摘要
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。
本文就是面向具体的应用，以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标，研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。
通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。该设备具有能量自检测功能，并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。采用模块化软件设计，引入有限状态机进行系统模式调度，设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。通过引入多个节点的温度采集、反馈控制实验和节点生命周期静态测试实验，验证了本设计的可行性和实用性。
关键词：通信网络技术；无线传感器网络；节点设计
ABSTRACT
With the rapid progress of communications, embedded computers, and sensors, smart sensors are becoming more and more popular in the world, which are capable of sensing, computing, and communication.
This thesis researches on the architecture, composition, and implementation of wireless sensor nodes, with the military application and the goal of sensing anything.
A fundmental structure of the universal wireless sensor network node device was proposed in this paper by summarizing the principle of the wireless sensor network node．And a wireless sensor network node device was implemented based on the ultralow power comsumption processor Atmega128L and the radio frequency chip CC2420．This node device could do power monioring itself．It also could be used in many condition by exchange the data collection circuit which was connected to the universal hardware interface．Software modularization design was used in this paper and finit state machine was used to finish the system mode scheduling．An adapt-layer software Waft designed and implemented，which could both run by itself and by the embeded operating system ．The technical feasibility of this design and the availability of the device were also verified in this paper by the multi-node temperature collect and feedback control tests and the static life cycle test of this device.
Key words ：communication network technology；wireless sensor network；node design
目录
1 绪论.................................................. 错误！未定义书签。
1.1课题背景 (1)
1.2无线传感器网络的特点 (1)
1.3无线传感器网络的应用 (2)
1.4论文构成及研究内容 (4)
2 无线传感器网络平台 (5)
2.1传感器网络平台 (5)
2.1.1传感器节点的设计要求 (5)
2.1.2 无线传感器网络体系结构 (6)
2.1.3 无线传感器网络应用系统结构 (7)
2.1.4 数据采集 (8)
2.1.5 传感数据到Internet (8)
2.1.6 用户与传感数据交互 (9)
2.2无线传感器网络的关键性问题 (9)
2.3本章小结 (11)
3 系统的设计与实现 (12)
3.1系统设计与实现 (12)
3.1.1 微处理器电路 (12)
3.1.2 数据存储电路 (13)
3.1.3 无线通信模块 (16)
3.1.4 电源管理模块 (18)
3.1.5 充电及状态显示模块 (18)
3.1.6 传感器模块 (20)
3.1.7 外部接口 (22)
3.2节点设计的要点 (23)
3.3本章小结 (24)
4 总结与展望 (26)
4.1总结 (26)
4.2未来的研究方向 (27)
参考文献 (28)
致谢 (29)
无线传感器网络节点的系统研究
1 绪论
1.1 课题背景
21世纪是人类社会全面进入信息电子化的时代，信息电子化离不开信息技术的支持。信息技术是指有关数据信息的收集、识别、提取、变换、存储、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术，是一门综合性很强的技术。它可归纳为信息采集、信息处理、信息传输三大领域，这三大领域的发展互相渗透，互相促进，二者缺一不可，才使得信息技术高效快速地向前发展。
(1) 信息采集技术的关键是传感技术。传感技术的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此传感技术是现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位。传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。
