无线传感器网络课设

目 录

第一章 绪论---------------------------------------------------------1 1.1 课题的背景------------------------------------------------------1 1.2 国内外研究现状--------------------------------------------------1 1.3 课程设计意义和目标----------------------------------------------2 第二章 无线传感器网络简介-------------------------------------------3 2.1 传感器网络体系结构----------------------------------------------3 2.2 无线传感器网络的特征--------------------------------------------6 第三章 无线传感器网络节点硬件设计方案------------------------------10 3.1 硬件设计方案---------------------------------------------------10 3.2 微处理器的选型与电路设计---------------------------------------10 3.3 供电电路设计---------------------------------------------------12 第四章 无线传感器网络节点功能软件设计和电路调试--------------------14 4.1 编程环境-------------------------------------------------------14 4.2 程序加载和调试工具介绍-----------------------------------------14 4.3 传感器ADC数据采集程序设计-------------------------------------15 4.4 电池状态监测及充电模块程序设计---------------------------------16 4.5 电路功能调试---------------------------------------------------18 第五章 总结与展望--------------------------------------------------19 参考文献-----------------------------------------------------------20

第一章 绪论

1.1课题的背景

当今世界通信技术迅猛发展，无线通信技术已逐步深入到社会生活的各个领域，其中无线传感器网络技术是很有前途的新兴技术之一。随着无线传感器网络支撑技术ZigBee通信协议的发布及完善，基于ZigBee无线传感器网络的研发成为近年来国内外竞相发展的一个领域。这项技术的发展有力地推动了低速率无线个人区域网LR-WPAN的发展，也将根本改变工业控制、测控、环境监测、汽车、医学等短路无线网络应用现状，具有广泛的应用价值。本论文工作正式结合ZigBee无线传感器网络节点，并实现ZigBee无线传感器星型网的基本应用，为进一步研究创建良好的基础。

1.2国内外研究现状

无线传感器网络的研究起步于90年代末期，从2000年起，传感器节点以及由其构成的无线传感器网络引起军世界、学术界、工业界的极大关注和普遍重视。

自20世纪90年代起，美国的很多大学和科研机构就开始了无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校研制的用于无线传感器网络研究的演示平台现已成为研究无线传感器网络最主要的试验平台之一、罗克韦尔技术研究中心与加州大学洛杉矶分校合作开发的无线传感器网络原型与系统已在美国一些政府机构和工程项目上进行了相关实验、哈佛大学开展了传感器网络中痛讯理论基础等研究、麻省理工学院致力于极低功耗无线传感器网络技术的研究等。无线传感器网络的研究首先在军方应用和推广，美国陆军近年来连续启动了一系列研究计划，探索无线传感器网络在未来战争中的应用。DAPAR资助的SensIT项目，通过部署在战场的多种传感器组成的自组织特性的传感器网络，使指挥员和士兵可及时了解战场形势、迅速全面地获得战场实况信息，大大提高了参战人员对战场态势的感知能力。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够预警以地铁、车站等公共场所目标的生化武器，并及时采取防范对策的系统，系统集有毒气体检测传感器和网络于一体，该系统的研制有效增强了公共场所抵御生化武器袭击的能力。

在国内，无线传感器网络领域的研究也在很多科研机构展开。中科院上海微系统与信息技术研究所从1998年开始就对无线传感网络进行了跟踪和研究，并完成了一些终端节点和基础的研发，中科院电子所和沈阳所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展研究，2004年国家自然科学基金资助浙江大学和中科

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院合作开展了无线传感器网络通信协议、定位、部署和覆盖等方面的研究，中科院宁波所计算技术研究所也较早开展了无线传感器网络的研究，并于05年12月开发出了基于IEEE802.15.4协议的GAINS节点和SNAMP平台。

