南京邮电大学毕业设计开题报告.doc

南京邮电大学毕业设计(论文)开题报告题目无线传感器网络节点的设计学生姓名廖开班级学号B03060338专业电子科学与技术1. 课题任务的学习与理解无线传感器网络节点实质上就是一个传感器单元，主要是为了实现无线监测的目的而设计的。大量的传感器节点通过无线通信的方式构成一个较大的传感器网络，从而可以实现更为强大的功能。一个典型的无线传感器网络如下图所示：从图中来看，这个课题的内容主要是完成其中的2号路由节点和3号传感终端节点的设计，其兼具路由和传感器的功能。当然，为了进行比较完整的实际测试，也(转附页)指导教师批阅意见（内容采用小四号宋体，行距18磅，请在意见最后表面是否同意开题。签署时间为实际时间，推迟完成的报告请在过程检查表中说明原因并对进度作相应调整。） 指导教师(签名)： 年 月 日（接附页）可能会涉及到图中1号无线控制节点的设计，它可以看作是计算机控制系统的收发端。为了降低设计的复杂程度，我们可以利用一台计算机、一个具有无线接收（发送）功能网络控制节点以及一个传感器节点（综合了图中3号终端节点和2号路由节点的功能）来构成一个最简单的无线传感器网络。2. 课题调研综述无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成，如下图所示。传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。因为无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽可能延长无线传感器网络的寿命。由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、AMPS系列、XYZnode、Zabranet等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器。常用的无线通信协议有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定义协议；处理器从4位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的单片机，典型的是WiseNet。2.1 处理器单元处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。从处理器的角度看，无线传感器网络节点基本可以分为两类：一类采用以ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其处理能力也强很多，适合图像等高数据量业务的应用，也适合作为网关节点。另一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，但是能量消耗功率也很小。本课题的设计要求比较低，采用能耗较小的低端微控制器是合适的。2.2 无线通信单元可以利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，常用的无线通信技术有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段。在无线传感器网络中应用最多的是ZigBee和普通射频芯片。在本课题的设计的也将首选这两种芯片，具体选择哪种还要进一步考虑其他的相关因素。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。普通的射频芯片也是一种理想的选择，可以自定义通信协议，比较有代表性的MAC协议有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由协议有Gossiping、SPIN协议、LEACH协议、TEEN协议等。2.3 电源单元电池种类很多，电池储能大小与形状、活动离子的扩散速度、电极材料的选择等因素有关。无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要，电路模块的效率也至关重要。按照能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池和锂电池、锂聚合物电池等。一般不可充电电池比可充电电池能量密度高，如果没有能量补给来源，则应选择不可充电电池。在可充电电池中，锂电池和锂聚合物电池的能量密度最高，但是成本也比较高，镍锰电池和锂聚合物电池是唯一没有毒性的可充电电池。另外，无线传感器网络节点一般工作在户外，也可以利用自然能源来补给电池的能量。自然界可利用的能量有太阳能、电磁能、振动能等。当然，由于利用自然能具有相当的难度，本课题的设计基本上是不会采用这种方式的。综合来看，选择普通的不可充电的电池比较好，具体参数要根据电路设计来确定。2.4 传感器单元传感器种类很多，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量，将这些环境变量转变为可供测量的信号。相对于常规的传感器，课题的设计中更多的会涉及到的是现成的集成设计的微型传感器，至于传感器的具体工作原理，我们并不关心，我们只要知道用就可以了。考虑到整个节点由电池供电，必须选择体积小、低功耗、外围电路简单的传感器。如果是实际应用，完全可以直接采用不需要信号调理电路的数字式传感器，而在我们的课题设计中，则应当尽量不要使用数字式传感器。传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。对于小电流工作的传感器，可由处理器I/O口直接驱动，可以减少能量消耗。对于大电流工作的传感器，I/O口不能直接驱动传感器，通常使用场效应管来控制后级电路能量输入。当有多个大电流传感器接入时，通常使用集成的模拟开关芯片来实现电源控制。3.