(2) 信息处理技术以计算机技术为核心。计算机从其诞生起就不停地为人们处理着大量的信息，而且随着计算机技术的不断发展，它处理信息的能力不断地加强。现代信息技术一刻也离不开计算机技术。
(3) 信息传输技术以通信技术、网络技术为代表。卫星通信、移动通信等无线通信技术的发展，拓展了通信技术的应用领域。现代通信技术正朝着数字化、宽带化、高速化和智能化方向发展。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络与传统网络相比较起来有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感器网络存在很多新的问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要特点有[1]：
(1) 无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。无线传
点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。
(2) 无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。
(3) 无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。
(4) 无线传感器网络的拓扑结构变化非常快。由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化非常快，这对网络的各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。
(5) 以数据为中心(Data Centric)。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”，而不会关心“节点8所探测到的温度值是多少”。这就是无线传感器网络以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户[2]。
1.3 无线传感器网络的应用
传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场评估、核攻击和生物化学供给的监控和搜索等功能。
(2) 环境监测和预报系统
随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。
(3) 医疗护理
传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括：监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等等。如果在住院病人身上安装特殊的传感器节点，例如心率和血压检测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解到被监护病人的病情，发现异常能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。还可以利用传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。
(4) 智能家居
传感器网络能够应用在家居中。在家电和家居中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享用适合的室温，也可以遥控电饭煲、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作，以可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。
(5) 建筑物状态监控
建筑物状态监控(structure health monitoring，SHM)是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔的小震动可能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可能在下一次地震中导致建筑物倒塌。
作为CITRES(Center of Information Technology Research in the Interest of Society)计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、
建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级进行一系列自我修复工作。未来的各种摩天大楼可能就会装备这种似红绿灯的装置，从而建筑物可自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。
（6）其他方面的应用
复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”、以及“基于情况的维护”三个阶段。采用“基于情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证制造成本仍然低廉。其维护开销可以分为几部分：设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数据的开销。采用无线传感器网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无线技术避免了昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析[3]。
1.4 论文构成及研究内容
本文以当前的无线传感器网络研究为背景，提出了一种易布置的无线传感器网络的网络系统结构的设计，以及简单的传感器节点的设计，针对传感器节点的特殊性，提出了基于组件模型的网络通信系统的设计，其中包括了网络协议栈组建层的设计。最后，提出了确保无线传感器网络安全应用的机制。本文的组织结构大致如下：
1、绪论,主要介绍了无线传感器网络的课题背景，特点和应用领域。
2、无线传感器网络平台，本章从上述两个方面探讨了硬件平台设计以及无线通信计算。首先分析了传感器节点硬件的特点，以及参考了MICA的传感器节点硬件结构。然后，根据无线传感器网络特定的应用与传统网络之间的差异性，我们给出了利用传感器节点采集数据，并最终传输到用户终端的无线传感器网络的应用系统结构。其次，我们还讨论了无线传感器网络的关键性问题，并对其进行分析。
