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 选题的背景、意义 20 世纪 90 年代，无线传感器网络开始得到人们的关注。而在此之前，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。 无线传感器网络应用的十分广泛。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
2、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。无线传感器网络是一种新型的分布式测控系统，由分布在监测区域内的大量传感器节点组成。得益于无线通信技术和微电子技术的飞速发展，开发低成本、低能耗、多功能的微型无线传感器节点已成现实。 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。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、
3、无线数据通信等技术。 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。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 无线传感器网络的概 念 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。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。它融合了传感器技术，嵌入式计算机技术
4、、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。通过各类微型传感器网络对目标信息进行实时监测，由中央控制模块对信息进行处理，并通过网关模块和传输网络模块将信息传送至远程监控中心。 无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，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，发布给使用一定形式终端设备的用户。 2.2 无线传感器网络的特点
5、 无线传感器网络具有以下特点。 （ 1）节点的地位对等。无中心结构，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。 （ 2）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、自组的组成一个独立的网络 （ 3）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
6、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 （ 4）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，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。 (5)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。 （ 6）具
7、体一次通信中的无用节点多，由于大型的无线传感器网 络的节点数量众多，因此要使无线传感器网络具有较高的节点数，来保证整个系统的工作稳定性。 (7)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计中，协议层次及内容不能过于复杂。 （ 8）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。 2.3 计算机的网络系统中的地址设定 如今的 计算机的 网络是分层的，先设计某个特定功能的模块，然后把模块拼起 来组成整个网络。局域网也不例
8、外，一般来说， 网络可 从下至上分为：物理层、媒体接入控制层（ MAC），逻辑链路控制层（ LLC）。 标识网络中的一台计算机，一般至少有 多 种方法，最常用的是域名地址、 IP地址和 MAC 地址，分别对应应用层、网络层、物理层。网络管理一般就是在网络层针对 IP 地址进行管理，但由于一台计算机的 IP 地址可以由用户自行设定，管理起来相对困难， 所以就引出了 MAC 地址来解决这个问题。 MAC 地址一般不可更改，所以把 IP 地址同 MAC 一起管理就成为常见的管理方式。 (1)MAC 地址 MAC 地址就是在媒体接入 层上使用的地址，也叫物理地址、硬件地址或链路地址，由网络设备制造商生
9、产时写在硬件内部。 MAC 地址与网络无关，也即无论将带有这个地址的硬件（如网卡、集线器、路由器等）接入到网络的何处，每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有唯一的 MAC 地址。 (2)IP 地址 IP 地址基于逻辑，比较灵活，不受硬件限制，也容易记忆。 MAC 地址在一定程度上与硬件一致，基于物理，能够标识具体。这两种地址各有好处，使用时也因条件而采取不同的地址。是 网络运营商分配的 . 2.4 无线传感器网络的关键技术 无线传感器技术是一门交叉的学科，涉及计算机、微电子、传感器、网络、通信、信号处理等诸
10、多领域，较多的将一些其他新技术融入其技术体系中。随着许多相关新技术的发展，该技术也在迅速发展。已经取得重要进展的有以下几种关键技术。 （ 1）低功耗自组机制。 许多带有天线和无线收发模块的无线传感器网络节点协同监测特定区域的特定物理量的信息数据，而无线传感器网络节点携带能量有限，为使网络有较长的生存期，必须致力于从不同方面改进节点能源利用效率。 无线传感器网络的能量消耗有：数 据传输环节、信号处理环节和硬件操作环节。在许多应用场合中，都要求尽量地使部署网络具有较低的成本，许多无线传感器网络节点通常采用非回收式应用模式，通过自携电源供电。电源耗尽，这种非回收式工作的传感器节点就退出网络而失效。
