1、嘉興學院畢業設計文獻綜述題目： 應用于平安家居的傳感器網絡節點開發 學院名稱：機電工程學院 專業班級：電信052 學生姓名：任金燕 1、 前言隨著智能家居的發展和人民生活水平的提高，智能家居安防系統開始逐漸成為普通用戶和智能家居設備提供商的關注重點，然而目前在智能家居中大多數的安防系統在安防設備的集成以及安防設備之間的聯動上仍存在不少問題【1】。因此開發一套安全可靠的、能集成任何安防設備，并讓所有安防設備互相聯動的智能家居安防系統就成了當務之急。傳感器技術、 半導體制作技術、 嵌入式處理技術等的快速發展, 無線傳感器網絡（Wireless sensor networks,WSNs）的研究和發展

2、取得了突飛猛進的成果。WSNs作為綜合了傳感器、嵌入式計算、及無線通信等3大技術的新興領域，可以實現人與自然物以及物與物對話的無處不在的通訊和計算。當需要對諸如溫度、光通量、位移以及噪聲等環境參數進行不間斷地傳感、測試和無線信號傳輸時，可以考慮在相關領域中配置智能化的無線傳感網絡，通過對環境待測參數的傳感數據分析來實現檢測目的。從火星探測到野生候鳥的監測【2】，從智能房屋到車輛監測和跟蹤【3】，從軍事“智能塵埃”（Smart Dust）4到輔助足球裁判5，從膠囊腸鏡到住院病人病情監控6，從材料結構健康監測到災害監測7，從人體內藥物劑量控制到精細農業,廣闊的應用前景掀起了國內外對WSN的研究熱潮

3、。無線傳感器網絡是由大量傳感器節點8,9,10,11通過無線通信技術自組織構成的網絡 ,在無線傳感器網絡系統中 ,每一個傳感器節點都具有無線通信功能 ,各個測點的傳感器單元對此處的參數進行測量 ,并組成一個無線網絡 ,將測量的數據以無線方式送給監控中心。一個基本的網絡節點一般包括無線通信模塊、數據處理模塊、數據采集模塊和電源模塊等部分12。1）、數據處理單元數據處理單元負責控制整個網絡節點，是整個網絡節點的計算核心，也是無線報警網絡節點的核心部件。網絡節點需要使用一個低功耗，功能相對強大的處理器。 使網絡節點能與無線通信模塊進行數據交流，實現數據的采集和處理，對電源節能，管理整個網絡節點運行狀

4、態及檢測等，故選用了TI公司的MSP430系列13單片機 。MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結構，CPU的16個寄存器和常數發生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率。靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。數字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6s的時間內被激活到正常的工作方式。MSP430系列單片機的16位定時器是應用于工業控制如紋波計數器、數字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內置的硬件乘法器大大加強了其功能并提供了軟硬件相兼容的范圍，提

5、高了數據處理能力。2）、數據傳輸單元數據傳輸單元負責與其他節點進行無線通信、交換控制消息和收發采集數據 ,其中無線通信損耗的能量占整個無線報警網絡能耗的主要部分 ,因此該模塊的選擇事關低功耗設計的全局。無線收發部件采用的調制模式、數據率、發射功率和操作周期等都是影響通信能量消耗的關鍵因素。選擇無線收發芯片時應考慮功耗、發射功率、接收靈敏度、收發芯片所需的外圍元件數量、芯片成本等因素。該模塊單元選用 Chipcon公司的 CC1100射頻芯片。該芯片體積小,功耗低,數據速率支持1.2500 kbps的可編程控制,可以工作在 915 MHz、 868 MHz、 433MHz、 315 MHz四個波

6、段,在所有頻段提供-3010dBm輸出功率。其中CC1100工作在433 MHz的頻率上,采用 FSK調制方式,數據速率為 100 kbps ,信道間隔為 200kHz。SPI總線接口技術是一種高速、 高效率的串行接口技術,主要用于擴展外設和進行數據交換。2、 主題 智能家居最早出現在上世紀1480年代的日本和歐美，并于90年代進入我國，到上個世紀90年代后期，一些企業開始引導國外的智能家居技術和產品在國內推廣，還有一些大的集團公司也看好該領域，通過各種途徑介入，促進整個行業迅速發展。例如，近期北京15萬通、望京家園、大連星海人家、深圳通達、上海月訊等房地產企業都宣布和國內著名企業合作，建立智

7、能家居系統。盡管智能家居每年以高于20%的比例在迅速增長，但是真正有消費需求的消費者對智能家居的功能還不是很了解，由于目前行業內部受各自實力和渠道的限制，加上和消費者真正接觸的裝飾公司對智能家居的理解還不夠深刻，還沒有能力提供智能家居的設計和服務，導致最終消費者的需求得不到滿足。當前，具體公司生產的也僅僅是一些自動化產品，而技術結構提供的解決方案在理論層次上偏多，并且成本超出一般用戶的承受水平。智能家居行業內部的公司更多的是依靠技術起家，而目.大部分規模有限，公司管理還不規范，所以我國的智能家居行業真正走向成熟還有一段時間，在向大眾普及的過程中需要有一定的步驟性。無線傳感器網絡的最初研究來源于