3、系统的设计与实现，本章主要介绍了一种基于ATmega128L和CC2420在2.4GHz频带下工作的无线传感器网络节点的设计和实现，详细讨论了各部分的硬件组成。实验表明，节点可以灵活构成无线传感器网络，节点组成的网络系统性能稳定、通信效率高、功耗低，可广泛应用于控制、信号采集与传输等领域。最后我们提出了节点设计的要点及应注意的事项。
4、总结与展望，对全文进行了总给，并指出了以后的研究方向。
2 无线传感器网络平台
在无线传感器网络中，随机分布的集成由传感器、数据处理单元和通信模块的微小传感器节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的各种信号，从而探测众多我们感兴趣的物理现象。在通信方式上，一般采用短距离的无线低功率通信技术。
从中我们可以看到无线传感器网络应用的关键技术包括网络硬件平台和网络通信系统两部分。支持无线传感器网络的硬件平台，包括传感器节点硬件的设计以及应用系统的部署方案。而网络通信系统的设计，主要包括传感器节点以无线方式自组织成网络，完成数据采集和传输的无线通信系统。
2.1传感器网络平台
2.1.1传感器节点的设计要求
为了满足环境感知与特定应用的需求，传感器节点的硬件以及相应的操作系统软件的设计需要满足下列要求：
（1）小尺寸和低功耗(small physical size and low power consumption)：传感器节点的小尺寸和有限电源限制了其处理、存储和互联能力硬件设训的一个驱动因素就是减少和降低实现某个功能所要求的尺寸和电源。
（2）并发密集型操作(concurrency-intensive operation)：传感器节点最主要的操作模式就是快速地传递消息，在消息传递途中只带少量的操作，而不是传统的接收命令--等待--思考--再响应这样的操作模式。传感器设备即时地捕获信息，处理，再传送到网络中。数据也可以从其它节点接收到，然后在多跳的路由或网桥站点间转发。有很多事件都有实时性的要求。系统必须可以并发地处理多条数据流。
（3）有限的物理并行性和控制层次(limited physical parallelism and controller Hierarchy)：在传感器节点中，控制器数目、控制器性能、网络互联的能力，都比传统的系统要低。在传感器网络中，传感器件或执行元器件通常直接向中央处理器提供个最基本的接口，由MCU直接控制。而传统的系统则将与一组设备相关联的并发处理，分发到多个层次的控制器中，这些控制器通过一个精确的总线结构互联。
（4）设计和使用的多样性( diversity in design and usage)：此类传感器设备倾向于针对
备，需要一些软件组件将硬件组件合成为某些特定的应用。而如何简单地将这些软件组件聚集在一起就变得很重要，为此要求高度的软件模块化。为此需要一个通用的开发环境，允许特定应用可以从一系列设备中构建起来，而不会有烦琐的接口。
（5）健壮的操作(robust operation)：通常在环境中布置的传感器节点数目比较多，而
又会比较隐蔽，并且在大部分时间里传感器节点处于活动状态。传统的冗余技术由于空间和电源的限制而受限制。虽然跨越设备的冗余会比在设备内的冗余更好，但交叉设备之间的冗余通信代价使它的使用受到限制了。因此，需要增强单个传感器设备的可靠性。这进一步提出了高效模块化的要求：组件应该尽可能的独立，通过严格的接口来连接。
2.1.2 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络典型的体系结构如图2-1所示。传感器节点分布于网络的各个部分，
用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink ）。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如Internet 网络或卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。
图2-1 无线传感器网络通信体系结构图
与其它网络一样，传感器网络的协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和
物理层。在应用层采用不同的软件，就可以实现传感器网络不同的目的；传输层提供差错控制和流量控制等功能；网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至信息收集节点；数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。但与蜂网关
传感器节点 控制区域 互联网、E 星或
移动通信网络
监控中心
包括节点（传感器）的低功率、低功耗和有限处理能力，网络的自组织性和容错性，网络的可扩展性要求，网络对能量的敏感性，以及以数据为中心的传输等等。针对这些特性，需要采用适于传感器网络的解决方案。比如，在物理层，可以采用低阶调制技术、超宽带（Ultra-Wideband, UWB ）无线通信技术[4]、射频标签（Radio Frequency Identification ，RFID ）技术等[5]；在媒体借入控制(Media Access Control ，MAC )层可以采用分布式介入控制算法、公平的资源分配算法等；在网络层，针对不同的准则，可采用各种节省能量的分布式路由算法和协议，以及数据融合的算法。
无线传感器网络节点一般由4个部分组成：传感器模块、处理模块、无线收发模块和
能量供应模块，如图2-2所示。其中，传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。
图2-2 传感器节点的体系结构
2.1.3 无线传感器网络应用系统结构
无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN 和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计
目标。传统无线网络的设计目标是在高度移动的环境中，通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。
在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它
