毕业设计说明书基于WSN的无线防盗报警系统设计.docx

1、毕业设计说明书基于WSN的无线防盗报警系统设计xxxx UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 基于WSN的无线防盗报警系统设计学生姓名 xxx 学 号 专业班级 通信工程 指导教师 xxx 学 院 答辩日期 2012年6月11日 基于WSN的无线防盗报警系统设计A Burglar Alarm System design based on wireless Xxx08250xx摘 要无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN) 是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。随着

2、无线传感器网络的迅速发展，将WSN技术运用于实现家庭报警具有实际应用价值，在本设计中使用无线传感器采集信息，在zigbee网络，热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，将信号输入cc2430模块，经过模块处理后，把信息发给接收端，接收节点处理后，将信息传入单片机中对信息进行处理，通过报警装置发生报警，人们就可以知道。现代人们对安全越来越重视，这个设计刚好满足现代人的需求。关键字：传感器；单片机；WSN AbstractWSN（Wireless Sensor Network）is composed of a large number of micro-integration node d

3、ata-centric wireless self-organizing network，With the rapid development of wireless sensor networks, WSN technology used in home alarm with the practical application of value, Wireless sensors to collect information used in this design, In zigbee networkPyroelect rice infrared sensors through the ta

4、rget and background of temperature difference to detect target，In will signal input cc2430 module，Treatment after the module，In the information to the receiver In receiving node after treatment Through the network in zigbee transceiver, The information is introduced into the single chip microcompute

5、r processes the information，in through the alarm device that people can know it, nowadays modern people to pay more and more attention to safety, The design just meet modern needed.Keywords: Sensor; Single-chip microcomputer; WSN 第1章 绪论 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN) 是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理

6、单元和无线通信模块)的节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；网络节点数量大、密度高，节点有一定的故障，节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制，网络拓扑结构变化很快，以数据为中心。无线传感器网络则将网络技术引入到

7、无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。1.1 无线传感网络的发展 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用

8、，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、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监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有

9、影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。 WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2002年美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM

10、在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。 2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同

11、推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业

12、与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。1.2 WSN相关的会议和组织WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Proce

13、ssing in Sensor Network(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会

14、正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.3 WSN在我国的发展现状我国现代意义的WSN及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年，中科院成立了微系统研究与发展中心推进WSN的研究。2006年，WSN作为重大专项、优先发展主题、前沿领域被列入国家中长期科学与技术发展规划(20062020)，并成为重大专项“新一代宽带移动无线通信网”的重要方向之一。 目前，中国的WSN应用已经深入到智能家电、智能楼宇、智能交通、中小企业管理等民用领域。2010年上海世博会上WSN也得到了示范和应用。无线传感器网络技术在国内起步并不晚，但真正开始大规模研发是在2004年至2006年间。2

15、007年后呈现出爆发性增长态势，有些年份的专利公开数量出现翻番，发明专利授权数量的增加也达到上一年的3倍以上。主要原因可能在于2004年后中国国家自然科学基金委员会、国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)、国家“863”重点项目、国家重点基础研究发展计划“973”、国家发改委“中国下一代互联网工程项目(CNGI)”等相继将WSN技术列为重点领域和优先课题。随着2008年工业和信息化部“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项的启动，专利申请趋势保持上扬目前中国与美国权利人/申请人分别拥有数量最多的发明专利授权与专利总数。日本、韩国次之。从比例上看，中日韩三国拥有的专利数大幅度领先于

16、其他国家和地区在华拥有最多WSN技术相关专利的权利人/申请人主要为国外大型企业。排名前三的分别为三星公司、诺基亚公司与皇家飞利浦公司。只有华为一家国内企业进入前十。但相对的，在发明专利授权数量上华为公司排名第四位，相对国外企业的差距并不大。另外需要说明的是，排名前十位的企业申请的均为发明专利。与前述美国专利权利人/申请人排名对比可以发现，在WSN技术领域较为领先的公司在中美两国都有大量的申请。拥有最多美国专利的摩托罗拉公司在中国的排名也是第十一位，可见该领域技术竞争之激烈。1.4 WSN技术的成熟度分析 Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。

17、2005年，Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在25年内走向成熟。2006年，Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些；而到了2007年，Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是10年以上。 超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看，WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技

