1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 位置固定节点的无线传感器网络的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 基于单片机 传口通讯的位置固定节点的无线传感器网络的装置 。 无线传感器网络由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络。它 综合了传感器技术、嵌入式系统开发、现代网络技术等，具有感知、计算和通信能力。主要由传输单元，计算单元、存储单位组成。 本文介绍了一种用单片机以及一个基于 cc1101 的无线串口通信模块作为主要硬件，通过单片机编程进行无线通讯的一种 装置 。该装置具有内置 MAC 地址，通过 MAC 地址能任
2、意的设置 IP 地址。设定了 IP 地址之后数据在网络中能够进行自主的转发，从而到达目的地址。并且具有检测网络是否通畅的功能。整个设备硬件件结构简单，软件编程灵活。 关键词： 无线传感器网络，节点，多跳，单片机串口 II The design of nodes position been fixed wireless sensor network Abstract The device that nodes position been fixed wireless sensor network based on the communication of MCUs Serial. Wireles
3、s sensor networks consisting of multiple nodes. And its task-oriented self-organizing wireless network. It combines sensor technology, embedded systems development, modern network technology, with sensing, calculating and communication capabilities. Mainly compose by the transmission unit, computing
4、 unit, storage units. This paper describes a device consisting of MCU and wireless modules which based on the cc1101 use as the main hardware, and achieve wireless communication by MCU programming. The device has a MAC address, and IP address which can arbitrarily be set through the MAC address. Aft
5、er setting the IP address， the data in the network can be carry out independent forwarding to reach the destination address. It also has the function of detecting whether the node can be reached or not. The devices hardware is very simple. And its software can be programming flexibility. Key words：
6、Wireless sensor networks， node， multi-jump， MCUs Serial III 目录 摘 要 . I Abstract . 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 1 1.1 无线传感器网络的基本要求和设计原则 . 2 1.2 无线传感器网络的基本原理和特点 . 1 1.2.1 无线传感器网络的原理 . 错误 !未定义书签。 1.2.2 无线传感器网络的特点 . 错误 !未定义书签。 1.3 无线传感器网络的国内外发展现状 . 1 1.4 毕业设计的主要内容 . 2 1.5 课题的意义与应用 . 2 2 硬件电路的设计 . 6 2.1 单片机最小系统 . 6
7、 2.2 无线串口模块 . 7 2.3 硬件上的连接 . 8 3 算 法研究与软件设计 . 错误 !未定义书签。 3.1 时分复用（ TDMA） . 错误 !未定义书签。 3.1.1 传感器节点无效功率的主要来源 . 错误 !未定义书签。 3.1.2 减少无效功率的方式 . 错误 !未定义书签。 3.1.3 时分复用的实现 . 错误 !未定义书签。 3.2 最短路径算法 . 错误 !未定义书签。 3.2.1 假设与抽象 . 错误 !未定义书签。 3.2.2 实现方法 . 错误 !未定义书签。 3.3 转发算法 . 错误 !未定义书签。 3.4 地址设定 . 错误 !未定义书签。 3.3.1IP
8、 地址和硬件地址 . 错误 !未定义书签。 3.3.2 地址解析及其协议 . 错误 !未定义书签。 3.4 ping 功能 . 错误 !未定义书签。 3.3.1ping 功能的作用 . 错误 !未定义书签。 3.3.2ping 功能的协议 . 错误 !未定义书签。 4 调试现象及说明 . 错误 !未定义书签。 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 25 IV 附录 1 串行通信的程序 . 25 附录图 2 eerom 保存数据的程序 . 39 附录图 3 主函数程序 . 42、 毕业设计（论文）题目 1 1 绪论 1.1 无线传感器网络的原理和特点 1.