们通常运行在人无法接近的恶劣环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命传感器 AC/DC 处理器
存储器 网络 MAC 收发器 传感器模块 处理模块 无线通信模块 能 量 供 应 模 块
有着与传统网络明显不同的技术要求，传感器网络以数据为中心，而传统网络以传输数据为目的。
为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计强调将一切与功能相关的处理都放在网络的终端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。因为布置在环境中的所有传感器节点的地位是公平的，都需要采集数据、发送数据或替其它节点转发数据。传感器节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。
在密集型的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络体系结构的设计提出了新的要求。
2.1.4 数据采集
最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。由于传感器节点离观察点很近，故对传感器的精度要求并不高，降低了成本。高的空间分辨率可以通过布置密集的传感器节点来达到。而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。
2.1.5 传感数据到Internet
我们可以将来自传感器节点的数据传输到Internet上，这些数据可能是原始的，或者被过滤过，或者被处理过。建立到每个传感器节点的直接的广域网的连接是不可行的，因为设备代价太昂贵，它需要消耗传感器节点大量的能量，设备安装也容易对环境带来一些很大的干扰。因此在我们的传感器网络的系统结构中，到广域网的连接功能由基站完成，我们为基站设备提供足够的能量和存储空间。基站可以使用无线局域网与布置了传感器的小块领域通信（通过silk节点）。为了向终端用户提供数据，基站提供WAN连接，并且为传感器区域集合提供了永久性数据存储。
2.1.6 用户与传感数据交互
用户与传感器网络的数据交互有两种方法：(1)远程用户访问基站数据库副本。这个方
法使得很容易集成数据分析和数据挖掘的，同时屏蔽了与基站之间的广域网连接可能断开的情况。对网络的远程控制也是提供数据库接口来提供的。虽然对远程用户来讲，这个控制是足够了，但是定点的用户通常可能要求跟网络更直接的交互。(2)使用类PDA设备，直接与布置了传感器的小块领域通信，以获取所关心的关于环境的一组最新的读入值，并监控网络。
2.2 无线传感器网络的关键性问题
无线传感器网络的协议栈一般包括两个平面：通信平面和管理平面。通信平面包含应用层、数据链路层、网络层、传输层和物理层。管理平面包括电源管理、移动管理和协同管理。通信平面实现网络节点之间的信息传递。管理平面负责检测和控制节点，使得节点能正确地工作。下面以此为基础，讨论无线传感器网络的一些关键性问题。
（1）物理层
物理层主要负责感知数据的收集，并对收集的数据进行抽样，信号的调制解调、信号的发送和接收、功率控制等任务。目前电子电路的技术水平在传送和接收相同长度的比特数据时，发射所需的能量、接收所需的能量，还有CPU处理所需的能量。考虑到无线传感器网络节点的能量十分有限，节能对延长网络的生存时间是十分重要的。因此，可以采用高频来发射信号，采用低频来接收信号。如何进行动态功率的管理和控制是无线传感器网络的一个非常重要的课题。
（2）数据链路层
数据链路层负责媒体接入控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由介质访问控制MAC组成。传统的基于竞争机制的MAC协议很难适应无线传感器网络的需要，因为基于竞争机制的MAC协议需要多次握手，数据发生冲突的几率很大，造成能量的浪费，这在无线传感器网络中是不可取的。因此，无线传感器网络的MAC协议一般采用基于预先规划的机制如TDMA来保护节点的能量。MAC层是无线传感器网络的研究热点之一。
（3）路由层
网络层的主要任务是发现和维护路由。因为多跳通信比直接通信更加节能，这也正好符合数据融合和协同信号处理的需要，在无线传感器网络中，节点一般都采用多跳路由连接信源和信宿。但是，现存的Ad hoc网络多跳路由协议如AODV，RORA和DSR等，一般不适合无线传感器网络的特点。无线传感器网络必须开发属于自己的路由协议。
心的，没有一个全局的标识，一般是基于属性的寻址方式，通常采用按需的被动式路由方式。常见的以数据为中心的路由协议[6]有SPIN，Directed Diffusion和GHT。另外一类常见的路由协议是基于分簇的层次化路由协议，常见的有LEACH和TEEN。关于路由层的研究是无线传感器网络研究领域的一个十分活跃的分支。
（4）协同信号处理
协同信号处理指的是多个节点协作性地对多个信源的数据进行处理。在无线传感器网络中，相邻节点的感知数据具有很强的相关性，存在很大的冗余，因此应该利用协同信号处理技术把相邻节点之间的数据进行融合和压缩，再进行数据传送，从而可以降低数据的冗余度，减少网络的总体流量。此外，无线传感器网络中节点的能量十分有限，而节点又必须完成感知数据、信号处理和与相邻节点通信等多重任务，并且要求信号处理必须在一定的时间内完成。因为协同信号处理具有低时延，强鲁棒性和可测量性等优点，因此也很有必要在无线传感器网络节点之间进行协同信号处理。
协同信号处理是一种按需的、面向目标的信号处理方式，只有当节点接到具体的查询任务时，才进行与当前查询有关的信号处理任务。协同信号处理又是一种多分辨率信号处理方式，能根据不同的查询任务进行不同的信号处理。协同信号处理性能的提高实际上是以增加相邻节点之间的信息交换为代价的，因此，设计实际算法时常常要考虑算法性能和网络资源之间的一个折中。协同信号处理是一项新兴的技术，还有许多问题值得进一步探讨。
（5）跨层设计[7]
当前很多无线传感器网络协议是基于传统的分层结构设计的，但由于无线传感器网络的资源有限，这种分层结构很难适应无线传感器网络的发展需要，而跨层设计则通过层与层之间的信息交换来满足全局性的需要，优化整个网络的性能。无线传感器网络是一种基于应用的网络，有些应用是不需要涉及到所有的网络层的。这样，在设计这种网络体系时，就可以把不相关的层拿掉，仅仅考虑其他层的优化问题。另外，无线传感器网络常常要求网络的生存时间要足够长、网络时延要尽量短，这和无线传感器网络有限的能量供应、有限的节点资源和带宽是一对矛盾，传统的分层结构很难解决这个问题。因此，需要引入跨层设计，跨层地考虑问题。
