开题报告基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计.docx
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开题报告基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计
宁波理工学院
毕业设计（论文）开题报告
（含文献综述、外文翻译）
题目基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计
姓名丁春潮
学号3050123035
专业班级05自动化2班
指导教师何小其
分院信息科学与工程分院
开题日期2009年03月6日
文献综述内容
基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计
近年来，随着传感器、计算机、无线通信、微机等技术的发展和相互融合，人们终于可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集，这就是无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）。
无线传感器网络是是一种特殊的Ad-hoc网络[1]，它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动组织方式形成的网络。
他独立于基站或移动路由等基础通信设施，通过分布式协议自组成网络。
传感器网络中的传感器节点主要有两类：
普通传感器节点和汇聚节点。
汇聚节点（Sink）为一个特殊节点，他是中心处理节点，也称网关节点。
该节点可向区域内的普通传感器节点发送数据采集命令，并接受和处理普通传感器节点传来的数据。
1国内外情况分析
1.1国内外研究背景
传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，最早用于战场信息的收集。
从21世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，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，特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络的研究。
在军事领域，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，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。
在民用领域，美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目计划”，预计到2025年全面投入使用，该计划试图有效集先进的信息技术、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。
在学术界，由于传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算机技术、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，美国所有著名院校都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。
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、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。
1.2Wsn在国内外的形势
无线传感网络涉及传感器技术、微系统技术、计算机技术、通信技术等领域，是集分布式信息采集、信息传输和信息处理于一体的网络信息系统，具有低成本、微型化、低功耗、灵活组网方式等特点，广泛用于军事防御、国家安全、环境科学、交通管理、反恐维护、灾害预测、智能城市建设等领域，受到国防部门、学术界、工业界的极大关注。
由于无线传感器技术目前处于起步阶段，技术走向成熟还有一段时间。
当前研究状况如下：
美国军方：
C4KISR计划、SmartSensorWeb、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等。
NSF：
2003年制定了传感器网络研究计划。
英国、日本、意大利等国：
开展该领域的研究工作。
我国也开展了这一领域的研究工作：
无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。
研究的学科交叉性不断增强，涉及电子工艺、无线通信和计算机网络。
在无传感器的关键技术方面：
拓扑结构控制、时间同步、定位技术和自动组网等方面。
国内对协议的研究很多基于NS-2或OPENT仿真环境进行。
国内对协议的研究，从理论的角度进行各种算法比较和总结。
在传感器技术、通信协议和采集数据的查询上，取得一些初步研究成果，但仍有大量没有涉及的问题。
因此，无线传感器网络从理论完善到工程实践存在大量需要研究的问题。
2存在的问题
无线传感器网络因为其在应用中面临的严重挑战而成为信息工程领域最引人关注的研究课题之一。
在对该领域详细分析后，其在设计方面面临的挑战主要有以下几个方面：
（1）生存时间：
无线传感器节点由于受到电池能量影响而在使用寿命上被严重限制。
目前的碱性原料电池还不能保证节点连续工作一个月的能量消耗，对于有需要长时间监测和不易更换电池需求的大型传感器网络有较大差距，这也是目前多数研究者在研究传感器网络协议时将能效作为网络设计首要目标的原因。