9、1.1 无线传感器网络的原理 无线传感器网络的基本 构成原理是由一种或几种传感器原件或模块采集出一种或几种信号，然后将这种信号通过模数转化，转化成数字信号，然后通过数据传输模块进行传输，最后在一个地方进行汇总，通过对汇总的数据的处理，得到要执行的方案，又通过数据传输模块进行再次传输，最后完成控制的过程。 原理方面，包括传感器测数据的原理，无线数据传输的原理，模数转化的原理。这些原理都不在这进行复述，后文会提到部分本次设计中使用到的无线数据传输原理，详见后文。 1.1.2 无线传感器网络的特点 本次设计的无线传感器网络具有以下几个特点： （ a）节点的地位对等。无 中心结构，网络中所有节点的地位
10、对等，并构建成一个对等式的网络。节点可以随时加入或离开网络，网络中的部分节点发生故障不影响整个网络的运行。而每一个节点在网络中的地位一致，在特定某一次通信时可以被作为特定的目标节点或中继节点。但是整体来看并无中心结构，地位一致。 （ b）自组方式组网。组网不依赖与任何固定的网络设施，传感器节点通过分布式网络协议形成自组型网络，能够自动调整来适应节点的移动、加了和退出。网络中多个运行着的节点在起始节点和目标节点确定以后就可以快速、自组的组成一个独立的网络。并且传输路径也随之确定，具 体的路径在会在后文中的最短路径中讨论。 （ c）网络的拓扑结构不确定。无线传感器网络中的节点可能由于电池能量的耗尽
11、或故障从网络中退出，也可能是按照设定的程序从网络中退出；网络外的无线传感器节点可以随时加入到网络中；传感器节点具有移动属性。除此之外，环境因素或者节点能量耗尽等因素也可能导致节点故障或失效。为增强监控精度而加入新的节点，都会使网络的拓扑发生改变。而拓扑结构发生改变之后，数据传输时都是简化成同一种拓扑结构之后再传输的，简化方法也会在算法中进行详细的分析。 （ d）采用多跳的形式进行传输传感器网络中的节 点的通信距离较短，节点只能以相邻节点直接通信，要实现在网络覆盖范围之内的较远节点通信，需要通过中间节点进行路由接力传递数据。无线传感器网络中的多跳路由是由普通毕业设计（论文）题目 2 网络节点完成
12、的，每个节点既能专发信息，又能发送信息。节点采用多跳接力来完成各个节点向目标节点的数据发送。 （ e）无线传感器网络能自动空间寻址，传感器节点都具有一个网络中的唯一标示，数据采集发生在某一个节点，而用户关心的是数据发生的具体位置，而不是空间位置寻址的方式。而空间位置寻址方式会在算法中分析。标示的形式会在路由协议中进行介绍 1.2 无线传感器网络 技术的发展现状 早在 20 世纪 90 年代末，美国国防部高级研究计划局就对传感器节点技术进行研究，而在那时在传感器群中，各个不同传感器节点间只进行较简单的点对点通讯。 而随着 无线通信技术和微电子技术的飞速发展， 无线传感器网络 也渐渐的成为了 一种
13、新兴技术 ,到了 20 世纪末，美国商业周刊将无线传感网络技术列为 21 世纪最重要的 21 项技术之一。 无线传感器网络是一种全新的信息获取与处理技术，目前是通信、计算机和自动化等领域一个新兴的研究热点。它能够实时感知和采集覆盖区中的各种信息并进行处理，处理后的信息通过无线方式发送给 观察者。 传感网能够直接感知客观世界，极大地增强了现有网络的功能和人类认识世界的能力。无线传感器网络深入我们生活的每个环节、渗透社会的每个角落，有利于提高人们认识物理世界的深度、广度、精确性、及时性，加强后和密切人类与物理世界的联系，大力提高人类对物理环境的远端监视和控制能力。因而具有十分广阔的应用前景。 大规
14、模的数据通信是近些年无线传感器网络技术的一个重点，也是取得成就比较多的方面。很多应用场合中，需要大规模部署无线传感器节点，形成一个覆盖面很大的监控区域。在这样的网络系统中，传感器节点经过数据采集后，使用 多跳路由将数据送往下一个节点，大量的传感器节点进行数据传输，而一个节点要对大量数据进行协同处理，。监测区域内密集的自治节点产生大量的传感数据，有效地对大量节点所获感知数据进行协同处理，在此基础上完成无线传感器网络的任务。 1.1 无线传感器网络的基本要求和设计原则 随着我国社会主义市场经济的不断发展和人民生活水平的不断提高， 无线传感器网络开始得到人们的关注。无线传感器网络刚开始研究的重点是传