目前无线传感器网络已经有一些关于跨层设计的例子，如：能量有效的MAC协议、基于能量的路由协议、对资源警觉的数据压缩等。跨层设计是最近很热门的一个研究方向，
高。但是，层与层之间的联合优化将会带来高复杂度的算法，这对无线传感器网络节点的运算能力是一个极大的挑战。
（6）操作系统[8]
操作系统是支撑无线传感器网络的关键技术之一，传统的操作系统Windows和Unix显然不能满足无线传感器网络的需要。为此，我们需要开发新的操作系统，它既要能满足无线传感器网络特殊的需要，又要能高效地利用无线传感器网络节点的有限硬件资源来为应用软件提供服务。操作系统如何自动配置、如何自适应地支持无线传感器网络的需要，这是一个有待研究的问题。
2.3本章小结
无线传感器网络平台以及无线通信系统是无线传感器网络的两大关键技术。本章从上述两个方面探讨了硬件平台设计以及无线通信计算。首先分析了传感器节点硬件的特点，以及参考了MICA的传感器节点硬件结构。然后，根据无线传感器网络特定的应用与传统网络之间的差异性，我们给出了利用传感器节点采集数据，并最终传输到用户终端的无线传感器网络的应用系统结构。其次，我们还讨论了无线传感器网络的关键性问题，并对其进行分析。
3 系统的设计与实现
节点硬件采取模块化结构设计如图3-1所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电
及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信，并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD 液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。
图3-1 节点系统接口
3.1 系统设计与实现
3.1.1 微处理器电路
微处理器电路采用Atmel 公司的ATmega 128L 微控制器[9]，它采用低功耗CMOS 工艺生产，基于RISC 结构，具有片内128KB 的程序存储器(Flash )、4KB 的数据存储器(SRAM )和4KB 的EEPROM ，有8个10位ADC 通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM 通道，具有可编程定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG 、UART 、SPI 、2I C 总线等接口。ATmega 128L [10]可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，因此该微控制器适合于低能耗的应用场合。其接口示意图如图3-2所示。
PC 机 传感器模块 MAX3232 下载器 仿真器
传感器接口
USART 串口
ISP 接口
JTAG 接口 SPI 接口 状态控制 串行接口 IIC 接口 CC2420 无线 通信模块 数据存储器 LCD 显示模块 充电模块 电池及电源管理
1线接口
ATmega128L
VCC3.3
C1
CB CB
C25221V C C V C C PF0(ADC0)PF1(ADC1)PF2(ADC2)PF3(ADC3)PF4(ADC4/TCK)PF5(ADC5/TMS)PF6(ADC6/TDO)PF7(ADC7/TDI)(AD0)PA0(AD1)PA1(AD2)PA2(AD3)PA3(AD4)PA4(AD5)PA5(AD6)PA6(AD7)PA7(ALE)PG2AREF AGND AVCC PE0(PD4/RXD0)PE1(PD0/RXD0)PE2(AC+/XCK0)PE3(AC-/XCK0)PE4(INT4/OC3B)PE5(INT5/OC3C)PE6(INT6/T3)PE7(INT7/OC3)6160595857565554ADC0ADC1ADC2ADC3TCK TMS TDO TDI VREF 626364C5CB VCC R20CB C423456789SCLK
1011
12
13
14
15
16
17
1
201918CSn
S1R211K VCC3.3SW1
1C1610uF 2253G N D G N D U1
51
50
49
48
47
46
45
44
43
35
36
37
38
39
40
41
42
25262728293031322324PS DO LED2LED1FLASH SO FLASH S1FLASH RST 3534
CS SCK LCDSCL LCDSDA RXD TXD SFD CCA (A8)PC0(A9)PC1(A10)PC2(A11)PC3(A12)PC4(A13)PC5(A14)PC6(A15)PC7PEN RESET
PG4(TOSC1)PG4(TOSC2)XTAL2XTAL1C27.3728M C7
C622pF ISP PD4ISP PD0
PB4(DCO)PB2(MISI)PBO(SS)PB1(SCK)RDPG1(INT0/SCL)PD0(INT1/SDA)PD1(INT2/RXD)PD2(INT3/TXD)PD3(DC1)PD4(XCK1)PD5(T1)PD6(T2)PD7WRPG022pF PB3(MISO)PB5(OC1A)PB6(OC1B)PB7(OC1C)
图3-2 微处理器接口
ATmega 128L 的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC 振荡器、内部RC 振荡器、外部
时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L 的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG 编程、ISP 编程等方式设置。本设计中ATmega 128L 采用两个外部晶振：7.3728MHz 晶振作为ATmega 128L 的工作时钟；32.768kHz 晶振作为实时时钟源。
3.1.2 数据存储电路
由于无线传感器节点的通信模块传输能力有限，加上节点工作的占空比非常小，很多
或需要转发的其他节点采集来的数据。
本设计选用512KB串行FLASH AT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图3-3所示。
图3-3 数据存储电路
