基于嵌入式系统的无线传感器网络的应用研究Word下载.doc
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基于嵌入式系统的无线传感器网络的应用研究
序
随着半导体技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛。
无线传感器网络作为一种嵌入式设备能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理。
本文提供了一种基于CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计方案,通过选择芯片,设计硬件接口,构建了一个完整的无线传感器网络节点。
经仿真调试,该节点在试验中应用良好,电路板可以实现两个节点间的通信,能由LED指示发送、接收或应答信息,基本达到了设计要求,在煤矿监控系统的实验中应用良好,能采集精度较高的温度、压力等数据信息,并实现准确的数据交互,实现了传感器网络所需的外形小、集成度高、低功耗,为将来实际应用研究提供了一个实验平台,具有一定的应用价值。
目录
1.设计要求 2
2.设计的作用与目的 2
3.无线传感器网络应用研究的设计方案 4
3.1体系结构 4
3.2节点结构 5
4.系统硬件设计 5
4.1无线传感器网络节点组成及工作流程 5
4.2无线传感器网络节点设计 6
4.2.1处理器模块 7
4.2.2通信模块 8
4.2.3能量供应模块 10
5.设计流程 11
6．心得体会及建议 14
6.1心得体会 14
6.2建议 14
7．参考文献 15
1
1.设计要求
无线传感器网络是集成了传感器、嵌入式系统、网络和无线通信四大技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术它是一种新型的无基础设施的无线网络能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并对其进行处理、传送到需要这些信息的用户。
2.设计的作用与目的
无线传感器网络在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景，在军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势。
以军事应用为例，传感器网络将会成为C41SRT系统不可或缺的一部分。
C41SRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统．受到了军事发达国家的普遍重视。
因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。
在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过网关将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。
在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；
当然，也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息，传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。
在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探侧爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。
传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。
在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面：
（1）分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一。
（2）传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。
（3）传感器节点与探侧目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响。
（4）节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。
（5）多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。
（6）借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已经引起了世界发达国家学术界、军事部门和工业界的极大关注。
从2001年开始，DARPA（美国国防部高级研究计划署）已把智能传感器网络作为一项优先发展的研究计划，出资近7亿美元，在众多大学和研究机构展开传感器网络的基础研究，以求获得五角大楼想要的所谓战区“超视觉”数据。
2002年8月，NSF（美国国家科学基金会）一期资助4000万美元在UCLA成立了传感器网络研究中心，联合周边大学（包括UCB、USC和USR等）展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，这也是美国国情咨文中有关NGI最主要的远景规划之一。
美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。
日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。
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）有藿不同的设计目标，后者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。
而无线传感器网络中除少数节点需要移动外，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，甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成了无线传感器网络的核心问题。
在研究初期，人们曾经一度认为成熟的Intemet技术加上Adhoe路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明无线传感器网络与传统无线网络有着明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。
一些为自组织的Adhoc网络设计的协议和算法并不适合传感器网络的特点和应用的要求。
节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；
中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存倒显得非常必要。
在密集性的无线传感器网络中，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无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。
3.无线传感器网络应用研究的设计方案
3.1体系结构
无线传感器网络结构如图2所示，无线传感器网络系统通常包括传感器节点（Sensornode）、Sink网关节点（Sinknode）和管理节点。
大量传感器节点随机部署在监测区域（Sensorfield）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到Sink网关节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统．它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。
从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。
目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研究的重点。
Sink网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接无线传感器网络与Intemet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
Sink网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。
3.2节点结构
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是由部署在地理区域内大量的廉价微型传感器组成,用来协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并以无线通信方式把数据发送给观察者。
无线传感器网络具有三个基本要素:
传感器、观察者和感知对象。
其中传感器由感知部件、存储器、嵌入式处理器、通信部件、电源和软件这几部分构成。
观察者是无线传感器网络中感知信息的接受和应用者。
感知对象是借助于节点中内置的传感器探测到湿度、温度、光、压力等大量观察者感兴趣的物质现象。
无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变人类与自然界的交互方式。
无线传感器网络的基本单位是节点,它们的性能是整个无线网络可靠性的基本保证。
根据实际应用和推广的需要,节点的体积和质量都应该比较小。
无线传感网络的节点应用ARM处理器,简化了节点的硬件设计,提高了无线传感网络的通信能力、数据存储能力和可靠性。
本文设计了一种基于Philips公司的32位微控制器LPC2138和在2.4GHz频带上工作的无线收发模块CC2420,结合外围传感器,具有电量检测功能的无线传感器网络节点,并可以运用在实际中。
4.系统硬件设计
4.1无线传感器网络节点组成及工作流程
无线传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统,一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成,如图1所示。
图中的箭头代表数据的流向。
传感器模块由传感器和A/D转换器组成,负责对感知对象信息的采集和数据转换;
处理器模块由微处理器、存储器和应用模块组成,负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理数据,通信协议管理等;
无线通信模块由网络模块、MAC模块和通信射频模块组成,通过内部各个模块的协调作用与其他节点进行无线通信,交换控制信息和收发数据业务;
能量供应模块一般采用微型电池,负责为传感器节点提供运行所需的能量。
图1无线传感器节点结构图
无线传感器网络节点的工作流程:
（1）传感器采集到的信息一般是模拟数据,通过A/D模块把模拟数据转换为数字信号,并将数字信号输入到CPU中作进一步的处理。
（2）在处理器模块中对数据进行初步的处理,如在簇头的节点,收集该簇内所有节点所采集到的信息;
在汇聚节点进行数据的部分融合、转发等。
（3）发送数据前,无线通信模块通过MAC协议形成一个自组织网;
并根据路由算法,建立和维护路由表。
经处理器模块处理后,将数据送入无线通信模块;
并根据预先建立的路由表,将数据发送给网关节点,由网关节点将数据发送给目的节点。
综上所述,本设计依据传感器节点功耗低、成本低、体积小等硬件限制条件,采用基于射频芯片CC2420和微处理器ARM7为核心的无线传感器网络的硬件节点。
4.2无线传感器网络节点设计
设计中用到的传感器主要是温度传感器和压力传感器,为提高节点的集成度,将传感器模块集成到处理器模块中。
因此无线传感器网络节点将分为处理器模块、通信模块和供电模块3个部分。
其中处理器模块选用ARM7作为处理器芯片,通信模块选用CC2420作为通信芯片,在电源方面,采用1节电池提供5V
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