南京郵電大學畢業設計(論文)開題報告題目無線傳感器網絡節點的設計學生姓名廖開班級學號B03060338專業電子科學與技術1. 課題任務的學習與理解無線傳感器網絡節點實質上就是一個傳感器單元，主要是為了實現無線監測的目的而設計的。大量的傳感器節點通過無線通信的方式構成一個較大的傳感器網絡，從而可以實現更為強大的功能。一個典型的無線傳感器網絡如下圖所示：從圖中來看，這個課題的內容主要是完成其中的2號路由節點和3號傳感終端節點的設計，其兼具路由和傳感器的功能。當然，為了進行比較完整的實際測試，也(轉附頁)指導教師批閱意見（內容采用小四號宋體，行距18磅，請在意見最后表面是否同意開題。簽署時間為實際時間，推遲完成的報告請在過程檢查表中說明原因并對進度作相應調整。） 指導教師(簽名)： 年 月 日（接附頁）可能會涉及到圖中1號無線控制節點的設計，它可以看作是計算機控制系統的收發端。為了降低設計的復雜程度，我們可以利用一臺計算機、一個具有無線接收（發送）功能網絡控制節點以及一個傳感器節點（綜合了圖中3號終端節點和2號路由節點的功能）來構成一個最簡單的無線傳感器網絡。2. 課題調研綜述無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。在傳感器網絡中，傳感器節點具有端節點和路由的功能：一方面實現數據的采集和處理；另一方面實現數據的融合和路由，對本身采集的數據和收到的其他節點發送的數據進行綜合，轉發路由到網關節點。網關節點往往個數有限，而且常常能量能夠得到補充；網關通常使用多種方式（如Internet、衛星或移動通信網絡等）與外界通信。而傳感器節點數目非常龐大，通常采用不能補充的電池提供能量；傳感器節點的能量一旦耗盡，那么該節點就不能進行數據采集和路由的功能，直接影響整個傳感器網絡的健壯性和生命周期。因此，傳感器網絡主要研究的是傳感器網絡節點。具體應用不同，傳感器網絡節點的設計也不盡相同，但是其基本結構是一樣的。傳感器網絡節點一般由處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元4部分組成，如下圖所示。傳感器網絡節點作為一種微型化的嵌入式系統，構成了無線傳感器網絡的基礎層支撐平臺。因為無線傳感器網絡大部分是采用電池供電，工作環境通常比較惡劣，而且數量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳感器網絡最重要的設計準則之一，從無線傳感器網絡節點的硬件設計到整個網絡各層的協議設計都把節能作為設計的目標之一，盡可能延長無線傳感器網絡的壽命。由于具體的應用背景不同，目前國內外出現了多種無線傳感器網絡節點的硬件平臺。典型的節點包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、AMPS系列、XYZnode、Zabranet等。實際上各平臺最主要的區別是采用了不同的處理器、無線通信協議和與應用相關的不同的傳感器。常用的無線通信協議有802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB和自定義協議；處理器從4位的微控制器到32位ARM內核的高端處理器都有所應用。還有一類節點是用集成了無線模塊的單片機，典型的是WiseNet。2.1 處理器單元處理器單元是傳感器網絡節點的核心，和其他單元一起完成數據的采集、處理和收發。從處理器的角度看，無線傳感器網絡節點基本可以分為兩類：一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。該類節點的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強很多，適合圖像等高數據量業務的應用，也適合作為網關節點。另一類是以采用低端微控制器為代表的節點。該類節點的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。本課題的設計要求比較低，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，常用的無線通信技術有： 802.11b、802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段。在無線傳感器網絡中應用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。在本課題的設計的也將首選這兩種芯片，具體選擇哪種還要進一步考慮其他的相關因素。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧只有32 KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。以上特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網絡中。普通的射頻芯片也是一種理想的選擇，可以自定義通信協議，比較有代表性的MAC協議有TMAC、SMA、CWiseMAC、BMAC、DMAC 等。路由協議有Gossiping、SPIN協議、LEACH協議、TEEN協議等。2.3 電源單元電池種類很多，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴散速度、電極材料的選擇等因素有關。無線傳感器網絡節點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，如果沒有能量補給來源，則應選擇不可充電電池。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有毒性的可充電電池。另外，無線傳感器網絡節點一般工作在戶外，也可以利用自然能源來補給電池的能量。自然界可利用的能量有太陽能、電磁能、振動能等。當然，由于利用自然能具有相當的難度，本課題的設計基本上是不會采用這種方式的。綜合來看，選擇普通的不可充電的電池比較好，具體參數要根據電路設計來確定。2.4 傳感器單元傳感器種類很多，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量，將這些環境變量轉變為可供測量的信號。相對于常規的傳感器，課題的設計中更多的會涉及到的是現成的集成設計的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關心，我們只要知道用就可以了。考慮到整個節點由電池供電，必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡單的傳感器。如果是實際應用，完全可以直接采用不需要信號調理電路的數字式傳感器，而在我們的課題設計中，則應當盡量不要使用數字式傳感器。傳感器電源的供電電路設計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于小電流工作的傳感器，可由處理器I/O口直接驅動，可以減少能量消耗。對于大電流工作的傳感器，I/O口不能直接驅動傳感器，通常使用場效應管來控制后級電路能量輸入。當有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關芯片來實現電源控制。3.