AT45DB041中的数据按页存放，主存共2048页，每页264字节，所以总容量为528K字节（约4M比特）。存放在主存中的数据掉电不丢失。除了主存以外，AT45DB041还有两个容量为264字节的数据缓存。缓存可以用作主存与外部进行数据交换时的缓冲区域，也可以暂存一些临时数据。缓存读写方便迅速，但掉电数据会丢失。AT45DB041数据读写采用串行方式，读写速度快，从页到缓存的传输时间为80s左右，并且兼容CMOS和TTL输入和输出。
AT45DB041通过片选管脚/CS使能，通过串行输出（SO）和串行输入（SI）进行数据读和写。由串行时钟（SCK）对读写进行控制。设备运行受微处理器的指令控制。一条有效的指令起始于/CS管脚的下降沿，并跟随相应的8位操作码和指定的缓存或主存地址码。当/CS管脚为低时，轮换时钟管脚（SCK）控制操作码和指定的缓存或主存地址码通过SI 口的载入。所有的指令、地址和数据都从高字节开始传送。
（1）数据读取
读缓存：通过不同的操作码可选择读取两个缓存中的其中一个（操作码54H用作读缓存1，而操作码56H用作读缓存2）。为了实现读缓存的操作，在8位操作码后必须跟有15位任意码，9位地址码和8位任意码。其中9位地址码（BFA8-BFA0）被用作指定要读取的首字节。在轮换时钟SCK的控制下，从SI载入操作码、地址码、任意码。当载入结束后，在
SCK轮换时钟的控制下，缓存中的数据就可以从SO读出。当读到缓存的末尾时，设备将继续从缓存的开端重读。在这整个过程中/CS必须保持低电平。读缓存结束后，/CS上一个从低到高的电平跳变将终止读操作。
主存页到缓存的传送：一页数据可以从主存传至缓存1或2，8位操作码（53H用于缓存1，55H用于缓存2）后跟有4位保留位，11位用于指定目的页的地址位（PA10-PA0），和9 位任意码，在轮换时钟SCK的控制下从SI载入。在这一过程中/CS管脚必须保持低电位。当载入结束后，在/CS上检测到一个由低到高的电平跳变后，主存页中的数据开始传送至缓存。在数据传送的过程中，状态寄存器将指示状态忙。
（2）数据写入
写缓存：在SCK的控制下，8位的操作码（84H用于缓存1，87H用于缓存2）后面跟着15位任意码和9位地址码（BFA8-BFA0）由SI载入，其中9位地址码指定了缓存中被写的首字节，数据紧随着地址码输入。/CS上一个由低到高的跳变，将结束写缓存操作。
带有内置擦除的缓存至主存页的传送：8位的操作码（83H用于缓存1，86H用于缓存2）后跟有4位保留位，11位指定要写入的主存页的地址码（PA10-PA0），和9位任意码，在轮换时钟SCK的控制下从SI载入。当/CS上检测到一个由低到高的跳变时，器件将首先擦除被选中的主存页，然后将储存在缓存中的数据写入该页。擦除和写入的过程都是自动进行的，这一进程不超过20ms。在这个时间里，状态寄存器将指示状态忙。状态寄存器值读取:读状态寄存器的值可以用来确定设备的忙闲状态。忙闲状态通过寄存器的第7位指示。如果第7位为1，则设备位于空闲状态并可接收下一条指令。如果为0，则设备忙。在载入8位操作码57H后，从SO上可以读出1字节的状态寄存器的值。
写保护(/WP) B041具有的写保护功能仅对主存的前256页有效。当/WP管脚为低电平时，FLASH禁止对主存的前256页进行写操作（只读），但主存的其它页并不受影响，仍然可以进行读写。AT45DB041的选择性写保护功能为用户的使用提供了很大的便利，用户可以将非常重要的数据，如系统参数、密码和身份信息等存入主存的前256页，并将/WP置低，使这些数据处于写保护状态，以保证这些数据不会被误擦除。而与此同时，用户仍能对其它地址进行读写。如果用户将/WP管脚悬空或接地，FLASH将不具备写保护功能，所有的主存页都可进行读写。
复位(/RESET) B041采用低电平复位，即当/RESET管脚出现低电平（<0.6V）时，芯片停止工作，待/RESET管脚的电平被拉高(>2.0V)后，恢复正常工作。为了避免接通电源时，由于电压不稳可能会对芯片正常工作造成影响，所以在使用时，最好在系统开机后延时
3.1.3 无线通信模块
无线通信模块采用无线射频CC2420[11-12]模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，
使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为250kbps。
CC2420的主要性能参数如下：
●工作频带范围：2.400～2.4835GHz；
●采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；
●数据速率达250kbps码片速率达2MChip/s；
●采用0-QPSK调制方式；
●超低电流消耗（RX：19.7mA，TX：17.4mA）高接收灵敏度（-99dBm）；
●抗邻频道干扰能力强(39dB)；
●内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器采用低电压供电(2.1～3.6V)；
●输出功率编程可控；
●IEEE802.15.4 MAC层硬件可以支持自动帧格式的生成、同步插入以及检测、
16bitCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBC－MAC,CCM)；
●与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；
●开发工具齐全提供有开发套件和演示套件；
●采用QLP-48封装，外形尺寸只有7*7mm。
CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的发送FIFO缓存区、1个128字节的接收FIFO缓存区、1个112字节的安全信息存储器。
CC2420与处理器的连接比较简便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态；处理器通过SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)与CC2420交换数据、发送命令，使用RESETn引脚复位芯片，使用VREG_EN引脚使能CC2420 的电压调整器，使其产生CC2420所需要1.8V 电压，从而使CC2420进入正常工作的状态；CC2420通过单极天线或PCB天线进行通信。其模块示意图如图3-4所示。