8、美國軍方。加州伯克力大學首先開發了名為“Smart Dust”（智能灰塵）或“Mote”的無線傳感器開發系統。近幾年，越來越多的研究機構加入了研究無線傳感器的行列，其中斯坦福大學、洛杉磯加利弗利亞大學Rockwell研究中心、Missouri大學、Houston大學和New Jersey科技學院分別于1999年和2001年研究了專用于各自研究領域的具有特殊功能的無線傳感單元。UC Los Angeles、Intel Research Lab、美國空中軍事研究所、Crossbow技術公司和MIT媒體研究也都做出了各自的貢獻。CrossBow技術公司,他們配合Berkeley的TinyOS,研制出

9、了Mica系列的無線傳感器，真正的使無線傳感器走向了實用。特別是CrossBow技術公司把所有硬件的原理圖都公布在了網上，更加方便了用戶的自我研制開發。同時開放了一個TinyOs論壇，這個論壇提供的開發平臺已經成為全世界無線傳感愛好者的交流的平臺，大大加快了無線傳感器的研發推廣速度。目前的研究表明：無線傳感網絡可以廣泛應用于國防軍事、國家安全、環境科學、交通管理、醫療衛生、反恐、災害監測等領域。無線傳感器網絡的發展之所以那么迅速，是人們看到了無線傳感網絡與傳統傳感網絡之間的差距：1) 電源容量有限。網絡節點由電池供電，電池的容量一般不是很大。其特殊的應用領域決定了在使用過程中，不能給電池充電或

10、更換電池，一個節點的生命周期很大程度上取決于電源的使用時間，一旦電池能量用完，這個節點也就失去了作用(死亡)。因此在傳感器網絡設計過程中，任何技術和協議的使用都要以節能為前提。2) 無中心。無線傳感器網絡中沒有嚴格的控制中心，所有節點地位相同，是一個對等式的網絡。節點可以隨時加入或離開網絡，任何節點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。3) 自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何己布設的網絡設施，節點根據分布式計算及自身的網絡協議組織，初始及管理網絡。4) 動態性。傳感器網絡是一個動態的網絡，傳感器節點可以是靜止的，也可以是移動的。要想在大規模的無線自組傳感網絡中預先定義它的網絡結構

11、是不可能的。每個傳感器節點上的能量供應有限，而且環境是不斷變化的，因此一個節點可能會因為電池能量耗盡或其它故障，退出網絡運行;一個節點也有可能在網絡運行一段時間后才被添加到網絡中去。這都會使無線傳感網絡具有動態的拓撲結構。所以，要考慮分散數據的傳送以及網絡的動態性特征，要求網絡具有自組織的功能。5) 節點數量多。為了實現對目標地區的檢測，需要在目標地區配置大量的節點，而且節點之間分布密集。這樣，才能利用節點的高度連接性和密布性來實現對特定區域數據的索取以及保證數據的容錯性。三、總結 伴隨著計算機、網絡通信、嵌入式系統等相關技術的發展以及計算機用戶的日益增多，智能家居的發展具有越來越大的發展前景

12、。而安防功能是智能家居的基礎模塊，越來越受到人們的重視。本文結合目前發展情況，本著應用推廣的目的，設計并開發了應用于平安家居的傳感器網絡節點。在系統設計過程，對于硬件設備選擇、通信模型建立、家庭安全等涉及到的問題都采用具體的應對措施給以解決。 應當指出的是，平安家居的自動化控制不等同于其的智能化。智能化的平安家居是一個龐大的系統工程，能實現包括遠程監控、自動報警、遠程報警、智能識別等多種功能。本文所實現的也僅為平安家居的一個功能單元，實現了用戶最現實的功能需求。另外，本文在設計過程中，考慮了智能家居兼容過去、適應現在、體現未來的特性，預留了功能接口，以備以后功能擴展和升級需要。在設計的過程中，

13、主要注意一下幾點：（1）無線節點性能，包括提高射頻信號傳輸功率和降低節點功耗。射頻信號傳輸功率主要是針對射頻信號傳輸的衰減問題，從硬件電路設計中的阻抗匹配和射頻天線的設計尋求解決方法和突破。節點功耗的問題主要從軟硬件兩方面考慮解決方法，首先采用更低功耗的處理芯片和射頻芯片，TI公司的MSP430系列是提高處理芯片該方面很好的選擇；而目前流行的基于ZIGBEE協議的無線收發器是此類低功耗芯片的首選。（2）無線傳感網絡節點的定位。節點的準確定位是無線傳感網絡應用的重要條件。由于其工作的區域或者是人類不適合進入的區域，或者是敵對區域，傳感器節點需要借助其他手段拋撒于工作區域，節點的位置都是隨機的。而

14、節點所采集到的數據必須結合其在測量坐標內的位置信息才有意義，沒有位置信息的數據幾乎沒有利用價值。無線傳感網絡要在這些特殊的區域應用，首先必須要解決的問題是以最小的通信開銷和硬件代價實現節點定位。（3）傳感器元件的選用。傳感器網絡與普通的網絡一樣，傳感器接收命令和傳送信息也面臨著安全性的考驗。無線傳感網絡可能工作于敵對區域，敵人可以竊聽無線信道的數據;可以發送偽造信息，給我方造成錯誤決策；可以針對網絡協議，設立偽造網關，使得節點信息無法向監控中心傳輸。四、參考文獻1徐欣.智能家居現狀研究與思考.電子產品世界,2003,2:56-582Joseph Robert Polastre.Design a

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