15、感器节点技术，在传感器群中，各个不同传感器节点间只进行较简单的点对点通讯。而随着 无线通信技术和微电子技术的飞速发展， 无线 传感器网络 的研发已经转毕业设计（论文）题目 3 到了整体网络的实际设计，无线转发算法的设计。传感器的节点也从点到点转变成了数目庞大的整体网络。 到了 20 世纪末，美国商业周刊将无线传感网络技术列为 21 世纪最重要的 21 项技术之一。 无线传感器网络的基本要求包括以下几个方面的要求： 1、数据传输稳定。数据传输是无线传感器网络主要用途。数据传输不丢帧是对无线传感器网络的最基本要求。在无线传感器网络的传输过程中，应该设计一个防止丢帧的算法，即发送完成之后，接受的节点
16、进行判断，如果已经接收到发送的数据，则进行返回数据，如果发送的节点也没有接到 返回的数据，则数据进行重发。但是这个方法只适用于节点较少的无线传感器网络，因为如果无线传感器网络的节点数目较大，则数据发送效率会过低。这就要求我们选择数据发送较为稳定的数据发送模块。如果模块发送数据稳定则没有这个问题。 2、功耗小。无线传感器网络会一直处于监听状态，所以功耗也会一直处于最大状态，如果功耗一直过大则无线传感器网络工作的时间就会过短，这是无线网络传感器能否良好工作的一个重要因素，除了选择功耗较少的无线发射模块和一块功耗较低的单片机之外。必须对无线传输算法进行一定的优化，达到功耗较低的要求。 3、 传输数据
17、速度块。传感器网络的传输具有很高的实时性，这就要求在传输的过程中达到传输速度快。这可以通过两个方法来实现，其一、选择传输速度较快的传输模块。其二、在单片机的算法中进行优化，达到计算速度块，转发数据计算快。 1.4 毕业设计的主要内容 如图 1，就是本次设计的无线传感器网络总的结构示意图。其中用户可以根据需要控制的内容，在上位机中输入一定的数据，通过无线传输送给集控器。集控器接收到后进行转化，再传送到所需要控制的节点进行具体的控制。而在节点与节点之间可以任意的传输，从而克服由于无线传感器的距离限制带来 的局限性。例如需要从 D 传送到 A，但是无线传感器的传输距离只能从 D 传输到 C或从 C
18、到 B，此时就可以通过 C,B 做为中继的传输节点来传送。而 C， B 除了在D 到 A 的传输中起到了中继节点的作用以外还能作为一个目标的节点，而究竟是作为什么节点是由无线传感器网络的通信协议来规定。 毕业设计（论文）题目 4 图 1.1 无线传感器网络的结构示意图 通信协议时本次设计的重点，通信协议需要完成数据传输是所必须规定的中继节点，起始节点，目标节点，多跳时的步长等等，当然还有最重要的传输的数据。 还有通信数据的重新生成也是本次设计的一个重要方面，需要根据要求重新判断所需要传输的数据，并且生成新的传输数据。 除此之外，根据实际使用的需要，还包括了以下两个实用的功能： 1,设计一个检验
19、无线传感器网络是否通畅的命令，例如需要验证能否从 D传送到 A，则需要发送一个命令，而 A 能接受到之后进行处理，并且返回一个命令， D 能接受到这个命令则代表本条无线传感网络通畅，没接收到则代表在传送的过程中数据丢失。 2,每一个节点的 ID 数据都不同，但是在实际生产过程中，不可能对单片机逐块的进行数据烧写，这就需要在设计过程中进行这方面的考虑，使无线网络能够通过上位机有设置数据的功能，而通过无线 网络的传输，使节点自动设置数据。 1.5 课题的意义与应用 本次课题主要围绕着无线网络传感器的组网规则、最短路径的传输方法和通信协议等问题进行研究。解决了一个基本的无线网络的通信问题，并且对于大规模生产提出了一整套可行的方便的解决方案。能够切实解决实际应用中遇到的问题。 本次课题应用广泛，无论是军事，生活，监测，控制还是其他的领域都能够得到广泛的应用。比如：加一个红外的传感器，就可以将这个无线网络传感器毕业设计（论文）题目 5 网络应用于安全防卫的场合。只需要再加一个电源模块，并且对无线网络传输协议进行一定的修改，就能实现 监测到有人体发出的红外线，就进行报警的系统。把各个节点散布于一个需要监测的区域内就能通过此无线传感器网络进行报警。
