1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 位置固定节点的无线传感器网络的设计 1 前言 传感器网络可以使人们在各种时间、各种地点和各种环境条件下，获取大量可靠、真实的信息，真正体现了无处不在的计算这个理念。 主要包括了传感器模块，中央控制模块，网关模块和传输网络模块等。 它 能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪 。具有感知、计算和通信能力。在完成对感知对象的信息采集、存储和简单的计算后，通过传输网络传送给远端的监控中心。无线传感器网络中的传 感器可以协作地感知、采集和处理被监控区域的感知对象的信息及数据，发布给使用一
2、定形式终端设备的用户。它融合了传感器技术，嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。 无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，将给人类的生活和生产带来深远的影响。美国的技术评论将无线传感器网络列为未来新兴的十大技术之首。可见他的广泛使用是一种必然的趋势。 2 主题 1. 无线传感器网络 无线传感器网络（ WNS, Wireless Sensor Networks）是由多个节点组成的面向任务的无线自主网络。 该 项技术的研究始于 20 世纪 90 年代 。但是那时的 美国国防部高级研究计划局研究的重点是传感器节点技术，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
3、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。 而 美国的技术评论更是将无线传感器网络列为未来新兴的十大技术之首。 目前无线传感器网络是通信、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。近年来备受关注的“物联网”核心的实质其实就是无线传感器网络，即是在互联网的基础上，利用无线射频识别技术、无线数据通信等技术。 通过这些年的发展无线传感器网络的应用已经是非常的广泛了
4、 。无论是 在条件恶劣和无人坚守的环境 中，还是在人员密度和流动都非常大的公共场合中都能体现出其巨大 的应用价值。 除此之外在军事国防、工农业生产、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域，也将发挥极大作用。 传感器最主要的特点是 无中心结构。节点的地位对等，网络中所有节点的地位对等， 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。 第二、传感器是 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可以快速、自组的组
5、成一个独立的网络 。第三、传感器 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 。第四、传感器网络 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网络节点完成的，每个节点既能专发信息
6、，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。 第五、 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 。 2. 传感器网络的不足及缓解方法 传感器网络的主要不足包括以下的两个方面。其一、 电池续航能力小。无线传感器网络的节点大多是用电池供电，电池的续航能力较小。在许多场合中无法对电池进行充电或更换。当节点的电能用完，该节点就失去了作用。 其二、 硬件资源及功能有限。无线传感器节点由于受价格、体积和能源的限制，其计算、数据处理能力、储存空间有限，决定了节点操作系统设
7、计中，协议层次及内容不能过于复杂。 第一个不足主要可以通过对无线传感器网络进行一 定的功耗管理来解决。功耗管理是无线传感器网络的几个核心问题之一，其原因是无线传感器网络需不断处于监听状态，并且使用的独立的电源，如果功耗管理问题没有处理好，可能需要时常更换电源，而使网络适用于大多场所。无线传感器网络中最大的耗能部件是射频模块，使用是优化的主要目标。传感器节点的无效功耗主要来自以下四个来源。 （ 1）节点不知道其他节点何时给自己发数据，所以射频模块必须一直处于接收和判断状态，消耗大量的能源。而这个方面的问题并没有在这次设计中得到妥善的坚决。 （ 2）多个节点同时向同一节点发送多帧数据，信号相互干
8、扰，波形相互叠加，收方无法准确接收，虽可通过数据重发来解决数据接收的问题，但是数据重发会带来能量的浪费 （ 3）由于发送和接收的数据，这此和下次的数据相互干扰。使接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。虽然可以通过重发来提高数据发送的稳定性，但是也会因为重发而使无线传感器网络消耗更多的能量。 （ 4）发送的控制数据不是有效的数据，而转发所消耗的能量对用户来说是无效的。应尽量减少。在软件设计的时候应加以注意。 针对这几个方面的无效功率损耗，可以有这样几个方法来减少功率损耗。 方法一是使数据发射的频率不同；实现无冲 突的强制信道分配，属于非碰撞的 MAC协议。理论上可以避免碰撞，从而可以保实时性
9、。方法二是使它是有竞争的 MAC协议，节点可以使用信道并且不受其他节点的干扰。不需使用任何 MAC 控制包。但是实现方法复杂，软件编写繁琐。方法三是使数据在不同的时间进行发射，此方式为各个节点分配独立的信道，在一个子节点发送数据的时候其他节点禁声，而转发的时候只有一个节点进行转发，其他不是最短路径上的节点就不进行转发。从而在同一时间，空间上只有一个信号，从而不会进行相互干扰。从而减小甚至消除数据冲突和数据串扰所带来的能量消耗 第二个不足 主要是通过传感器技术的发展，研究开发出更多更实用的传感器来解决。传感器近几年已经得到了很好的发展，但是由于技术的限制，还是不能满足人们所有日常生活的需要。而通
10、过发展传感器技术就可以克服 硬件资源及功能有限的不足。可以致力于减小传感器的价格、体积和能源的限制，提高其计算、数据处理能力、储存空间。 3. 单片机串口通信 单片机的串口通信主要通过单片机的两个管脚，既 TXD， RXD 其中一个发射，另一个接收。通信方式主要有 3 种：单向配置，只允许数据向一个方向传送；半双向配置，允许数据向两个方向中的任一方向传送，但每次只能有一 个站点发送；全双向配置，允许同时双向传送数据。而适用于能负责无线传感器网络通信的单片机至少是半双向配置的，因为无线传感器网络的节点经常既被作为接收节点也被作为转发节点。如果选用单向配置的单片机则无线网络不能很好的进行通讯。既不
11、能同时作为转发节点，同时作为接收节点。而常用的 51 单片机有着很好的性能，可以胜任无线网络通讯的任务。 3 总结 综上所述，对无线传感器的进行一定的研究还是很有必要的。并且在这次毕业时间过程中需要重点考虑怎么解决传感器网络的不足。通过对传感器的研究克服它的第一个不足，通过对算法进行一定的研 究克服它的第二个主要不足。虽不能完全的解决，但是需要把这两个不足对传感器网络的影响减小到最小。 单片机串口是一个很适合通讯时使用的数据收发手段，但是为了提高它的稳定性，还需要对其通信时的通信协议进行制定，并且需要完全解决它在通信时数据收发过程中冲突的问题。这个问题的解决主要是依靠通过软件开发时单片机串口收
12、发的算法。 这两个要求多可以通过改进算法来解决，所以算法的研究是无线传感器网络能否设计好的一个重要方面和瓶颈。如果能够顺利得到一种成熟的，性能良好的无线传感器网络算法，无线传感器网络的运作的性能就会变得很良 好。如若不然，则无线传感器网络不能良好的运作，甚至只能在研发工程中有用，不适与推广和大范围的使用。 4 参考文献 1郁有文，常健，程续红传感器原理及工程应用 TP西安：西安电子科技大学出版社， 2003 2 陈林星 .无线传感器网络技术与应用 TP.电子工业出版社 .2009.3. 3 汪 涛 .无线传感器技术导论 TP.清华大学出版社 .2008.2. 4 崔逊学，左从菊 .无线传感器网
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