位置固定節(jié)點的無線傳感器網絡的設計【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動化</b></p><p>　　位置固定節(jié)點的無線傳感器網絡的設計</p><p><b>　　1選題的背景、意義</b></p><p>　　20世紀90年代，無線傳感器網絡開

2、始得到人們的關注。而在此之前，美國國防部高級研究計劃局研究的重點是傳感器節(jié)點技術，在傳感器群中，各個不同傳感器節(jié)點間只進行較簡單的點對點通訊。而隨著無線通信技術和微電子技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網絡也漸漸的成為了一種新興技術,到了20世紀末，美國《商業(yè)周刊》將無線傳感網絡技術列為21世紀最重要的21項技術之一。</p><p>　　無線傳感器網絡應用的十分廣泛。無論是在條件惡劣和無人堅守的環(huán)境中，還是在人員密度和

3、流動都非常大的公共場合中都能體現出其巨大的應用價值。除此之外在軍事國防、工農業(yè)生產、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等領域，也將發(fā)揮極大作用。無線傳感器網絡是一種新型的分布式測控系統，由分布在監(jiān)測區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點組成。得益于無線通信技術和微電子技術的飛速發(fā)展，開發(fā)低成本、低能耗、多功能的微型無線傳感器節(jié)點已成現實。</p><p>　　無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取與處理技術，目

4、前是通信、計算機和自動化等領域一個新興的研究熱點。它能夠實時感知和采集覆蓋區(qū)中的各種信息并進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送給觀察者。近年來備受關注的“物聯網”核心的實質其實就是無線傳感器網絡，即是在互聯網的基礎上，利用無線射頻識別技術、無線數據通信等技術。</p><p>　　傳感網能夠直接感知客觀世界，極大地增強了現有網絡的功能和人類認識世界的能力。無線傳感器網絡深入我們生活的每個環(huán)節(jié)、滲透社會的每個角落

5、，有利于提高人們認識物理世界的深度、廣度、精確性、及時性，加強后和密切人類與物理世界的聯系，大力提高人類對物理環(huán)境的遠端監(jiān)視和控制能力。因而具有十分廣闊的應用前景。</p><p>　　2相關研究的最新成果及動態(tài) </p><p>　　2.1無線傳感器網絡的概念</p><p>　　無線傳感器網絡（WNS, Wireless Sensor Networks）是由多個

6、節(jié)點組成的面向任務的無線自主網絡。主要包括了傳感器模塊，中央控制模塊，網關模塊和傳輸網絡模塊等。它融合了傳感器技術，嵌入式計算機技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。通過各類微型傳感器網絡對目標信息進行實時監(jiān)測，由中央控制模塊對信息進行處理，并通過網關模塊和傳輸網絡模塊將信息傳送至遠程監(jiān)控中心。</p><p>　　無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網絡分布區(qū)域內的各種檢測對

7、象的信息，并將這些信息發(fā)送到網關節(jié)點，以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤。具有感知、計算和通信能力。在完成對感知對象的信息采集、存儲和簡單的計算后，通過傳輸網絡傳送給遠端的監(jiān)控中心。無線傳感器網絡中的傳感器可以協作地感知、采集和處理被監(jiān)控區(qū)域的感知對象的信息及數據，發(fā)布給使用一定形式終端設備的用戶。</p><p>　　2.2無線傳感器網絡的特點</p><p>　　無線傳感器網絡具有以

8、下特點。</p><p>　?。?）節(jié)點的地位對等。無中心結構，網絡中所有節(jié)點的地位對等，并構建成一個對等式的網絡。節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，網絡中的部分節(jié)點發(fā)生故障不影響整個網絡的運行。</p><p>　　（2）自組方式組網。組網不依賴與任何固定的網絡設施，傳感器節(jié)點通過分布式網絡協議形成自組型網絡，能夠自動調整來適應節(jié)點的移動、加了和退出。網絡中多個運行著的節(jié)點可以快速、自組的組成