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统 文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009 无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集 和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展 《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题，每小题2.5 分，共27.5分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议（ C ）。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为（ D ）。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点（ D ）范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的（ D ）操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发， 主要应用于无线传感器网络方面。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.doczj.com/doc/2612460229.html,N技术使用了哪种介质（ A ）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在（ A ）上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪（ B ）年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种（ B ）机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由 C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应 选择在其它方向上灵敏度（）的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越（）越好。 A A.小；小 B.小；大 C.高；高 D.高；底 10.传感器的频率响应越（），则可测的信号频率范围就越（）。C A.小；高 B.大；宽 C.高；宽 D.大；高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越（），则它的量程就越（），并且能保证一定的测量精度。D A.小；宽 B.小；高 C.高；大 D.宽；大 二、多项选择题。本大题共29个小题，每小题2.5 分，共72.5分。在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为（AD）。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括（ACD）。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法（ABD）。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有（AC）。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制 30 无线传感器网络集传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络因其具有成本低、能耗小等特点，已经展现了非常广阔的应用前景，参考文献[1]和参考文献 [2]中分别介绍了其在农业与医药学领域的应用。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大新技术之一。 随着社会经济的发展及生活条件的改善，人们对工作和生活环境的安全性和舒适度提出了更高的要求，而室内环境与人们的生活与工作息息相关，因此室内环境的监测与控制引起了人们越来越多的关注。为了实现各式各样的生活与工作要求，室内环境的结构也是多种多样的，正是这种结构复杂多样性及区域差异性，给室内环境的监测与控制带来了诸多挑战。但是，随着无线传感器网络技术的发展及应用，这些挑战均迎刃而解。 1 系统工作原理 系统的监控功能主要利用了无线传感器网络技术来实现。系统分为三个部分，分别为监控节点、 下位机和上位机。系统结构如图1所示： 图1 系统结构示意图 监控节点：作为无线传感器网络的基本组成部分，它可以利用搭载的多种传感器来获取室内的环境参数，通过微机电系统将这些参数进行数字化处理，并打包通过无线通讯模块发送至下位机。 下位机：作为无线传感器网络的中心节点，下位机起着承上启下的作用。它既能够通过无线通讯模块与诸传感器节点通讯，又能通过串口与上位机实现信息交互，最终实现了传感器节点与上位机的协调。 上位机：作为无线传感器网络的“大脑”，上位机负责整个传感器网络的正常运行。通过对下位机呈递的数据包进行解码，上位机能够提取各环境参数信息，并将其图形化显示。此外，通过设置环境参 数阈值，上位机可以实现整个系统的自动控制。 基于无线传感器网络的室内监控系统 张新耀 冯启朋 霍 鹏 王亚慧 （中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100） 摘要： 室内环境与人的生活、工作密切相关，一般具有结构复杂及区域差异性大的特点。无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的智能网络，可以有效地监测环境参数变化，并能够对环境异常做出实时处理，从而实现复杂环境下的分区域环境监控，由此设计了一套基于无线传感器网络（WSN）的智能室内监控系统。文章通过对整个系统的设计方法、软硬件实现及系统测试结果进行了分析研究，最终证明了由无线传感器网络构成的系统可以高效地实现室内环境监控的任务。