1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 无线传感器系统的设计 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 - 1 - 摘 要 随着半导体技术、 无线电传播技术 的飞速发展 ,具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛。传感器节点通过自组织的方 式构成无线 传输 网络 ,能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息 ，并加以处理 ,完成对环境的数据采集和监测任务。 无线传感器系统 在军事和民用领域 都 有着非常广阔的应用前景 ， 本文介绍基于 Cypress 公司的 CYFI 无线通信技术，阐述了 CYFI 的组
2、成、工作原理及其特点，及其开发套件 CY3271 在无线传感系统中的应用，并应用 PSoC Designer 开发软件设计了一个无线温度传感器系统。为无线传感器系统的开发与应用提供了新的思路和解决方案。 关键词 ： PSoC， CYFI，温度传感器 - 2 - Abstract As the semiconductor technology, the rapid development of wireless communication technologies, with perception, computation, storage and communication capabilit
3、ies of wireless sensor networks more and more widely Sensor nodes form by way of self-organization of the wireless transmission network, Real-time monitoring, Distributed sensing and collection networks within the region to monitor a variety of information objects, And address to complete the enviro
4、nmental data collection and monitoring tasks. Wireless sensor system in the military and civilian areas has a broad application prospects, This description is based on Cypresss CYFI wireless communication technology, CYFI described the composition, working principle and characteristics, And its deve
5、lopment kit CY3271 in the wireless sensor system, PSoC Designer application development software and design a wireless temperature sensor system Wireless sensor system for the development and application of new ideas and provide solutions. Key words: PSoC， CYFI， Temperature sensor - 3 - 目 录 1 绪论 .1
6、1.1研究背景和意义 .1 1.2 无线传感系统的研究现状 .1 1.3 主要研究内容 .2 1.4 论文内容概述 .2 2 无线传感器网络概述 .3 2.1 无线传感器网络的组成 .3 2.2 无线通信技术概述 .4 3 PSOC的结构与特点 .7 3.1 PSOC简介 .7 3.2 PSOC的结构 .7 3.3 PSOC的特点 .9 4 CYFI及其开发工具 .10 4.1 CYFI无线通信技术 .10 4.2 CYFI的特点和优势 .10 4.3 PSOC的集成开发软件 .12 4.3.1 PSoC Designer .12 4.3.2 PSoC Express .12 4.4 CY32
7、71开发套件 .12 5 无线温度传感器设计 .14 5.1 无线温度传感器工作流程 .14 5.2 温度传感器节点设计 .15 5.3 HUB设计 .20 5.4 工程创建和下载 .23 6 总结 .24 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .25 附录 .26 - 1 - 1 绪论 1.1 研究背景和意义 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能力 , 而
8、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 ,必将成为下一代互联网的重要组成部分 。 随着微机电系统的迅速发展，片上系 SoC(System onChip)得以 实现，一块小小的芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至作出反应 1。传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应
9、用。无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对 21世纪产生巨大影 响力的高新技术之一。 1.2 无线传感系统的研究现状 无线传感模是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末，题为“传感器走向无线时代”。传感技术的发展经历了一般传感器，智能传 感器，无线传感器等几个阶段 2。一般传感器，是最早的传感器，只能用来实现数据采集；智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采集到的信息进行一定程度的计算和处理；无线
10、传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块，而是一个能够实现数据采集，处理，信息交换和控制的有机整体。 为了实现随时随地地与任何人或任何设备的互通，无线通信技术获得了蓬勃- 2 - 的发展。在正交频分附庸（ OFDM）和多入多出（ MIMO）等基础技术 支持下，多种无线技术如蓝牙， Wi-Fi， WIMAX,，超宽带和无线局域网获得了长足的发展。综合了传感器技术，嵌入式计算技术，现代网络及无线通信技术，分布式信息处理技术等的无线传感网络，是当前的热点研究领域 2。而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因而无线传感模块的设计，传感技术，传感
11、网络已经被认定为重要的研究之一。 1.3 主要研究内容 本课题主要 研究 无线通信技术应用在传感器网络系统中的解决方案，通过对比目前流行的多种无线通信技术的优缺点之后，选择 Cypress 公司最新推出的CyFi 低 功耗、高可靠性的无线通信解决方案，设计一个温度传感器监测系统。在设计过程中 了解和研究了利用 CyFi 实现无线传感数据采集系统的方案 ，并 分析无线终端控制系统的组成，研究 CyFi的实现方案。 通过软件、硬件电路的设计，主要完成一下任务： （ 1）分析 CyFi的无线系统的解决方案，确定系统设计中需要用到 PSoC 的内部结构、通用 I/O 数目、所需 Flash 及 SRA