生存时间的问题可通过硬件技术和网络构架技术两方面加以该进。
从硬件技术上来讲，涉及到工业设计等许多问题。
（2）鲁棒性：
提供大范围的高质量覆盖应用是无线传感器网络的重要使命。
在此类应用中，传感器、通信节点等设备成本低廉。
正因如此，这些设备并不非常可靠而且在某些情况下的误差较大，保持鲁棒性是确保整个网络系统在少数节点发生错误后仍能维持网络性能的关键。
如何使在苛刻条件（如沙漠地区）或危险地带（如敌军区域）布置的传感器网络拥有良好的鲁棒性是一个严峻的挑战。
（3）协同信号处理能力：
目前无线传感器网络设备在处理器、存储、无线收发机以及传感器感知精度等方面的能力有限。
如果仅仅对系统硬件设备提升需要巨大代价。
作为一种典型的分布式网络结构，如何设计传感器节点间的协同以更加快速有效完成信号过滤、数据汇集、协同定位等任务相当具有挑战性。
（4）网络的自配置性：
由于无线传感器网络在许多应用中其节点规模较大，其在无人值守的条件下，不可能在布置网络后再进行人工调整.网络开始工后，拓扑结构的动态调整、节点定位、时间同步以及坐标校准、内部节点通以及测量参数的决定等多方面需要网络本身有较高的自配置性。
因此无线传感器网络的自配置性是一个非常关键的问题。
3WSN的研究进展
目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理论研究成果也很多。
近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应用的研究，从可以获得的文献资料来看，基本处于起步阶段。
传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。
传感器网络有着巨大的应用前景，建筑在各类传感网络节点平台上的、面向海陆空全方位应用需求的各类研究项目更是层出不穷以下仅列出其中几个代表典型应用的项目为例，比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报、生物群落的微观观测、洪灾的预警、农田管理、智能家居、智能交通、辐射监测的研究，用于定位的Cricket和Echo，以及用于医疗的SSIM项目等。
相信随着研究工作的不断深入和发展，各种传感器网络将最终遍布我们的生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。
4无线传感器的拓扑控制
4.1研究拓扑控制的意义
无线传感器网络是一种新兴的网络，一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点[2]。
无线传感器网络的这些特点决定了拓扑控制在无线传感器网络研究中的重要作用，同时这些特点也使得它的拓扑控制研究具有挑战性。
首先，拓扑控制是一种重要的节能技术；其次，拓扑控制保证网络覆盖的质量和连通质量；另外拓扑控制能够降低通信干扰、提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合提供拓扑基础；拓扑控制能够提高网络的容量、可靠性、可扩展性等其他性能。
总之拓扑控制对网络性能具有重大的影响，因而对它研究具有十分重要的意义。
4.2拓扑控制的目标和分类
就通常意义下的WSN而言，其拓扑控制的共性目标主要包含：
保障节点间可达性、降低能量损耗、提升网络容量、减小信道干扰以及增强空间复用率等多个方面。
对于某些特定应用，针对网络需求，拓扑控制的目标还涉及支持弱移动性、减小传输延迟、优化通信链路质量等其它方面。
由于节点发射功率的全方位扩散特征，因此WSN结构可抽象为单位圆图（unitdiskgraph，UDG）。
从图论角度结合上述共性目标不难发现，经拓扑控制调整所获网络结构图应具备连通性、对称性/弱对称性、稀疏性、节点度（物理度/逻辑度）受限、平面性等基本属性。
从算法中的拓扑管理方式、形成依据、实现需求等不同角度，拓扑控制算法存在多种归类方法。
（1）拓扑控制算法从管理方式可划分为节点功率控制和分簇拓扑控制两类其中节点功率控制机制指通过设置或动态调整节点的通信功率，以保证网络拓扑连通、双向连通或多连通，同时尽量避免隐终端和暴露终端[3]问题。
分簇机制采用分层结构形成处理和转发数据的骨干网络，其中非簇头节点可通过空闲休眠策略来达到节能目的。
功率控制适用于网络规模相对较小、对兴趣数据准确性和敏感度要求较高的网络环境，而分簇控制适用于部分节点可以实行休眠策略的大规模网络。
（2）从拓扑的形成依据来看，算法可分为[4]几何方式和概率方式。
几何方式以某种特定结构（如最小生成树（minimumspanningtree，MST）、RNG图[5]（relativeneighborhoodgraph）、GG图[5]（gabirelgraph）、DT图[5]（delaunaytriangulation）及YG图[5]（Yaograph）等来构架网络，概率方式（如几何随机图[6]、占位理论[7]、连续渗流理论[8]）指计算具有较好性质时的节点功率和度值，并按此形成拓扑。
（3）从算法的实现需求看，可分为基于精确地理位置的算法、基于方位信息的算法和基于邻居集信息的算法。
（4）根据最终生成拓扑中节点功率是否一致，可区分为临界传输功率（criticaltransmittingrange，CTR）算法和差异传输功率分配算法。
（5）从算法的执行频率，可把算法分为周期性执行算法与单数据包（per-packet）调整的拓扑控制算法。
（6）根据算法是否考虑节点的剩余能量问题，可分为基于能量的拓扑控制算法和非基于能量的拓扑控制算法。
（7）根据算法的实现需全局网络信息还是局部网络信息，可分为基于全局信息的算法和基于局部信息的算法。
4.3拓扑控制的评价标准