9、一個獨立的網絡</p><p>　　（3）網絡的拓撲結構不確定。無線傳感器網絡中的節(jié)點可能由于電池能量的耗盡或故障從網絡中退出，也可能是按照設定的程序從網絡中退出；網絡外的無線傳感器節(jié)點可以隨時加入到網絡中；傳感器節(jié)點具有移動屬性。除此之外，環(huán)境因素或者節(jié)點能量耗盡等因素也可能導致節(jié)點故障或失效。為增強監(jiān)控精度而加入新的節(jié)點，都會使網絡的拓撲發(fā)生改變</p><p>　?。?）采用多跳的形

10、式進行傳輸傳感器網絡中的節(jié)點的通信距離較短，節(jié)點只能以相鄰節(jié)點直接通信，要實現在網絡覆蓋范圍之內的較遠節(jié)點通信，需要通過中間節(jié)點進行路由接力傳遞數據。無線傳感器網絡中的多跳路由是由普通網絡節(jié)點完成的，每個節(jié)點既能專發(fā)信息，又能發(fā)送信息。節(jié)點采用多跳接力來完成各個節(jié)點向目標節(jié)點的數據發(fā)送。</p><p>　　(5)無線傳感器網絡能自動空間尋址，傳感器節(jié)點都具有一個網絡中的唯一標示，數據采集發(fā)生在某一個節(jié)點，而用戶

11、關心的是數據發(fā)生的具體位置，而不是空間位置尋址的方式。</p><p>　　（6）具體一次通信中的無用節(jié)點多，由于大型的無線傳感器網絡的節(jié)點數量眾多，因此要使無線傳感器網絡具有較高的節(jié)點數，來保證整個系統的工作穩(wěn)定性。</p><p>　　(7)硬件資源及功能有限。無線傳感器節(jié)點由于受價格、體積和能源的限制，其計算、數據處理能力、儲存空間有限，決定了節(jié)點操作系統設計中，協議層次及內容不能過

12、于復雜。</p><p>　　（8）電池續(xù)航能力小。無線傳感器網絡的節(jié)點大多是用電池供電，電池的續(xù)航能力較小。在許多場合中無法對電池進行充電或更換。當節(jié)點的電能用完，該節(jié)點就失去了作用。</p><p>　　2.3計算機的網絡系統中的地址設定</p><p>　　如今的計算機的網絡是分層的，先設計某個特定功能的模塊，然后把模塊拼起來組成整個網絡。局域網也不例外，一般

13、來說，網絡可從下至上分為：物理層、媒體接入控制層（MAC），邏輯鏈路控制層（LLC）。</p><p>　　標識網絡中的一臺計算機，一般至少有多種方法，最常用的是域名地址、IP地址和MAC地址，分別對應應用層、網絡層、物理層。網絡管理一般就是在網絡層針對IP地址進行管理，但由于一臺計算機的IP地址可以由用戶自行設定，管理起來相對困難，所以就引出了MAC地址來解決這個問題。MAC地址一般不可更改，所以把IP地址同M

14、AC一起管理就成為常見的管理方式。 </p><p><b>　　(1)MAC地址</b></p><p>　　MAC地址就是在媒體接入層上使用的地址，也叫物理地址、硬件地址或鏈路地址，由網絡設備制造商生產時寫在硬件內部。MAC地址與網絡無關，也即無論將帶有這個地址的硬件（如網卡、集線器、路由器等）接入到網絡的何處，每個網絡制造商必須確保它所制造的每個以太網設備都具有

15、相同的前三字節(jié)以及不同的后三個字節(jié)。這樣就可保證世界上每個以太網設備都具有唯一的MAC 地址。</p><p><b>　　(2)IP地址</b></p><p>　　IP地址基于邏輯，比較靈活，不受硬件限制，也容易記憶。MAC地址在一定程度上與硬件一致，基于物理，能夠標識具體。這兩種地址各有好處，使用時也因條件而采取不同的地址。是網絡運營商分配的.</p>

16、;<p>　　2.4無線傳感器網絡的關鍵技術</p><p>　　無線傳感器技術是一門交叉的學科，涉及計算機、微電子、傳感器、網絡、通信、信號處理等諸多領域，較多的將一些其他新技術融入其技術體系中。隨著許多相關新技術的發(fā)展，該技術也在迅速發(fā)展。已經取得重要進展的有以下幾種關鍵技術。</p><p>　?。?）低功耗自組機制。</p><p>　　許多帶

