无线传感器网络节点的系统研究毕业论文.docx

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无线传感器网络节点的系统研究毕业论文

本科生毕业论文

无线传感器网络节点的系统研究

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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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涉密论文按学校规定处理。

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日期：

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日期：

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摘要

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。

本文就是面向具体的应用，以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标，研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。

通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。

该设备具有能量自检测功能，并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。

采用模块化软件设计，引入有限状态机进行系统模式调度，设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。

通过引入多个节点的温度采集、反馈控制实验和节点生命周期静态测试实验，验证了本设计的可行性和实用性。

关键词：

通信网络技术；无线传感器网络；节点设计

ABSTRACT

Withtherapidprogressofcommunications,embeddedcomputers,andsensors,smartsensorsarebecomingmoreandmorepopularintheworld,whicharecapableofsensing,computing,andcommunication.

Thisthesisresearchesonthearchitecture,composition,andimplementationofwirelesssensornodes,withthemilitaryapplicationandthegoalofsensinganything.

Afundmentalstructureoftheuniversalwirelesssensornetworknodedevicewasproposedinthispaperbysummarizingtheprincipleofthewirelesssensornetworknode．AndawirelesssensornetworknodedevicewasimplementedbasedontheultralowpowercomsumptionprocessorAtmega128LandtheradiofrequencychipCC2420．Thisnodedevicecoulddopowermonioringitself．Italsocouldbeusedinmanyconditionbyexchangethedatacollectioncircuitwhichwasconnectedtotheuniversalhardwareinterface．Softwaremodularizationdesignwasusedinthispaperandfinitstatemachinewasusedtofinishthesystemmodescheduling．Anadapt-layersoftwareWaftdesignedandimplemented，whichcouldbothrunbyitselfandbytheembededoperatingsystem．Thetechnicalfeasibilityofthisdesignandtheavailabilityofthedevicewerealsoverifiedinthispaperbythemulti-nodetemperaturecollectandfeedbackcontroltestsandthestaticlifecycletestofthisdevice.

Keywords：

communicationnetworktechnology；wirelesssensornetwork；nodedesign

目录

1绪论1

1.1课题背景1

1.2无线传感器网络的特点1

1.3无线传感器网络的应用2

1.4论文构成及研究内容4

2无线传感器网络平台5

2.1传感器网络平台5

2.1.1传感器节点的设计要求5

2.1.2无线传感器网络体系结构6

2.1.3无线传感器网络应用系统结构7

2.1.4数据采集8

2.1.5传感数据到Internet8

2.1.6用户与传感数据交互9

2.2无线传感器网络的关键性问题9

2.3本章小结11

3系统的设计与实现12

3.1系统设计与实现12

3.1.1微处理器电路12

3.1.2数据存储电路13

3.1.3无线通信模块15

3.1.4电源管理模块18

3.1.5充电及状态显示模块19

3.1.6传感器模块20

3.1.7外部接口22

3.2节点设计的要点23

3.3本章小结24

4总结与展望25

4.1总结25

4.2未来的研究方向26

参考文献27

致谢28

无线传感器网络节点的系统研究

1绪论

1.1课题背景

21世纪是人类社会全面进入信息电子化的时代，信息电子化离不开信息技术的支持。

信息技术是指有关数据信息的收集、识别、提取、变换、存储、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是一门综合性很强的技术。

它可归纳为信息采集、信息处理、信息传输三大领域，这三大领域的发展互相渗透，互相促进，二者缺一不可，才使得信息技术高效快速地向前发展。

（1）信息采集技术的关键是传感技术。

传感技术的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此传感技术是现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位。

传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。

（2）信息处理技术以计算机技术为核心。

计算机从其诞生起就不停地为人们处理着大量的信息，而且随着计算机技术的不断发展，它处理信息的能力不断地加强。

现代信息技术一刻也离不开计算机技术。

（3）信息传输技术以通信技术、网络技术为代表。

卫星通信、移动通信等无线通信技术的发展，拓展了通信技术的应用领域。

现代通信技术正朝着数字化、宽带化、高速化和智能化方向发展。

1.2无线传感器网络的特点

无线传感器网络与传统网络相比较起来有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感器网络存在很多新的问题，提出了很多新的挑战。