拓扑控制要保证在一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下，一般以延长网络生存周期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一个优化的拓扑结构。
无线传感器网络是与应用相关的，不同的应用其设计目标不尽相同，采用的拓扑结构控制手段也不尽相同。
我们对于拓扑控制的评价标准一般为以下几方面：
（1）连通性拓扑控制不能使连通图G变成非连通图。
也就是说，如果G中的节点u与v之间有一条（可能是多跳）路径，那么在T中也应该有这样一条路径（显然，不一定是同一条路径）。
如果至少要去掉k个节点才能使网络不连通，那么就称网络是k-连通的，或者网络的连通度为k。
拓扑控制要保证网络是连通的（即至少1-连通），这是拓扑控制的基本要求。
（2）覆盖率覆盖率可以看成是对传感器服务质量的度量。
覆盖问题可以分为区域覆盖、点覆盖和栅栏覆盖。
区域覆盖研究对目标区域的覆盖（监测）问题；点覆盖研究对一些离散的目标点的覆盖问题；栅栏覆盖研究运动物体穿越网络部署区域被发现的概率问题。
相对而言，对区域覆盖的研究较多。
如果目标区域中的任何一点都被k个传感器节点监测，就称网络是k-覆盖的，或者称网络的覆盖度为k。
一般要求目标区域的每一个点至少被一个节点监测，即1-覆盖。
（3）吞吐量化简后的网络拓扑结构应该能够支持与原始网络相似的通信量，尤其是在有大量突发事件时。
设目标区域是一个凸区域，每个节点的吞吐率为
。
在理想情况下有下面的关系式：
其中：
是目标区域的面积；
是节点的最高传输速率；
是圆周率；
是大于0的常数；
是源节点到目的节点的平均距离；
是节点数；
是理想球状无线电发射模型的发射半径。
由此可以看出，减小发射半径或减小工作网络的规模，在节省能量的同时可以在一定程度上提高网络的吞吐能力。
（4）鲁棒性当在原始图G中的邻近关系发生变化时（如节点运动、失效或无线信道特性发生变化），一些节点的拓扑信息可能会发生变化。
显然鲁棒的拓扑结构只需进行少量的调整就可以避免对本地节点重新组织而造成整个网络的波动。
（5）算法总开销对于资源有限的节点来说，算法本身的开销应该小一些，如附加信息少、计算量小；另外分布式实现也是一个必要条件。
5.星型网络的拓扑
星型网络的拓扑结构图如图1所示。
图1星型网络的拓扑结构
星型网络由一个叫做PAN协调器的中央控制器和多个网络从设备所组成，主协调器必须是一个全功能设备，而从设备可以是全功能设备也可以简化功能设备。
在星型网络中，协调器主要负责搜索一个空闲信道并在信道上建立网络、允许设备加入到网络、为设备分配网络地址、支持设备之间的绑定操作、在设备之间转发数据。
在ZigBee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，一般会采用持续电力系统供电，而其他的从设备均采用电池供电。
ZigBee技术的星型网络通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等范围比较小的方面得到应用。
参考文献
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开题报告
基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计
1.选题背景及意义
随着微机电系统的迅速发展，片上系统SoC（SystemonChip）得以实现，一块小小的芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至作出反应。
无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetwork），这一由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理和具有片上微处理能力的微型传感器节点（sensornode）组成的网络[1,2]，引起了工业界和学术界众多研究者的关注[3]。
传统的传感器网络通常由两种节点：
传感器节点（sensor）和接收器节点（sink）组成。
传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般具有人机交互界面，并可以接人其它类型的网络体系。
传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用[4,5]。
在传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备。
采用有限的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了能设计能量高效的MAC协议、路由协议以及应用层协议之外，还有设计优化的网络拓扑控制机制[6]。
在传感器网络中，网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：
（1）影响整个网络的生存时间。
传感器网络的节点一般采用电池供电，节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。
拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。
（2）减少节点间通信干扰、提高网络通信效率。
传感器网络中节点通常密集部署，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通信效率，并造成节点能量的浪费。