1.3课程设计意义和目标

随着2004年底ZigBee协议的正式颁布，关于ZigBee无线传感器网络的研究和应用在世界各地蓬勃展开，ZigBee的特点使得它在无线传感器网络领域具有非常重要的地位。目前，ZigBee技术的研究处于初期阶段。研究从节点的硬件设计、节点功能软件设计、协议研究及协议移植、计算机管理软件开发、ZigBee星型网应用层开发等多方面同时展开。

课题的主要任务是建立ZigBee开发初级平台，为后续的无线定位、路由开发等ZigBee技术的深入研究和ZigBee产品开发奠定基础。具体就是在研究ZigBee技术及其协议栈的基础上，首先是设计与实现硬件平台，其次课题组进行ZigBee组网研究和移植Microchip公司基于PIC单片机的ZigBee协议栈MpZBee1.0-3.6到AVR单片机上，实现ZigBee协议的软件化，并进行ZigBee星型网的应用层开发和无线传感器网络管理软件ZS_WSN的设计与开发，最后使用研制的节点、开发的无线传感器网络管理软件完成ZigBee星型网的基本应用。

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第二章 无线传感器网络简介

2.1传感器网络体系结构

2.1.1传感器网络结构

传感器网络结构如图2-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点岁传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

图2-1 传感器网络节构

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转化，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以

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是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

2.1.2传感器节点结构

传感器节点有传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线痛信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块位传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

图2-2传感器节点体系结构

2.1.3 传感器网络协议栈

随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。图2-3（a）所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：

?物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； ?数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制； ?网络层主要负责路由生成与路由选择；

?传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；

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?应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

?能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；

?移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

?任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

图2-3传感器网络协议栈

图2-3(b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议的等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。所以在图2-3（a）所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图2-3（a）中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给配置系统进行能量分配决策；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

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2.2无线传感器网络的特征

2.2.1与现有无线网络的区别

无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信道流。通常节点具有持续的能量供给。

传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大差别。传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

2.2.2传感器节点的限制

传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。 1电源能量有限

传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。

传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图2-4所示是Deborah Estrin在 Mobim2002会议上的特邀报告中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。

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图2-4 传感器节点能量消耗情况

无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗状态最大，在空闲状态接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠抓国泰的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接受，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。 2.通信能力有限

无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：

E=kdn

其中，参数n满足关系2

考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制，传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电的等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。

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3计算和存储能力有限

传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格功耗小，这些限制必然导致其携带的处理能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器。除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器节点的操作系统设计了动态能量管理和动态电压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器如SrongARM都支持电压频率调节。

2.2.3传感器网络的特点

1.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通常包括两方面的含义：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。 2.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，如通过飞机播散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。 3.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：a环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；b环境条件变化可能造成无线链路带宽变化，

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甚至时断时通；c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；d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。 4.可靠网络

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不已到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中。 5.应用相关的网络

不同应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。

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用WinAVR开发工具GCC编译器编写程序，程序没有错误时，编译生成*hex机器语言格式，利用JTAGICE仿真器或ISP在线程序下载方式将生成的*hex机器语言格式文件加载到ATmega128L中。JTAGICE仿真器和ISP下载线实物如图4-2、4-3所示。

图4-2 JTAGICE仿真器 图4-3 ISP 下载线

使用JTAGICE仿真器可以完成在线程序加载和在线仿真功能。JTAGICE一端通过RS232接口和上端AVR开发工具AVR studio4.12相连接另一端连接至ATmega128L的JTAGICE接口。ISP功能模块负责将数据写入FLASH或EEPROM，此外ISP方式还支持熔丝位配置和程序加载。

4.3 传感器ADC数据采集程序设计

ADC采集程序应用于节点温度、湿度、振动、光强度、压力等传感器模拟信号的采样。ATmega128L有一个8通道的10位逐次逼近型ADC，ADC与一个8通道模拟多路复用器连接以实现对信号输入电压的采样。