17、有天線和無線收發(fā)模塊的無線傳感器網絡節(jié)點協同監(jiān)測特定區(qū)域的特定物理量的信息數據，而無線傳感器網絡節(jié)點攜帶能量有限，為使網絡有較長的生存期，必須致力于從不同方面改進節(jié)點能源利用效率。</p><p>　　無線傳感器網絡的能量消耗有：數據傳輸環(huán)節(jié)、信號處理環(huán)節(jié)和硬件操作環(huán)節(jié)。在許多應用場合中，都要求盡量地使部署網絡具有較低的成本，許多無線傳感器網絡節(jié)點通常采用非回收式應用模式，通過自攜電源供電。電源耗盡，這種非回收式

18、工作的傳感器節(jié)點就退出網絡而失效。</p><p>　?。?）異構系統的互聯互通</p><p>　　異構系統的互聯互通包括傳輸網絡中異構網絡的互聯互通及融合和異構節(jié)點系統的互聯互通。傳輸網絡是無線傳感器網絡的重要組成，如果沒有可靠的傳輸網絡，sink節(jié)點就不能把信息數據通暢地傳送給遠端的監(jiān)控中心或監(jiān)控終端。傳輸網絡在多種情況下可以由多種不同網絡來充當，也可以使用多種不同制式的網絡組成一個

19、復合環(huán)境下傳輸網絡。要使多種不同制式的網絡構成一個能通暢傳輸信息數據的網絡，就要解決不同制式的異構網絡的互聯互通及融合問題。</p><p>　　當前的無線傳感器網絡一般是基于單一目的的應用，網絡內的傳感節(jié)點都是相同的，整個系統的設計只是為某一個特定環(huán)境對特定的一些物理量進行監(jiān)測和控制，一般較少考慮異構節(jié)點系統互聯問題。異構節(jié)點系統互聯關系到無線傳感器網絡是否具有開放的體系結構涉及通信協議的設計和研究、MAC協議

20、及路由算法等。</p><p>　?。?）大結構關聯協同地處理數據</p><p>　　很多應用場合中，需要大規(guī)模部署無線傳感器節(jié)點，形成一個覆蓋面很大的監(jiān)控區(qū)域，在這樣的網絡系統中，傳感器節(jié)點經過數據采集后，使用多跳路由將數據送往下一個節(jié)點，大量的傳感器節(jié)點進行數據傳輸，sink節(jié)點要對大量數據進行協同處理，這種數據處理具有大結構關聯協同處理特點。監(jiān)測區(qū)域內密集的自治節(jié)點產生大量的傳感數

21、據，有效地對大量節(jié)點所獲感知數據進行協同處理，在此基礎上完成無線傳感器網絡的任務。</p><p>　　3課題的研究內容及擬采取的研究方法（技術路線）、研究難點及預期達到的目標</p><p><b>　　3.1研究方法</b></p><p>　　課題的研究主要使用keil C來開發(fā)控制軟件。并且在keil C中可以進行一些必要的仿真和前期調

22、試。</p><p>　　硬件的開發(fā)先在洞洞板上做一些可行性試驗。在洞洞板上實現之后，用protel進行制板，以滿足實際生產工程之中的批量生產的需要。</p><p><b>　　3.2 難點</b></p><p>　　無線傳感器網絡是由多個無線節(jié)點組成的，而無線節(jié)點包括了無線傳感器和單片機等部分。其中無線傳感器是無線節(jié)點的重要組成部分，限制

23、了無線節(jié)點之間的傳輸距離，傳輸穩(wěn)定性等重要技術指標。所以無線傳感器的選擇成為了組網的一個難點。根據實際使用的需要，選擇功耗低，傳輸距離遠，數據傳送穩(wěn)定的無線傳感器模塊。</p><p>　　在無線傳輸過程中，節(jié)點既作為目標節(jié)點，又作為中繼節(jié)點。作為中繼節(jié)點的時候需要判斷目標節(jié)點而進行轉發(fā)，轉發(fā)過程中如果有兩個節(jié)點一起發(fā)送則可能發(fā)生波形干擾疊加，而使信息失真甚至丟失，這是本次畢業(yè)設計所需要克服的。初步考慮可通過單片

