GreatDuck Island)开展了对海燕栖息地生态环境的研究。实际上,无线传感器网络就是在特定应用背景下,以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合。因此传感器节点不仅是网络硬件系统的主体,而且也是整个网络软硬件系统最主要和最核心的部分3。很多监测由于野外环境比较恶劣或者由于人工控制不准确，环境信息不能很好的掌握，比如森林监测、火光监测、油库监测、大棚监测、车间监测等，不适合搭建有线网络。智能环境监测能够发挥无线传感器网络的低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，更方便的监测其环境的温度、湿度、人员接近以及是否有火源危险的各种环境数据信息，自动传送到数据库。一旦出现温湿度偏高、偏低、外来人员或火源危险的信息，就会发出报警信息。因此，对智能环境监测无线传感器节点设计的研究在环境监测中有很大的应用价值和前景。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2 课题概述本课题从环境监测的应用考虑，研究一个智能环境监测无线传感器节点设计，通过温度、湿度、人体和火源传感器行成自组式网络并进行数据信息的采集，采集的数据经过Zigbee协议的CC2430 芯片来进行处理。随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督提出更高要求，越来越多的企业和机构致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术。无线传感器网络系统与传统的有线传感器网络相比，具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适用于对布线困难、人员不能到达的区域和一些临时场合的状况进行远程监测4。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集、量化、处理融合和传输应用的功能5。无线传感器网络不仅可以对环境进行监测，还可对指定区域信息进行查询，这些特点是传统监测系统所不具备的。与传统的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著的优势：一是网络的自组织性提供廉价而且快速部署网络的可能；二是现场采集的数据可通过中间节点进行(路由)传送，在不增加功耗和成本的前提下，可将系统性能提高一个数量级；三是网络的健壮性、抗毁性满足了某些特定应用的需求。WSN技术是应用性非常强的技术，它在当前环境监测系统中的应用潜力是巨大的5。3 国内外研究发展现状目前，由传感器、微处理器和无线通信接口组成的无线传感器网络得到了空前的发展6。由大量的无线传感网节点自组织组成的无线传感网能够广泛应用于环境科学、医疗健康、空间探索、智能家居、军事、交通、采矿和灾难拯救等各个领域，无线传感网已成为下一代“计算无处不在”的关键技术。很多人都认为，这项技术的重要性可与因特网相媲美。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感网列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一7。(1) 无线传感器国外发展现状传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从2000年起，国际上开始出现一毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告些有关传感器网络研究结果的报道。目前传感器网络已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和Intel公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通信的设备原型的研制。物联网概念的兴起，使得一些国际著名公司和组织对此投入了极大的热情。标准化上，著名的标准化组织发布的IEEE 802.15.4标准，是面向低成本、低功耗、低速率传输网络应用开发的专用无线通信协议，它详细定义了PHY和MAC层通信接口，从趋势上看，很可能成为未来无线传感网领域的PHY/MAC标准；ZigBee联盟制定和设计了实现传感器节点组网的ZigBee协议规范。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如TI、Atmel公司的处理器芯片、Chipcon公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系TinyOS，为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础7。(2) 无线传感器国内发展现状我国的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感网的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感网方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感网研究的行列7。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发7。(3) 国内外环境监测无线传感器网络的系统设计与应用在研究环境监测时，一些研究通过传统方式采集原始数据时很困难，而无线传感器网络对其研究则提供了方便。应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需要更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素。WSN非常适合于自然环境中的灾害预警、生态监测及特定对象的数量监测等方面的应用。这类应用一般需要大地理范围的网络部署，很多项目都需要较长周期的数据获取8。环境监控应用的典型案例有：夏威夷大学在夏威夷火山国家公园部署了WSN进行生态环境监测，用来监测那些濒临灭种的植物所在地的微小气候变化，以揭示为何特定物种只能生存在某些特定环境中9。韩国研究人员将WSN部署到山地旅游区，来监测旅游者的数目 10 。监测海燕生存环境及其在气候变化时行为的GDI项目11。该系统将传感器获取的温度、湿度和气压等环境信息以多跳路由的方式发送到监测管理中心，管理中心使用这些信息可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视其活动和生存环境。美国学者将无线传感器网络放置在葡萄园中12。通过对葡萄园环境的监测来提高作物的品质。研究者通过与农业领域的专家合作，分析了湿度、温度和病虫害对葡萄成熟度和品质的影响。澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况13。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研人员将采集到的信号在毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告结点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发挥控制中心。通过处理，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。美国研究者在华盛顿东部的农场部署了环境监测无线传感器网络14。该系统除了自身的监测功能外还与相应的控制系统相结合，当测得的环境温度低于某个预先设定的临界值时，系统可以自动启动温控设备，防止出现冻害。国内学者研制了用于煤矿环境监测的环境监测的无线传感器网络系统15。该系统基于加州大学伯克利分校的TMote SKY节点和Tiny OS操作系统，可以用来监测煤矿内部的环境变化，同时还能实现矿工的定位。重庆大学的研究者将无线传感器网络应用到了西双版纳的自然保护区内16。该系统结合了GPRS、GIS、红外夜视和GPS等技术，实现了自然保护区生态环境信息的监测、动物活动路线规律的跟踪、新动物的发现、火灾等自然灾害的预警、以及巡护管理等功能。上海交通大学自动化系17基于气体污染源浓度衰减模型，开展了气体源预估定位系统。电子科技大学、中国空气动力研究与发展中心以及北京航天指挥控制中心的研究人员，利用无线传感器网络进行大型风洞测控环境的监测，对旋转机构，气源系统、风洞运行系统，以及其他没有基础设施而有线传感器系统安装又不方便或不安全的应用环境进行全方位检测17。