南京郵電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告.doc

南京郵電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告題目無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名廖開(kāi)班級(jí)學(xué)號(hào)B03060338專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)1. 課題任務(wù)的學(xué)習(xí)與理解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)傳感器單元，主要是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)測(cè)的目的而設(shè)計(jì)的。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式構(gòu)成一個(gè)較大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而可以實(shí)現(xiàn)更為強(qiáng)大的功能。一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)如下圖所示：從圖中來(lái)看，這個(gè)課題的內(nèi)容主要是完成其中的2號(hào)路由節(jié)點(diǎn)和3號(hào)傳感終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，其兼具路由和傳感器的功能。當(dāng)然，為了進(jìn)行比較完整的實(shí)際測(cè)試，也(轉(zhuǎn)附頁(yè))指導(dǎo)教師批閱意見(jiàn)（內(nèi)容采用小四號(hào)宋體，行距18磅，請(qǐng)?jiān)谝庖?jiàn)最后表面是否同意開(kāi)題。簽署時(shí)間為實(shí)際時(shí)間，推遲完成的報(bào)告請(qǐng)?jiān)谶^(guò)程檢查表中說(shuō)明原因并對(duì)進(jìn)度作相應(yīng)調(diào)整。） 指導(dǎo)教師(簽名)： 年 月 日（接附頁(yè)）可能會(huì)涉及到圖中1號(hào)無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，它可以看作是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的收發(fā)端。為了降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，我們可以利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)具有無(wú)線接收（發(fā)送）功能網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（綜合了圖中3號(hào)終端節(jié)點(diǎn)和2號(hào)路由節(jié)點(diǎn)的功能）來(lái)構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2. 課題調(diào)研綜述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息（如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象），并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)具有端節(jié)點(diǎn)和路由的功能：一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對(duì)本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)往往個(gè)數(shù)有限，而且常常能量能夠得到補(bǔ)充；網(wǎng)關(guān)通常使用多種方式（如Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等）與外界通信。而傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常龐大，通常采用不能補(bǔ)充的電池提供能量；傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一旦耗盡，那么該節(jié)點(diǎn)就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和路由的功能，直接影響整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究的是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。具體應(yīng)用不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也不盡相同，但是其基本結(jié)構(gòu)是一樣的。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由處理器單元、無(wú)線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元4部分組成，如下圖所示。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺(tái)。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一，從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計(jì)都把節(jié)能作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，盡可能延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。由于具體的應(yīng)用背景不同，目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、AMPS系列、XYZnode、Zabranet等。實(shí)際上各平臺(tái)最主要的區(qū)別是采用了不同的處理器、無(wú)線通信協(xié)議和與應(yīng)用相關(guān)的不同的傳感器。常用的無(wú)線通信協(xié)議有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定義協(xié)議；處理器從4位的微控制器到32位ARM內(nèi)核的高端處理器都有所應(yīng)用。還有一類節(jié)點(diǎn)是用集成了無(wú)線模塊的單片機(jī)，典型的是WiseNet。2.1 處理器單元處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。從處理器的角度看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類：一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強(qiáng)很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，也適合作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。另一類是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。本課題的設(shè)計(jì)要求比較低，采用能耗較小的低端微控制器是合適的。2.2 無(wú)線通信單元可以利用的傳輸媒體有空氣、紅外、激光、超聲波等，常用的無(wú)線通信技術(shù)有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費(fèi)頻段。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。在本課題的設(shè)計(jì)的也將首選這兩種芯片，具體選擇哪種還要進(jìn)一步考慮其他的相關(guān)因素。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。以上特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。普通的射頻芯片也是一種理想的選擇，可以自定義通信協(xié)議，比較有代表性的MAC協(xié)議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由協(xié)議有Gossiping、SPIN協(xié)議、LEACH協(xié)議、TEEN協(xié)議等。2.3 電源單元電池種類很多，電池儲(chǔ)能大小與形狀、活動(dòng)離子的擴(kuò)散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要，電路模塊的效率也至關(guān)重要。按照能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池和鋰電池、鋰聚合物電池等。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高，如果沒(méi)有能量補(bǔ)給來(lái)源，則應(yīng)選擇不可充電電池。在可充電電池中，鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度最高，但是成本也比較高，鎳錳電池和鋰聚合物電池是唯一沒(méi)有毒性的可充電電池。另外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般工作在戶外，也可以利用自然能源來(lái)補(bǔ)給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽(yáng)能、電磁能、振動(dòng)能等。當(dāng)然，由于利用自然能具有相當(dāng)?shù)碾y度，本課題的設(shè)計(jì)基本上是不會(huì)采用這種方式的。綜合來(lái)看，選擇普通的不可充電的電池比較好，具體參數(shù)要根據(jù)電路設(shè)計(jì)來(lái)確定。2.4 傳感器單元傳感器種類很多，可以檢測(cè)溫濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度等物理量，將這些環(huán)境變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y(cè)量的信號(hào)。相對(duì)于常規(guī)的傳感器，課題的設(shè)計(jì)中更多的會(huì)涉及到的是現(xiàn)成的集成設(shè)計(jì)的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關(guān)心，我們只要知道用就可以了?？紤]到整個(gè)節(jié)點(diǎn)由電池供電，必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單的傳感器。如果是實(shí)際應(yīng)用，完全可以直接采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器，而在我們的課題設(shè)計(jì)中，則應(yīng)當(dāng)盡量不要使用數(shù)字式傳感器。傳感器電源的供電電路設(shè)計(jì)對(duì)傳感器模塊的能量消耗來(lái)說(shuō)非常重要。對(duì)于小電流工作的傳感器，可由處理器I/O口直接驅(qū)動(dòng)，可以減少能量消耗。對(duì)于大電流工作的傳感器，I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)傳感器，通常使用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)控制后級(jí)電路能量輸入。當(dāng)有多個(gè)大電流傳感器接入時(shí)，通常使用集成的模擬開(kāi)關(guān)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電源控制。3.