关键词： 无线传感器网络；室内监控系统；环境监控；环境参数中图分类号： TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0030-032012年第30期（总第237期）NO.30.2012 （CumulativetyNO.237） 计算机研究与发展 ISSN 100021239ΠCN 1121777ΠTP Journal of Computer Research and Development 45(1):1～15,2008 收稿日期:2007-11-08 基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(2006CB303000);国家自然科学基金重点项目(60533110);国家自然科学基金项 目(60473075);国家教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目(NCET 20520333) 无线传感器网络的研究进展 李建中 高 宏 (哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨 150001)(lijzh @hit 1edu 1cn ) Survey on Sensor N et work R esearch Li Jianzhong and G ao Hong (School of Com puter Science and Technology ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract Recent advances in sensing techniques ,embedded computing techniques ,distributed information processing techniques and communication techniques have enabled the development of wireless sensor net 2works 1As there is a bright future in their application ,wireless sensor networks have become a new research area in the 21century 1There are large numbers of challenge problems in science and engineering in the wireless sensor network area 1Since 2000,more and more researchers have been engaged in the research work on wireless sensor networks and a lot of research results have already been obtained 1Suiveyed in this paper is the research work on wireless sensor networks ,including the wireless sensor network communica 2tion techniques ,infrastructure techniques ,middleware techniques ,data management techniques ,sensor node and embedded software techniques 1The existing problems in the current research work and the new research issues are also discussed 1At the end of the paper ,many significant references are listed for the re 2searchers 1 K ey w ords sensor node ;sensor network ;communication protocol ;infrastructure ;middleware ;data man 2agement 摘 要 随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展,无线传感器网 络应运而生1由于无线传感器网络的广阔应用前景,它已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1从2000年开始,国内外无线传感器网络的研究日趋热烈,取得了大量研究成果1从无线传感器网络的网络通信技术、基础设施技术、中间件技术、数据管理技术、节点及其嵌入式软件技术等5个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展,讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向,并提供了广泛的参考文献1 关键词 传感器节点;传感器网络;通信协议;基础设施;中间件;数据管理中图法分类号 TP393 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器1由许多微型传感器构成的无线传感器网络(WSN )引起了人们的极大关注1WSN 综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环 境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得 详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户1WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件 下获取大量详实可靠的物理世界的信息,并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域1WSN 是信息感知和采集的一场革命,在新一代网络中具有 基于系统集成技术的节点类型和特点 在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT μAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。 这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。 目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表1。 表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈
无线传感器网络技术的应用
2013秋川大无线传感器网络及应用第一二次作业答案
基于无线传感器网络的室内监控系统
无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络节点介绍
相关主题
文本预览