11、（ 2）异构系统的互联互通 异构系统的互联互通包括传输网络中异构网络的互联互通及融合和异构节点系统的互联互通。传输网络是无线传感器网络的重要组成，如果没有可靠的传输网络， sink 节点就不能把信息数据通畅地传送给远端的监控中心或监控终端。传输网络在多种情况下可以由多种不同网络来充当，也可以使用 多种不同制式的网络组成一个复合环境下传输网络。要使多种不同制式的网络构成一个能通畅传输信息数据的网络，就要解决不同制式的异构网络的互联互通及融合问题。 当前的无线传感器网络一般是基于单一目的的应用，网络内的传感节点都是相同的，整个系统的设计只是为某一个特定环境对特定的一些物理量进行监测和控制，一般较少
12、考虑异构节点系统互联问题。异构节点系统互联关系到无线传感器网络是否具有开放的体系结构涉及通信协议的设计和研究、 MAC 协议及路由算法等。 （ 3）大结构关联协同地处理数据 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， sink 节点要对大量数据进行协同处理，这种数据处理具有大结构关联协同处理特点。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。 3 课题的研究内容及拟采取的研究
13、方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 研究方法 课题的研究主要使用 keil C 来开发控制软件。并且在 keil C 中可以进行 一些必要的仿真和前期调试。 硬件的开发先在洞洞板上做一些可行性试验。在洞洞板上实现之后，用protel 进行制板，以满足实际生产工程之中的批量生产的需要。 3.2 难点 无线传感器网络是由多个无线节点组成的，而无线节点包括了无线传感器和单片机等部分。其中无线传感器是无线节点的重要组成部分，限制了无线节点之间的传输距离，传输稳定性等重要技术指标。所以无线传感器的选择成为了组网的一个难点。根据实际使用的需要，选择功耗低，传输距离远，数据传送稳定的无线传感
14、器模块。 在无线传输过程中，节点既作为目标节点，又作为中继节 点。作为中继节点的时候需要判断目标节点而进行转发，转发过程中如果有两个节点一起发送则可能发生波形干扰叠加，而使信息失真甚至丢失，这是本次毕业设计所需要克服的。初步考虑可通过单片机的转发算法来进行限制，使信息按照最短路径来进行传输从而不使两个节点一起发送数据。而算法的研究也是本次的难点。 通信过程中需要制定一个通信协议，此通信协议中的信息需要包括目标节点，中继节点，源节点，路由，传输数据，版本类型等信息。而通信协议的具体制定，单片机解码的具体过程等问题，都有待在本次设计中一一解决 3.3 预期达到的目标 如图 1，就是本次设计的无线传
15、感器网络所能达到目标的结构示意图。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，通过因特网的传输送给集控器。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 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的。 图 1 无线传感器网络的结构示意图 根据实际
16、使用的需要，设计一个检验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。 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。 4 研究工作详细进度和安排 1.第一学期第 7-17 周，毕业设计题目的选择和确定以及开始做外文翻译、文献综述、开题报告。 2.第一学期第
17、 18 周，完成外文翻译和文献综述、开题报告的初稿工作。 3.假期时进一步修改完善文件综述、开题报告，考虑设计方案、论文框架。 4.第二学期第 1-2 周，完成文件综述、开题报告定稿。 5.第二学期第 3-6 周进行毕业设计，在实习中总结经验为毕业设计做准备。 6.第二学期第 7 周开始正式进行毕业设计，先将查找到的文献进行资料分析，提出总体设计方案，然后再进行硬件设计和软件设计。 7.第二学期第 7-13 周完成毕业设计的初稿及修改工作。 8.准备答辩 5 参考文献 1张少军 .无线传感器网络技术及应用 .中国电力出版社 ,2010. 2陈林星 .无线传感器网络技术与应用 .电子工业出版社
18、.2009.3. 3汪涛 .无线传感器技术导论 .清华大学出版社 .2008.2. 4崔逊学，左从菊 .无线传感器网络简明教程 . 清华大学出版社 . 2009.7. 5李文峰 .无线传感器网络与移动机器人控制 .科学出版社 .2009.1. 6崔逊学 ,赵 堪 ,王成 .无线传感器网络的领域应用与技术设计 .国防工业出 版社 .2009.5. 7李朝青 .单片机原理及接口技术 .北京航空航天大学出版社 .2005.10 8王玲芳 费 岚 严正香 .移动无线传感器网 原理、应用和发展方向 .机械工业出版社 .2010.1 9 谢希仁 .计算机网络（第 5 版） .电子工业出版社 .2010.4 10何立民 .MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 M.北京航空航天大学出版社 ,1999. 11黎连业，郭春芳，向东明 .无线网络及其应用技术 .清华大学出版社， 2004. 12 孙利民 , 李建忠 ,等 .无线传感器网络 .清 华大学出版社 , 2005.5.