12、M 空间大小等参数 ； （ 2）系统的整体硬件结构设计 (包括芯片规划和外围电路设计 )； （ 3） Cypress Designer5.0 的学习和软件的操作使用 ； （ 4） 了 解 CY3271 开发套件的组成及其应用； （ 5） 应用 CY3271 设计一个无线温度传感器系统 。 1.4 论文内容概述 本论文从学习和研究无线通信技术、 PSoC 片上可编程系统和 CyFi 技术，应用 PSoC Designer 设计无线传感器节点和 HUB 主机的模块电路，组建无线传感网络系统。论文的第一章阐述了课题的研究意义和应用背景；第二章介绍了无线传感网络的发展现状；第三章介绍了 Cypress
13、 的片上可编程系统 PSoC 的结构和特点；第四章介绍了 CyFi 的无线解决方案；第五章介绍应用 PSoC Designer 设计一个无线传 感网络的开发步骤和具体设计方法。 - 3 - 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络是 集传感器技术、数据采集技术和无线通信技术于一体的综合系统，主要 由传感器节点 和无线收发器构成。 能够实时地 监测 、感知和采集节点内的各种信息，如 温度、 光强等，并对这些信息进行处理，然后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者 。 在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居及工业生产控制等领域有着广 阔的应用前景。 2.1 无线传感器网络的组成 如图
14、2-1，无线传感器网络的传统结构主要由 数据采集模块 、 数据处理模块 、无线通信模块 和电源模块 4 部分组成。具体应用不同， 数据采集模块中的 传感器节点 数 不相同 ， 节点的功能 也 不尽 相 同 。无线传感器网络系统 主要是传感器单元在变化，传统的节点具有单一或较少的功能 。 数 据 采 集 模 块传 感 器 节 点A D C数 据 处 理 模 块M C U存 储 器无 线 通 信 模 块无 线 发 送 器无 线 接 收 器系 统 电 源 模 块图 2-1 传统的无线传感网络结构 随着无线传感器在工业生产线、环境监测等领域的广泛应用， 为了感知更多的物理量，需要节点具有扩展性，来实现
15、更多的功能， 因此新 型的 无线传感器网络节点的 设计往往采用 分布式体系结构 3。 如图 2-2，系统中可以设置多个传感器检测节点，各节点挂接在一条 I2C 总线上，进行统一的任务控制，系统中需要多个微处理器来协调控制不同节点信号的传输和处理，因此控制系统的结构变得复杂，对无线通信技术的可靠性和稳定性也提出更高的要求。 - 4 - 系 统 电 源 模 块数 据 检 测 和 处 理模 块 1传 感 器 节 点 1微 处 理 器 1数 据 检 测 和 处 理模 块 2传 感 器 节 点 2微 处 理 器 2数 据 检 测 和 处 理模 块 n传 感 器 节 点 n微 处 理 器 nI 2C接口管
16、 理 控 制 模 块任 务 控 制 与调 度无 线 通 信 模 块通 信 微 处 理 器收 发 器S P I 接 口系 统 电 源 模 块图 2-2 分布式无线传感网络结构 2.2 无线通信技术概述 无线通信技术已经得到广泛应用，目 前使用较广泛的近距无线 通信 技术是红外数据传输 技术 (IrDA)、 蓝牙 技术 (Bluetooth)和 无线局域网 802.11(Wi-Fi)，同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是： Zigbee、超宽频(UltraWideBand)、短距通信 (NFC)、 WiMedia、 GPS、 DECT、无线 1394 和专用无线系统等。 这些无线
17、技术 都 具 有其立足的特点， 有些是 基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求 ；有些是 着眼于功能的扩充性 ；有些是 符合某些单一应用的特别要求 ；有些是 建立竞争技术的差 异化等。但是 目前还 没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。 红外数据传输技术（ IrDA） 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网 (PAN)的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如 PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的 PDA 及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持 IrDA。 IrDA 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通
18、信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。 - 5 - 蓝牙技术是一种 无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距 离 无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的 2.4GHzISM频段，提供 1Mbps 的传输速率和 10m 的传输距离 45。 Wi-Fi(WirelessFidelity,无线高保真 )也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短
19、距离无线通信技术。 Wi-Fi 速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达 100m 左右。 ZigBee 技术 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间 ， ZigBee 联盟负责制定网络层以上协议 ， ZigBee 协议比蓝牙、高速率个人区域网或 802.11x 无线局域网更简单实用。 ZigBee 技术特点主要包括以下几个部分 5： （ 1） 数据传输速率低。只有 10kb/s 250kb/s，专注于低传输应用。 （ 2） 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6 个月以上。这也是 Z
20、igBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 （ 3） 成本低。因为 ZigBee 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 ;积极投入 ZigBee 开发的 Motorola 以及 Philips，均已在 2003 年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。 （ 4）网络容量大。每个 ZigBee 网络最多可支持 255 个设备，也就是说每个ZigBee 设备可以与另外 254 台设备相连接。 (5)有效范围小。有效覆盖范围 10 75m 之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本 上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
21、 (6)工作频段灵活。使用的频段分别为 2.4GHz、 868MHz(欧洲 )及 915MHz(美国 )，均为免执照频段。 超宽带技术 UWB(UltraWideband)是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB 可在非常宽的带宽上传输信号，美国 FCC 对 UWB 的规定为：在 3.1 10.6GHz- 6 - 频段中占用 500MHz 以上的带宽。 UWB 主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这 种新技术适用于对速率要求非常高 (大于 100Mb/s)的 LANs 或 PANs5。