24、機的轉發(fā)算法來進行限制，使信息按照最短路徑來進行傳輸從而不使兩個節(jié)點一起發(fā)送數據。而算法的研究也是本次的難點。</p><p>　　通信過程中需要制定一個通信協議，此通信協議中的信息需要包括目標節(jié)點，中繼節(jié)點，源節(jié)點，路由，傳輸數據，版本類型等信息。而通信協議的具體制定，單片機解碼的具體過程等問題，都有待在本次設計中一一解決</p><p>　　3.3預期達到的目標</p>

25、<p>　　如圖1，就是本次設計的無線傳感器網絡所能達到目標的結構示意圖。其中用戶可以根據需要控制的內容，在上位機中輸入一定的數據，通過因特網的傳輸送給集控器。集控器接收到后進行轉化，再傳送到所需要控制的節(jié)點進行具體的控制。而在節(jié)點與節(jié)點之間可以任意的傳輸，從而克服由于無線傳感器的距離限制帶來的局限性。例如需要從D傳送到A，但是無線傳感器的傳輸距離只能從D傳輸到C或從C到B，此時就可以通過C,B做為中繼的傳輸節(jié)點來傳送。而C，

26、B除了在D到A的傳輸中起到了中繼節(jié)點的作用以外還能作為一個目標的節(jié)點，而究竟是作為什么節(jié)點是由無線傳感器網絡的通信協議來規(guī)定的。</p><p>　　圖 1無線傳感器網絡的結構示意圖</p><p>　　根據實際使用的需要，設計一個檢驗無線傳感器網絡是否通暢的命令，例如需要驗證能否從D傳送到A，則需要發(fā)送一個命令，而A能接受到之后進行處理，并且返回一個命令，D能接受到這個命令則代表本條無線

27、傳感網絡通暢，沒接收到則代表在傳送的過程中數據丟失。</p><p>　　每一個節(jié)點的ID數據都不同，但是在實際生產過程中，不可能對單片機逐塊的進行數據燒寫，這就需要在設計過程中進行這方面的考慮，使無線網絡能夠通過上位機有設置數據的功能，而通過無線網絡的傳輸，使節(jié)點自動設置數據。</p><p>　　4研究工作詳細進度和安排</p><p>　　1.第一學期第7-1

28、7周，畢業(yè)設計題目的選擇和確定以及開始做外文翻譯、文獻綜述、開題報告。</p><p>　　2.第一學期第18周，完成外文翻譯和文獻綜述、開題報告的初稿工作。</p><p>　　3.假期時進一步修改完善文件綜述、開題報告，考慮設計方案、論文框架。</p><p>　　4.第二學期第1-2周，完成文件綜述、開題報告定稿。</p><p>　　

29、5.第二學期第3-6周進行畢業(yè)設計，在實習中總結經驗為畢業(yè)設計做準備。</p><p>　　6.第二學期第7周開始正式進行畢業(yè)設計，先將查找到的文獻進行資料分析，提出總體設計方案，然后再進行硬件設計和軟件設計。</p><p>　　7.第二學期第7-13周完成畢業(yè)設計的初稿及修改工作。</p><p><b>　　8.準備答辯</b></

30、p><p><b>　　5參考文獻</b></p><p>　　[1]張少軍.無線傳感器網絡技術及應用.中國電力出版社,2010.</p><p>　　[2]陳林星.無線傳感器網絡技術與應用.電子工業(yè)出版社.2009.3.</p><p>　　[3]汪濤.無線傳感器技術導論.清華大學出版社.2008.2.</p>

31、<p>　　[4]崔遜學，左從菊.無線傳感器網絡簡明教程. 清華大學出版社. 2009.7.</p><p>　　[5]李文峰.無線傳感器網絡與移動機器人控制.科學出版社.2009.1.</p><p>　　[6]崔遜學,趙 堪,王成.無線傳感器網絡的領域應用與技術設計.國防工業(yè)出版社.2009.5.</p><p>　　[7]李朝青.單片機原理及接口

32、技術.北京航空航天大學出版社.2005.10</p><p>　　[8]王玲芳 費 嵐 嚴正香.移動無線傳感器網——原理、應用和發(fā)展方向.機械工業(yè)出版社.2010.1</p><p>　　[9] 謝希仁.計算機網絡（第5版）.電子工業(yè)出版社.2010.4</p><p>　　[10]何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].北京航空航天大學