无线传感器网络的主要特点有[1]：

（1）无线传感器网络的节点数量大、密度高。

由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。

无线传感器网络的节点数量和密度都要比Adhoc网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节

点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。

这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。

（2）无线传感器网络的节点有一定的故障率。

由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。

（3）无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。

由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。

另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。

（4）无线传感器网络的拓扑结构变化非常快。

由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化非常快，这对网络的各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。

此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。

（5）以数据为中心（DataCentric）。

在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”，而不会关心“节点8所探测到的温度值是多少”。

这就是无线传感器网络以数据为中心的特点。

而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户[2]。

1.3无线传感器网络的应用

传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。

随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

（1）军事应用

传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。

利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场评估、核攻击和生物化学供给的监控和搜索等功能。

（2）环境监测和预报系统

随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。

传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。

（3）医疗护理

传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括：

监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等等。

如果在住院病人身上安装特殊的传感器节点，例如心率和血压检测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解到被监护病人的病情，发现异常能够迅速抢救。

将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。

还可以利用传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。

（4）智能家居

传感器网络能够应用在家居中。

在家电和家居中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。

利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享用适合的室温，也可以遥控电饭煲、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作，以可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。

（5）建筑物状态监控

建筑物状态监控（structurehealthmonitoring，SHM）是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。

由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。

虽然地壳偶尔的小震动可能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可能在下一次地震中导致建筑物倒塌。

作为CITRES（CenterofInformationTechnologyResearchintheInterestofSociety）计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能

建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级进行一系列自我修复工作。

未来的各种摩天大楼可能就会装备这种似红绿灯的装置，从而建筑物可自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。

（6）其他方面的应用

复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”、以及“基于情况的维护”三个阶段。

采用“基于情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证制造成本仍然低廉。

其维护开销可以分为几部分：

设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数据的开销。

采用无线传感器网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。

尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无线技术避免了昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析[3]。

1.4论文构成及研究内容

本文以当前的无线传感器网络研究为背景，提出了一种易布置的无线传感器网络的网络系统结构的设计，以及简单的传感器节点的设计，针对传感器节点的特殊性，提出了基于组件模型的网络通信系统的设计，其中包括了网络协议栈组建层的设计。

最后，提出了确保无线传感器网络安全应用的机制。

本文的组织结构大致如下：

1、绪论,主要介绍了无线传感器网络的课题背景，特点和应用领域。

2、无线传感器网络平台，本章从上述两个方面探讨了硬件平台设计以及无线通信计算。

首先分析了传感器节点硬件的特点，以及参考了MICA的传感器节点硬件结构。

然后，根据无线传感器网络特定的应用与传统网络之间的差异性，我们给出了利用传感器节点采集数据，并最终传输到用户终端的无线传感器网络的应用系统结构。

其次，我们还讨论了无线传感器网络的关键性问题，并对其进行分析。

3、系统的设计与实现，本章主要介绍了一种基于ATmega128L和CC2420在2.4GHz频带下工作的无线传感器网络节点的设计和实现，详细讨论了各部分的硬件组成。

实验表明，节点可以灵活构成无线传感器网络，节点组成的网络系统性能稳定、通信效率高、功耗低，可广泛应用于控制、信号采集与传输等领域。

最后我们提出了节点设计的要点及应注意的事项。

4、总结与展望，对全文进行了总给，并指出了以后的研究方向。

2无线传感器网络平台

在无线传感器网络中，随机分布的集成由传感器、数据处理单元和通信模块的微小传感器节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的各种信号，从而探测众多我们感兴趣的物理现象。