18、术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。 市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技

19、术上有所突破；另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。1.5传感器网络的应用 （1）在军事上的应用，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，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息，美国国防部及各军事研究部门对WSN技术都给予了高度重视，在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调

20、基于WSN技术的战场情报感知能力、信息综合能力和信息利用能力。作为很有代表性的WSN军事应用研究项目，“智能灰尘(Smart DuST)”和“沙地直线(A Line in the Sanel)”也取得了令人瞩目的研究成果。“智能尘埃”的设计思想是，在战场上抛撒数千个具有计算能力和无线通信功能的低成本、低功耗超微型传感器模块并组成网络，用于监控敌人的活动情况，并将采集到的原始数据进行简单处理后发送回指挥部。“沙地直线”是国防高级研究计划局的资助下开发的一种WSN系统。该系统可将探测节点散布到整个战场，侦测战区内高金属含量的运动目标。欧洲，德国、芬兰、意大利、法国、英国等国家的研究机构也纷纷开展了

21、WSN技术基础理论与军事应用的相关研究工作。日本与韩国甚至将建设WSN系统提升到国家战略高度。我国目前的WSN技术研究已具初步规模，但对于WSN技术的军事应用研究尚处于起步阶段。（2）环境观测和预报系统，也应用到了无线通信网络，但是农业监测的范围很广，于是要用到成千上万的传感器，这样造成了庞大并复杂的控制网络。传统的农业主要靠孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人们亲自到耕地现场监测作物的生长状况。但是，自从采用了传感器和 ZigBee 网络，农业即将逐渐地面向信息化和智能化的方向发展。这种生产模式，就是采用更多的自动化、网络化、智能化以及远程控制的设备进行耕种。通过传感器能够收集到土壤的

22、湿度、氮浓度、 pH 值、降水量、温度、空气湿度及气压等。这些信息将通过 ZigBee 网络传送给中心控制器，农民可通过监控设备对处于不同位置的传感器数据进行分析，分析后可对不同的地区采取对应措施。这样就可以提早发现问题并解决问题，从而有助于提高农作物的质量和产量。 （3）医疗护理，采用 ZigBee 无线通信网络和传感器，能够准确而实时地监测病人的信息，如血压、体温和心率等信息。传感器用来采集病人的信息，通过ZigBee网络将数据传送给监控设备。这样很大程度上减少了医生护士一个个查房的工作负担，而且这样节省了很多时间。医生通过监控设备可以快速的反应并想出对策，尤其是对重病和病危患者来说十分重

23、要。用于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。 例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯 片和天线组成。 第2章 无线传感器网络 无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集

24、能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落。2.1 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。2.1.

25、1 网络拓扑控制对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。WSN拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单

26、跳可达的邻居数目；目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的DRNG和DLSS算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。 2.1.2 数据融合在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的问题。如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗；如果传输原始采集的数据，可以降低节点处

27、理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。2.1.3 定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效

28、、分布式计算等要求。现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。基于测距的定位机制利用到达时间延迟、信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的需求，是目前大家重点关注的定位机制。2.1.4 无线通信技术传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低

29、速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方案。2.1.5 时间同步传感器网络中由于节能策略,节点在大部分时间是休眠的,所以要求解决通信同步问题,即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外,传感器网络是一个分布式网络,所有节点在通信上地位对等,没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态,往往需要做到全

30、网或者一定范围内所有节点的同步,而不是通信双方的简单同步。2.2传感器的节点结构 传感器模块 处理器模块 无线通信模块 图2.1传感器节点结构无线传感器由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）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；无线通信模块（网络、MAC、收发器）负责与其他传感器节点进行无线通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。除了这四个模块外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和

31、自供电系统等。由于传感器节点采用电池供电，因此尽量采用低功耗器件，以获得更高的电源效率。由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面要尽量的采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。2.3 WSN组网模式组网模式,在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。(1)扁平组网模式所有节点的角色相同，

32、通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。(2)基于分簇的层次型组网模式 节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。(3)网状网(Mesh)模式Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。Akyildiz L F等总结了无线Mesh网络的应用模式。(4)移动汇聚模式移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹 相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。Bi Y等研究了多种Sink的移动汇聚模式，还有