无线传感器网络节点设计与实现-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：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 :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 述新开发的物联网（the Internet of Things）技术作为一种能够实现物与物之间广泛和普遍互联的新型网络，正受到世界各国越来越广泛的关注和重视 1。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）作为物联网的“神经末梢” ，是一种综合采集、处理和传输功能于一体的智能网络信息系统。业界认为这将是信息产业的又一次革命，它将会给人们的日常生活带来翻天覆地的变化 2。无线通信技术的飞速发展、目前传感器家族的不断扩大和健全、计算机技术的日益进步和微电子技术的突飞猛进，都给无线传感器网络的发展提供了强有力的支持 3。无线传感器网络以其自身的绝对优点收到了国内外各界的广泛关注。如果说互联网的出现改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络的出现将改变人类与自然界之间的交互方式 2。因此，无线传感器网络在民用和军事领域具有十分广阔的应用前景。一 无线传感器网络研究背景与意义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 1。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，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心 4。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。其中较为典型的节点有：美国DARPA支持下开发的 SmartDust和NEST项目开发的 Telos节点，加州大学Berkeley 分校的Mica 系列节点 25。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，其中包括无线传感器网络 67。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。我国学者非常重视无线传感器网络方面的研究，迄今为止，中科院的一些研究所，我国的部分高校如清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、南京邮电大学、西北工业大学等开始多无线传感器网络的基础理论、节点平台、操作系统和无线传感器网络的应用进行了较系统化的研究，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 4,东北大学沈阳市无线传感器网络重点实验室基于ATmega128L 和 cc2420 自主设计了一个温度的无线传感器网络 8。2002 年开始，国家自然科学基金委（NFSC）连续资助了一系列有关无线传感器网络的研究项目，同时还启动了“面向传感器网络的分布式系统关键技术协调控制理论”等重点项目。2006 年，国家重点基础研究发展计划（“973”计划）和国家高技术研究发展计划（“863”计划）都各自资助了有关无线传感器网络的研究项目 2。总体来讲，国内外研究机构纷纷开展的无线传感器网络研究，完全归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。二 声节点无线传感器的优点无线传感器网络具有目前所有数据采集、传输、处理设备所没有的绝对优点，这一概念刚提出就受到了国际上各界的广泛关注。无线传感器网络的关键技术在于如何利用各种无线传感器作为节点，通过无线通信协议进行互联，以解决怎样感知和获取物理世界信息的问题 2。无线传感器网络中对检测区域的目标定位至关重要，事件发生的位置和网络中节点自身的位置信息，是节点监测的重要任务之一，通过网络获取的消息必须和节点位置相结合才有使用价值，因此定位技术成为无线传感器网络中研究领域的一个热点 9。现阶段网络节点定位通用手段为节点自身发出信号，然后等待接收反馈回来的信号，所利用的信号大多受外界干扰比较大，耗能较高。本次课程设计研究的无线声音节点传感器，不受电子干扰，也不受通视度和能见度的限制，只有监测区域内有发声体存在时，传感器节点才会处于工作状态，并对其定位，受外界干扰比较小。而且，声音节点传感器属于无源探测传感器，不主动向外发射信号，耗能低，而且不易被反侦察 10。由于传感器节点装有无线收发模块，所以该装置在一些不便于使用有线或消除有线连接的场合有了用武之地，同时无线收发模块可以使节点之间互相通信，实现自组织性和自定位功能。自带电源模块能为节点提供能量，使其无需基础设施支持，并且节点自身有良好的鲁棒性，生存能力极强，所以节点可以被随意的散布在任何需要监测的区域，布置方便，可以通过飞机或火箭散播的方式进行大面积反复布置，使得信息获取更加方便、快捷和廉价 1112。无线传感器网络可以是一个非常庞大的体系，对其中的节点个数和检测区域内节点密度无最大限制，而且网络本身具有良好的容错性，由于网络中任一节点由于外界因素或自身因素致使发送消息有误时，对整个网络的定位功能和其余性能不会产生影响或影响很小，而且网络中允许少部分节点提前退出服务 1314。三 声音节点无线传感器网络的应用声音节点的无线传感器网络的应用与其他传感器网络类似，有着广泛的用途，在此只做一部分介绍。在军事领域它有着不可替代的地位，现阶段的雷达防御系统对低空超低空飞行探测目标是一个弱点，该种传感器可用于低空、超低空探测雷达，而且，它自身体积小和不主动发射信号，使其不易被反侦察，组网也扩大了警戒范围，定位跟踪也更准确1516。耗能小和良好的鲁棒性的优点，使其可以通过飞机或火箭方式散播于冲突地区，并且长时间放置，战场信息获取更加方便、快捷和廉价 10。同时，在对地面目标的监测，它也有着绝对的优势。