在通信方式上，一般采用短距离的无线低功率通信技术。

从中我们可以看到无线传感器网络应用的关键技术包括网络硬件平台和网络通信系统两部分。

支持无线传感器网络的硬件平台，包括传感器节点硬件的设计以及应用系统的部署方案。

而网络通信系统的设计，主要包括传感器节点以无线方式自组织成网络，完成数据采集和传输的无线通信系统。

2.1传感器网络平台

2.1.1传感器节点的设计要求

为了满足环境感知与特定应用的需求，传感器节点的硬件以及相应的操作系统软件的设计需要满足下列要求：

（1）小尺寸和低功耗（smallphysicalsizeandlowpowerconsumption）：

传感器节点的小尺寸和有限电源限制了其处理、存储和互联能力硬件设训的一个驱动因素就是减少和降低实现某个功能所要求的尺寸和电源。

（2）并发密集型操作（concurrency-intensiveoperation）：

传感器节点最主要的操作模式就是快速地传递消息，在消息传递途中只带少量的操作，而不是传统的接收命令--等待--思考--再响应这样的操作模式。

传感器设备即时地捕获信息，处理，再传送到网络中。

数据也可以从其它节点接收到，然后在多跳的路由或网桥站点间转发。

有很多事件都有实时性的要求。

系统必须可以并发地处理多条数据流。

（3）有限的物理并行性和控制层次（limitedphysicalparallelismandcontrollerHierarchy）：

在传感器节点中，控制器数目、控制器性能、网络互联的能力，都比传统的系统要低。

在传感器网络中，传感器件或执行元器件通常直接向中央处理器提供个最基本的接口，由MCU直接控制。

而传统的系统则将与一组设备相关联的并发处理，分发到多个层次的控制器中，这些控制器通过一个精确的总线结构互联。

（4）设计和使用的多样性（diversityindesignandusage）：

此类传感器设备倾向于针对具体的应用，而不是通用的，它们通常只集成应用所必须要求的硬件对于任何一个具体设

备，需要一些软件组件将硬件组件合成为某些特定的应用。

而如何简单地将这些软件组件聚集在一起就变得很重要，为此要求高度的软件模块化。

为此需要一个通用的开发环境，允许特定应用可以从一系列设备中构建起来，而不会有烦琐的接口。

（5）健壮的操作（robustoperation）：

通常在环境中布置的传感器节点数目比较多，而又会比较隐蔽，并且在大部分时间里传感器节点处于活动状态。

传统的冗余技术由于空间和电源的限制而受限制。

虽然跨越设备的冗余会比在设备内的冗余更好，但交叉设备之间的冗余通信代价使它的使用受到限制了。

因此，需要增强单个传感器设备的可靠性。

这进一步提出了高效模块化的要求：

组件应该尽可能的独立，通过严格的接口来连接。

2.1.2无线传感器网络体系结构

无线传感器网络典型的体系结构如图2-1所示。

传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink）。

信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如Internet网络或卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。

图2-1无线传感器网络通信体系结构图

与其它网络一样，传感器网络的协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

在应用层采用不同的软件，就可以实现传感器网络不同的目的；传输层提供差错控制和流量控制等功能；网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至信息收集节点；数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。

但与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比，无线传感器网络有其自身的显著特点，主要

包括节点（传感器）的低功率、低功耗和有限处理能力，网络的自组织性和容错性，网络的可扩展性要求，网络对能量的敏感性，以及以数据为中心的传输等等。

针对这些特性，需要采用适于传感器网络的解决方案。

比如，在物理层，可以采用低阶调制技术、超宽带（Ultra-Wideband,UWB）无线通信技术[4]、射频标签（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术等[5]；在媒体借入控制（MediaAccessControl，MAC）层可以采用分布式介入控制算法、公平的资源分配算法等；在网络层，针对不同的准则，可采用各种节省能量的分布式路由算法和协议，以及数据融合的算法。

无线传感器网络节点一般由4个部分组成：

传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块，如图2-2所示。

其中，传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。

图2-2传感器节点的体系结构

2.1.3无线传感器网络应用系统结构

无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络）有着不同的设计目标。

传统无线网络的设计目标是在高度移动的环境中，通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。

在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。

因为它们通常运行在人无法接近的恶劣环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题，这其实是一个节能设计的问题。

无线传感器网络也

有着与传统网络明显不同的技术要求，传感器网络以数据为中心，而传统网络以传输数据为目的。

为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计强调将一切与功能相关的处理都放在网络的终端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。

因为布置在环境中的所有传感器节点的地位是公平的，都需要采集数据、发送数据或替其它节点转发数据。

传感器节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。

在密集型的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。

这些独特的要求和制约因素为传感器网络体系结构的设计提出了新的要求。

2.1.4数据采集

最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。

每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。

由于传感器节点离观察点很近，故对传感器的精度要求并不高，降低了成本。

高的空间分辨率可以通过布置密集的传感器节点来达到。

而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。

无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。

2.1.5传感数据到Internet

我们可以将来自传感器节点的数据传输到Internet上，这些数据可能是原始