4.3.1ADC的参考电压源VREF的选择

ADC的参考电压源VREF可以是AVCC、内部2.56V基准或外接与AREF引脚的电压。对参考电压源的选择通过寄存器ADMUX设置。当参考电源发生改变时，改变后的第一次ADC转换结果有一定误差，应该舍弃此次转换结果。节点采用REF193芯片提供3v的外部参考电压。

4.3.2寄存器的配置

ADC转换通过对ADC多工选择寄存器ADMUX、ADC控制和状态寄存器ADCSRA、ADC数据寄存器ADCL和ADCH的设置和访问来实现。ADMUX控制参考电压源选择、ADC转换结果对齐方式、模拟通道与增益选择控制。ADCSRA控制ADC转换启动、ADC中断、ADC预分频器等内容，ADCL 、ADCH为ADC数据寄存器，用于存储ADC转换的结果。ADCSRA控制位操作如图4-4所示。

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图4-4 ADCSRA控制位操作

ADC采集程序： #define wait （us） main( ) {

halInit ( ); aplInit ( ); ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( ); do {

aplJoinNetwork( ); while(apsBusy)( )){apsFSM( );} }

while (aplGetStatus( ) !=LRWPAN_SUCCESS); while(1) {apsFSM( );} }

4.4电池状态监测及充电模块程序设计

DS2770是Dallas Semiconductor公司生产的电池电量计及锂基和镍基化学电池充电器控制集成芯片，它可以通过Dallasl-Wire接口与电源管理系统进行通信，以读取电池电压、温度等检测信息，同时读写E2PROM，因而可广泛应用于便携式电子设备中。DS2770工作流程图4-5所示。

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图4-5 DS2770工作流程图

DS2770每隔一段时间将电池电压、温度、电流等参数分别存入电压寄存器、温度寄存器和电流寄存器中。通过记录电池净流入流出电流，电流累加器可以估计剩余电量。DS2770对电压、温度、电流、剩余电量的测量通过读取相应的寄存器获取。DS2770监控程序如下： #include #include

#define CLK_0() (PORTD &= ~BM(CLK)) void delay(void); void lcd_earse(void);

int fmai;

unsigned char reset(void)//复位 {

//int fmai; DQ_0(); _delay_us(29); DQ_1(); _delay_us(2);

fmai=(PORTA >> DQ) & 0x01; //fmai=P10; //定义返回变量 _delay_us(25); return(fmai); }

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4.5电路功能调试

电路功能调试是检验无线传感器网络节点模块性能的重要途径。各个功能模块调试包括对ADC采集模块、电池状态监测模块的软硬件调试。调试需借助实验室已有的设备如：信号发生器、示波器、万用表、JTAGICE仿真器、ISP下载线、AVR Studio4.12、双龙ISP烧写软件等。

图4-6 实验工具

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第五章 总结与展望

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础． 通过这次无线传感网络的课程设计，本人在多方面都有所提高。这次无线传感网络课设，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识。进行一次设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了无线传感网络课程所学的内容，掌握无线传感网络的基本的技能懂得了怎样分析各模块的性能，怎样根据协议确定模块方案，了解了模块的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了模块设计的规范和标准，同时各科相关的课程都有了复习和独立思考的能力。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模块的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次无线传感网络的课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。 同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

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参考文献

[1] 孙利民，李建中，等.无线传感器网络. 北京： 清华大学出版社，2005 [2] 崔莉，鞠海玲,等. 无线传感器网络研究进展. 计算机研究与发展,2005 [3] 张西红，等. 无线传感网技术及其军事应用.国防工业出版社, 2010.3 [4] 栾桂冬等. 传感器及其应用.西安电子科技大学出版社, 2002 [5] 高晓蓉. 传感器技术. 西南交通大学出版社, 2003 [6] 陈杰 黄鸿等.传感器与检测技术.高等教育出版社, 2002年 [7] 何希才. 传感器及其应用电路. 电子工业出版社,2001年

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ijxf.html