利用该声音节点无线传感器网络的定位和跟踪技术，可以将其散布在部分交通要道，车辆进入监测区域后，传感器节点对其探测、识别、定位和跟踪，进而达到测速效果，取代传统的耗能较大，且安装不方便的测速装置 17；利用其定位功能，安装在耳聋者或听力薄弱的老年人的居住环境中，能够帮助他们识别是否有人来访，同时也适用于家庭防盗 18；此装置也可用于国家自然森林保护区对稀有动物的探测、识别与跟踪，为森林工作人员提供详细地信息，使得动物保护快捷有效；机动车辆内部也可以安装该中无限传感器节点，用于检测车内零件有无故障，定位故障发生点。无线传感器具有体积小，成本低，无需基础设施的支持等优点，尤其声音节点无线传感器属于无源探测传感器，耗能小，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，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。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彭力. 无线传感器网络技术M.北京：冶金工业出版社，2011,01.2邓军，张宝贤.无线传感器网络技术M.北京：机械工业出版社，2012,06. 3颜学明. 多类型无线传感器网络节点的研究与设计.硕士学位论文.南京邮电大学.2009.03.4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，2011，045Kerem Kucuk,Adnan Kavak.Scalable location estimation useing smart antennas in wirelss sensor networksA.Ad Hoc Networks.2010,04.6Geoff V.Merrett,Nick R.Harris,Bashir M.Al-Hashimi.Energy managed reporting for wireless sensor networksA.ScienceDirect.2007,04.7Alan F.Smeaton,Michael McHugh.Event detection in an auto-based sensor networkA.Mutimedia Systems.2006,09.8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)，2009，069 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2008,0510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，2010,0911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，2012，08 12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，1009-914X13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，2008，1214孟令军，王建，潘峰.基于 TDoA 定位机制的无线传感器网络节点设计A.传感器与微系统 .2009,06.15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，2007,0616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，2009,0717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2007,118袁弟声传感器在室内设计中的应用A科技资讯，2006,11 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）当前国内外典型的无线传感器网络节点之间的数据传输协议大都采用 ZigBee 协议，它是一种短距离、低速度、低功耗、低成本和低复杂的无线传输协议，本次设计的无线传感器网络节点也将根据此协议设计。传统的节点设计者在开发应用层框架中都采用各自指定的微处理器芯片，由于设计者采用的技术有差异，导致设计和日常维护会发生兼容性问题。为此，采用功能模块分离思想，即将节点中的数据处理模块和通信模块分离为独立模块的思想，可以使节点的开发和维护更加灵活和快捷。本次设计的网络硬件节点有助于扩展不同类型的传感器，非常适合未来多样化测量任务的需求。作为能够实时传输音频信号的无线传感器网络节点，除了应具有常规的处理器模块、无线通信模块、能量供应模块，还需要加入调理电路和编解码模块，调理电路用于实现音频信号的滤波和放大作用。信 号 采 集 模 块麦 克 风 （ 1 6 ）调 理 电 路（ 实 现 音 频 信 号的 滤 波 和 放 大 ）音 频 解 码 模 块（ A / D 转 换 器 ）数 据 处 理 模 块（ 采 用 F P G A 与D S P 相 结 合 )无 线 通 信 模 块能 量 供 应 模 块在目前国内外比较成熟的无线传感器网络节点的设计中大都采用了 FPGA 与微处理器相结合的方式实现数据的处理功能，其中，FPGA 用于数据处理，微处理器用于实现功能。FPGA 有较强的并行数据处理能力，能够满足复杂多变的现场数据处理和控制要求，使用、配置自由灵活。而且，FPGA 是一种现场可编程门阵列，在其内部加载一定的程序，就会实现相应的硬件功能，使用 FPGA 大量的缩短了硬件设计的时间，提高了工作效率，深受硬件设计者的青睐。目前电子市场上微处理器的种类比较多，常用于节点设计的处理器有不同系列的单片机、ARM 处理器和 DSP。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。本次毕业设计采用 FPGA 与 DSP相结合的方式作为数据处理模块。节点作为无线传感器网络的重要组成部分，其主要功能是实现自身定位和目标跟踪定位。自身定位是用于确定节点自身的位置坐标，为目标跟踪定位提供一个绝对坐标，本设计拟采用 GPS 方式实现自定位功能。现有的目标跟踪定位方法较多，基于 TDOA 的定位方法，比较适用于声音节点的无线传感器网络的定位，其定位方法简单，数据处理少，定位精度比较高，耗能小，比较容易实现。目标跟踪定位得到目标与节点之间的相对坐标位置，结合自身定位坐标，得到目标的绝对坐标，从而实现真正意义的目标定位。 毕