開題報告(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn))

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：閆安斌學(xué) 號：0905044229學(xué) 院、系：信息與通信工程學(xué)院 電氣工程系專 業(yè)：電氣工程及其自動化論 文 題 目：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)指導(dǎo)教師:劉文怡 2013 年 2 月 28 日畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集傳感器節(jié)點分布區(qū)域內(nèi)各個監(jiān)測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到匯聚節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤，具有快速展開，抗毀

2、性強等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。它是一個由大量廉價的傳感器節(jié)點組成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。其任務(wù)是利用傳感器節(jié)點來監(jiān)測節(jié)點周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過無線收發(fā)裝置采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到用戶端，從而達到目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測110。一 無線聲音傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究最初起源于美國軍方，其研究的項目包括CEO、REMBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、AMPS、SeaWeb、NEST等。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。美國國家自然基金委員會（NSF）也開

3、設(shè)了大量與其相關(guān)的項目，NFS于2003年制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，每年撥款3400萬美元支持相關(guān)技術(shù)研究項目，并在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心；2005年對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)的研究計劃中，主要研究下一代高可靠、安全的可擴展的網(wǎng)絡(luò)、可編程的無線網(wǎng)絡(luò)及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性，資助金額達4000萬美元。此外，美國交通部、能源部、美國國家航空航天局也相繼啟動了相關(guān)的研究項目。2003年，美國技術(shù)評論提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首1。加拿大、英國、德國、芬蘭、日本和意大利等國家的研究機構(gòu)都先后開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。歐盟第6個框架計劃將“信息社會技術(shù)”作為優(yōu)先發(fā)展的

4、領(lǐng)域之一，其中多出涉及對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。日本總務(wù)省在2004年3月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)”調(diào)查研究會。韓國信息通信部制定了信息技術(shù)839戰(zhàn)略，其中“3”是指IT產(chǎn)業(yè)的3大基礎(chǔ)設(shè)施，即寬帶融合網(wǎng)絡(luò)、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。企業(yè)界中歐盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon 等公司，日本的NEC、OKI、Skyleynetwork、世康、歐姆龍等公司都開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究1。我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚，首次正式啟動出現(xiàn)于1999年中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程點領(lǐng)域方向研究的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，該領(lǐng)

5、域的五大項目之一。2001年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)工作。我國學(xué)者非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，南京郵電大學(xué)、北京郵電大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高?？蒲袡C構(gòu)均已開始了該領(lǐng)域的探索研究，其中南京郵電大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的科研成果1。在一份我國未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域157項技術(shù)課題中有7項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年年初發(fā)布的國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)定義了3個前沿方向，其中2個與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān)。我國2010年遠景規(guī)劃和“十五”計劃中，將無線傳感器

6、網(wǎng)絡(luò)列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一1。二 本次課題研究的意義 無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展、目前傳感器家族的不斷壯大和健全、計算機技術(shù)的日益進步和計算機的普及、微電子技術(shù)的突飛猛進、網(wǎng)絡(luò)時代的到來以及目前國際上節(jié)能減排的號召，都推動了低功耗低成本的無線傳感器快速發(fā)展，也引發(fā)了國內(nèi)外各界的廣泛關(guān)注。這些無線傳感器具有信號采集和處理、無線通信的功能；無線傳感器節(jié)點成本較低，體積較小，可以被隨意地散布在監(jiān)測區(qū)域，方便快捷；用它們組成的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，具有無線、自組織、多跳的功能，而且無需基礎(chǔ)設(shè)施的支持2。本次課程設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計出一種無線聲音傳感器節(jié)點，當(dāng)被監(jiān)測的區(qū)域中有聲音信號時，無線聲音傳感器節(jié)點接收到該信號

