无线传感器网络课设.docx

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无线传感器网络课设

目录

第一章绪论---------------------------------------------------------1

1.1课题的背景------------------------------------------------------1

1.2国内外研究现状--------------------------------------------------1

1.3课程设计意义和目标----------------------------------------------2

第二章无线传感器网络简介-------------------------------------------3

2.1传感器网络体系结构----------------------------------------------3

2.2无线传感器网络的特征--------------------------------------------6

第三章无线传感器网络节点硬件设计方案------------------------------10

3.1硬件设计方案---------------------------------------------------10

3.2微处理器的选型与电路设计---------------------------------------10

3.3供电电路设计---------------------------------------------------12

第四章无线传感器网络节点功能软件设计和电路调试--------------------14

4.1编程环境-------------------------------------------------------14

4.2程序加载和调试工具介绍-----------------------------------------14

4.3传感器ADC数据采集程序设计-------------------------------------15

4.4电池状态监测及充电模块程序设计---------------------------------16

4.5电路功能调试---------------------------------------------------18

第五章总结与展望--------------------------------------------------19

参考文献-----------------------------------------------------------20

第一章绪论

1.1课题的背景

当今世界通信技术迅猛发展，无线通信技术已逐步深入到社会生活的各个领域，其中无线传感器网络技术是很有前途的新兴技术之一。

随着无线传感器网络支撑技术ZigBee通信协议的发布及完善，基于ZigBee无线传感器网络的研发成为近年来国内外竞相发展的一个领域。

这项技术的发展有力地推动了低速率无线个人区域网LR-WPAN的发展，也将根本改变工业控制、测控、环境监测、汽车、医学等短路无线网络应用现状，具有广泛的应用价值。

本论文工作正式结合ZigBee无线传感器网络节点，并实现ZigBee无线传感器星型网的基本应用，为进一步研究创建良好的基础。

1.2国内外研究现状

无线传感器网络的研究起步于90年代末期，从2000年起，传感器节点以及由其构成的无线传感器网络引起军世界、学术界、工业界的极大关注和普遍重视。

自20世纪90年代起，美国的很多大学和科研机构就开始了无线传感器网络的研究。

加州大学伯克利分校研制的用于无线传感器网络研究的演示平台现已成为研究无线传感器网络最主要的试验平台之一、罗克韦尔技术研究中心与加州大学洛杉矶分校合作开发的无线传感器网络原型与系统已在美国一些政府机构和工程项目上进行了相关实验、哈佛大学开展了传感器网络中痛讯理论基础等研究、麻省理工学院致力于极低功耗无线传感器网络技术的研究等。

无线传感器网络的研究首先在军方应用和推广，美国陆军近年来连续启动了一系列研究计划，探索无线传感器网络在未来战争中的应用。

DAPAR资助的SensIT项目，通过部署在战场的多种传感器组成的自组织特性的传感器网络，使指挥员和士兵可及时了解战场形势、迅速全面地获得战场实况信息，大大提高了参战人员对战场态势的感知能力。

2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够预警以地铁、车站等公共场所目标的生化武器，并及时采取防范对策的系统，系统集有毒气体检测传感器和网络于一体，该系统的研制有效增强了公共场所抵御生化武器袭击的能力。

在国内，无线传感器网络领域的研究也在很多科研机构展开。

中科院上海微系统与信息技术研究所从1998年开始就对无线传感网络进行了跟踪和研究，并完成了一些终端节点和基础的研发，中科院电子所和沈阳所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展研究，2004年国家自然科学基金资助浙江大学和中科院合作开展了无线传感器网络通信协议、定位、部署和覆盖等方面的研究，中科院宁波所计算技术研究所也较早开展了无线传感器网络的研究，并于05年12月开发出了基于IEEE802.15.4协议的GAINS节点和SNAMP平台。

1.3课程设计意义和目标

随着2004年底ZigBee协议的正式颁布，关于ZigBee无线传感器网络的研究和应用在世界各地蓬勃展开，ZigBee的特点使得它在无线传感器网络领域具有非常重要的地位。

目前，ZigBee技术的研究处于初期阶段。

研究从节点的硬件设计、节点功能软件设计、协议研究及协议移植、计算机管理软件开发、ZigBee星型网应用层开发等多方面同时展开。

课题的主要任务是建立ZigBee开发初级平台，为后续的无线定位、路由开发等ZigBee技术的深入研究和ZigBee产品开发奠定基础。

具体就是在研究ZigBee技术及其协议栈的基础上，首先是设计与实现硬件平台，其次课题组进行ZigBee组网研究和移植Microchip公司基于PIC单片机的ZigBee协议栈MpZBee1.0-3.6到AVR单片机上，实现ZigBee协议的软件化，并进行ZigBee星型网的应用层开发和无线传感器网络管理软件ZS_WSN的设计与开发，最后使用研制的节点、开发的无线传感器网络管理软件完成ZigBee星型网的基本应用。

第二章无线传感器网络简介

2.1传感器网络体系结构

2.1.1传感器网络结构

传感器网络结构如图2-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。

大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，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它传感节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。

用户通过管理节点岁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。

图2-1传感器网络节构

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，还要对其它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传感器网络研究的重点。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转化，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

汇聚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。

2.1.2传感器节点结构

传感器节点有传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2-2所示。

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线痛信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块位传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

图2-2传感器节点体系结构

2.1.3传感器网络协议栈

随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。

图2-3（a）所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。

另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

各层协议和平台的功能如下：

物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；

数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制；

网络层主要负责路由生成与路由选择；

传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；

应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；

移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

图2-3传感器网络协议栈

图2-3（b）所示的协议栈细化并改进了原始模型。

定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。

它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议的等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。

所以在图2-3（a）所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：

另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。

如能量管理，在图2-3（a）中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给配置系统进行能量分配决策；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

2.2无线传感器网络的特征

2.2.1与现有无线网络的区别

无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。

其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信道流。

通常节点具有持续的能量供给。

传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大差别。

传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。

另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。

传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

2.2.2传感器节点的限制

传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。

1电源能量有限

传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。

由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式