两一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络的连通性。
所以，拓扑控制中的功率技术是解决这个矛盾的重要途径之一。
（3）为路由协议提供基础。
在传感器网络中，只有活动的节点才能够进行数据转发，而拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。
（4）数据融合。
传感器网络中的数据融合指传感器节点将采用的数据发送给骨节点，骨节点进行数据融合，并把融合结果发送给数据收集节点。
而骨节点的选择是拓扑控制的一项重要内容。
（5）弥补节点失效的影响。
传感器节点可能部署在恶劣环境中，在军事应用中甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。
这就要求对网络拓扑结构具有鲁棒性以适应这种情况。
虽然传感器网络在某种程度上可以视为一种ad-hoc网络，但相对于一般意义上的ad-hoc网络来说，它面临的环境更加复杂多变，其节点部署更为密集，节点能量更加有限，无线链路更加容易受到干扰，节点更加容易失效，所以必须研究适应于传感器网络的、面向具体应用的、更为高效的拓扑控制算法。
2.研究的具体内容
本设计是在实验平台上基于GAINS443MAC库开发一个简单的星型网络。
使它可以实现多个节点将通过光强传感器采集的光强数据发送给汇集节点，汇聚节点再通过串口将收集到的传感数据发送到微机上，再实现可观察到的光强实时曲线。
这个实验使用了GAINS433MAC库开发模板，为了实现相关的功能需要用到Atmega128L单片机上的其他资源，这些资源的驱动程序是在模板中提供源代码辅助模块包括控制灯的模块led，控制传感器的模块sensor，控制模块转换的模块adc，单片机寄存器的操作模块fun以及操作系统模块os。
（1）Led模块
GAINS-3实验开发版提供的硬件平台上面有红、绿、黄三种颜色的指示灯各一个，函数led_on表示让某种颜色的等亮，led_Off表示让某种颜色的灯灭，led_Toggle表示让某种颜色的灯交替亮灭，即对亮着的灯调用一次会让它灭，对灭着的灯调用一次会让它亮，LedInit是对整个模块的初始化，主要是一些控制变量的初始化。
（2）Sensor模块和adc模块
这两个模块的联系比较紧密，adc模块初始化是有sensor模块的初始化过程汉族东调用的。
Sensor模块提供温度传感器和光强度传感器的调用接口，由于温度传感器对温度的变换不是很敏感，实验中aiyong光强传感器。
（3）Fun模块
该模块只要是对单片机Atmega128L一些寄存器的操作以及随机数的产生等函数（有关电源的函数基本上没有用到）。
（4）OS模块
该模块实现的是一个小型的操作系统，基本功能是提供一个任务队列。
用户可以通过函数OSPostTask来提交一个任务，该函数的参数是一个返回值和参数都为void的函数名（也就是函数指针）。
另外os模块还提供了对原子操作的支持，通过一对函数来实现该功能。
合理的组合、利用以上模块用来实现星型网络实验代码架构，星型网络的实验代码本身是一个开发模板，通过开发模板，可以很快地掌握开发的流程，把握系统的整体架构，增加所设定的功能，实现所设定的协议。
3.拟解决的主要问题
从以上叙述来看，预计所需要解决的问题如下：
（1）了解无线传感器网络和其各种路由协议的原理。
（2）了解GAINS-3实验平台和ATmega128L芯片，学会使用软件WinAVR和AVRStudio。
（3）掌握GAINS433MAC库的使用，培养利用GAINS433MAC库开发高级通信协议的能力。
（4）掌握实现无线传感器基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计。
4.研究的方法与技术路线
在本设计的整个过程中，需要运用理论与实践相结合的方式。
因为在设计中需要对程序进行编译和调试，并分析程序的可行性，想要出色的完成这一系列的任务都需要有扎实的理论基础。
（1）查阅相关书籍与期刊，了解无线传感器网络和其各种路由协议的原理，理解程序原理。
（2）熟悉GAINS实验平台，了解ATmega128L芯片的引脚作用及简单指令。
熟悉开发编译环境，主要了解WinAVR集成开发环境和学会使用AVRStudio下载程序。
GAINS-3实验平台是由宁波中科集成电路设计中心所开发的。
GAINS-3节点是基于低功耗微处理器芯片ATmega128，射频部分采用CHIPCON公司的CC1000芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FLASH存储器。
整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展。
GAINS-3实验开发板最主要的功能是实现半双工的无线通信，MAC层协议的库能够提供的功能包括ACK机制、射频睡眠机制以及透明的传输数据包的能力，采用CSMA技能，利用CRC-16算法进行校验，这些功能对一般的应用开发已经足够了。
另外，还附带提供了一些辅助的库和模块，这些库和模块包括：
控制LED的库（开源），控制传感器的库（开源），控制ADC的库（开源），控制0号计算器的库（开源），射频驱动的库，任务调度库（开源，相当于操作系统），功能函数模块（开源）以及串口驱动模块（开源）。
使用这些库和模块可以满足大部分的开发需要。
配套的提供一个开发模板，可以使开发更加的顺利和便捷。
开发编译环境是由WinAVR软件和AVRStudio软件构成的。
WinAVR软件是个免费的AVR卡发程序集，它以著名的自由软件GCC为C/C++编译器。
WinAVR软件是一组开放源代码的程序集，用于ATMEL公司AVR系列单片机的开发，他主要包含：
a）GNU
升级会员 