武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用，对车厢内的空气质量、安全隐患等等进行全程检测17。北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络的一个测量控制区，采用不同的传感器节点构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等，来获得农作物生长的最佳条件，为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器、执行机构标准化、数字化、网络化，从而达到增加作物产量、提高经济效益的目的17。近几年随着无线传感器网络的不断发展，以及软硬件设备的逐渐成熟。世界范围内环境监测领域无线传感器网络的应用越来越广泛，新技术和新想法不断涌现，相信在环毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告境和农业监测领域会有广泛的应用前景。4 对于智能环境监测无线传感器网络节点设计研究的思考本课题从环境监测无线传感器网络节点设计出发。通过微型传感器节点（温度、湿度、人体和火源）组成的传感网络，研究人员可以对感兴趣的环境进行不间断的高精度数据搜集。通过传感器节点传输回来的环境数据，对环境现场实施监控以达到控制环境的目的。处理速度较快的CC2430芯片实现将信息采集节点的数据进行接收处理，并采用ZigBee协议将处理后的信息及时发布到Internet，以便Web服务器获得实时数据，监控各传感器节点的实时情况，保证实验环境所需的要求。智能环境无线传感器网络节点设计的研究不需要昂贵的设备和复杂的布线，却能很好的实现智能环境的控制，能让研究人员精确掌握环境变化，无需派人现场维护，具有很实际的应用价值，为环境监测提供了一个智能化、简单化、信息化的设计。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告4 参考文献1刘永强,郑宾.用于环境监测的无线传感器网络节点设计J.数字通信世界,2008年:81-83.2杨光,杨波.面向环境监测的无线传感器网络节点设计.单片机与嵌入式系统应用,2008年,第3期:38-40.3王雪梅,徐本崇,陈俊杰.用于环境监测的无线传感器网络节点的设计与实现J. 测控技术,2007年,第26卷第11期:1-3,6.4 李战明,李泉,殷培峰.基于Zigbee的环境监测无线传感器网络节点设计J.电子测量技术, 2010年06月,第33卷第6期:188-122.5 范波,苗伟.无线传感器网络及其在环境监测应用概况J.通信技术,2009年,第12期,第42卷,总第216期:170-172. 6 曹明华.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用D.甘肃：兰州理工大学,2009年.7 顾振宇.无线传感网国内外现状OL. 2010年09.14/publish/portal0/tab1023/info5999.htm8荆琦,唐礼勇,陈洲峰,王昭.无线传感器网络应用支撑技术研究J.计算机科学，2008,35(3):22-279 Edoardo Biagioni,Kim Bridges.The Application of Remote Sensor Technology to Assist The Recovery of Rare And Endangered SpeciesJ.International Journal of High Performance Computing Applications,Vol.16,No.3(2002),315-32410 Byungrak Son,Yong-Sork Her,Kyuwon Shim,Jung-Gyu Kin.Development of an Automatic People-Couting and Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Network in Real Time;To realize in Korea MountainsJ.In: 2007 International Conference on Multimedia and Ubiquitous Enginerring(MUE07),579-58411 Mainwaring A,Polastre J,et al.Wireless sensor networks for habitat monitoringJ.In:ACM Inter Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications(WSNA02),Atlanta,GA,2002,88-97毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告12 Richard Beckwith,Dan Teibel,Pat Bowen. Unwired Wine:Sensor Networks in VineyardsJ.Sensors,2004.Proceedings of IEEE,561-56413 Wen Hu,Nirupama Bulusu,et al.A hybrid sensor network for cane-toad monitoring.In:Proceedings of the 3rd international conference on Embedded networked sensor systemsJ.San Diego,California,USA,2005,305-30514 F.J.Pierce,T.V.Elliott.Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems in Eastern WashingtonJ.Computers and electronics in agriculture 61(2008),32-4315 Xiaodong Wang,Xiaoguang Zhao,Zize Liang,Min Tan.Deploying a Wireless Sensor Network on the Coal Mines.In:Proceeding of the 2007 IEEE International Conference on NetworkingJ,Sensing and Control,London,UK,15-17 April 2007,324-32816王韬,苏勤亮,唐松,唐浦钊.自然保护区生态多样性监测系统研究J.计算机应用.2007,27(6):400-40517 CEC控制工程.无线传感器网络的应用趋势OL.2010年12月. /cec/cn/newsinfo.aspx?pid=42824毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1 智能环境监测节点设计方案图2-1 智能环境监测节点设计图如图2-1，无线传感器网络节点完成数据采集功能，由部署在监控区域内的大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络。无线传感器节点采集数据信息，通过WSN传送出去，以获得相关的实时信息，了解研究环境数据，并作出相应处理。温度采集模块利用灵敏传感器精确采集温度信号，经过A/D转换成数字信号以电信号的形式通过导线传送给单片机。湿度采集模块利用时敏传感器感知环境湿度的变化，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。经湿敏传感器与单片机相连，测试出周围环境的湿度变化。红外人体感知模块利用红外热释电传感器，感知人体辐射出的红外线进行对人的判断，并根据相应的环境情况作出判别，判断是否进入危险区，并相应的作出反应或示警。红外火源探测模块利用红外热释电温度传感器感知监控区域内红外变化，通过传感器的温度变化量判断环境中是否存在危险火源。数据收发模块接收和发送信息，通过单片机处理各信息采集节点发送过来的信息，并将处理后的信息采用ZigBee协议发送至网关节点，完成信息的收发过程。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2 问题以及拟定的解决方案对智能环境监测无线传感器节点设计的研究包括两个方面：节点的硬件设计和采集传感器节点的应用程序的编写。问题一：节点的硬件设计方案：确定设计所用芯片及元器件，采用DXP 2004制电路图，电路设计与连接，将编写的程序下载至硬件模块，测试并调