7、，經(jīng)過節(jié)點中的相關(guān)芯片及電路處理后，通過無線傳輸模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)預(yù)先設(shè)計的指令，執(zhí)行指令。此裝置可以用在一些公司或單位的門禁，普遍現(xiàn)在個單位及公司使用的門禁是刷卡形式的，用戶在通過門禁時必須將車停下，刷卡之后門禁才會打開，致使很多用戶很不方便，使用無線聲音傳感器，當(dāng)車輛行駛過來時，無線聲音傳感器對其進行定位和追蹤，判斷是否為其開啟門禁，這樣當(dāng)車輛要通過門禁時，門禁會自動為車輛提前開啟，減少了車輛通過時間，同時也方便了用戶，這種裝置尤其適用于有緊急事務(wù)處理的部門（例如醫(yī)院，消防部門）17。此外，這種裝置也可安裝在高速公路的收費站，它可以使高速收費站減少人員需求

8、和工作量，車輛的高速費可以通過電子刷卡形式收取。另外道路上的測速裝置上也可以安裝這種傳感器，當(dāng)車輛駛來時，無線聲音傳感器對其進行定位和追蹤，判斷是否有違章，如果有違章，傳感器可以指示拍照系統(tǒng)在車輛駛到合適的位置對其拍照，這樣既可以減少檢測裝置對電能的損耗，也可以節(jié)約拍照資源16。除此之外在國防建設(shè)上，無線聲音傳感器也有重大的用途，許多軍用裝備在行進中都會有巨大的噪聲產(chǎn)生，在必要的區(qū)域安放無線聲音傳感器，當(dāng)有敵方軍用裝備靠近時，無線聲音傳感器接收到信號，發(fā)送數(shù)據(jù)給接收節(jié)點，指揮中心根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷6781114。無線傳感器體積小，成本低，它無需基礎(chǔ)設(shè)施的支持等特點，在目前的市場上受到

9、了很多用戶的喜歡，尤其聲音節(jié)點的無線傳感器更是因為其信息來源十分簡單和普通，它有著十分廣泛的應(yīng)用前景，相信，隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，無線聲音傳感器的不斷改進，以及功能的不斷完善，它將會滿足更多用戶的需求，受到更多用戶的青睞！我們可以大膽的預(yù)見，將來無線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型聲音傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個人電腦和其它日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無空不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)生活的所有領(lǐng)域。參考文獻：1王汝傳，孫力娟等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用

10、M北京：人民郵電出版社，2011，042 戴日輝，韓光照ZigBee協(xié)議的研究及無線傳感器的節(jié)點設(shè)計A科學(xué)論壇，1009-914X3 曹廣華,趙子濱,張曉川,劉雅姑功能模塊分離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計A信息與電子工程，2012，084 徐興,王衛(wèi)星,岳學(xué)軍基于FPGA的可重構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計A科學(xué)技術(shù)與工程，2010，065 佟吉鋼，張振新，陳增強等基于FPGA的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計A傳感技術(shù)學(xué)報,2009，036 潘 峰，秦 麗，孟令軍具有聲定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計A計 算 機 工 程，2008，127 孟令軍，夏善紅具有自定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)A儀表技術(shù)與傳

11、感器，2007,068 周應(yīng)學(xué)聲目標(biāo)探測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計及網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合研究碩士學(xué)位論文中北大學(xué)2007,19 孫力娟，劉林峰，杜曉玉，肖甫水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)綜述A南京郵電大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版)，2012,1010 李可非水聲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與開發(fā)碩士學(xué)位論文中國海洋大學(xué)2009,0611 潘峰具有聲定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的技術(shù)研究碩士學(xué)位論文中北大學(xué)2008,0512 趙洋,馮仁劍,萬江文一種高性能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)A電測與儀表，2007，1013高英明，金仁成，王立鼎等嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與通信研究A大連理工大學(xué)學(xué)報，2008,0914 薛秀

12、銀，李德毅，林岳松等被動聲傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)A火力與指揮控制，2009,0715 陸忠實，沈軍，羅護，胡博聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)設(shè)計A技術(shù)縱橫，2009，0816袁弟聲傳感器在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用A科技資訊，2006,1117 侯志國，何 強，羅曉松聲探測多傳感器多目標(biāo)定位與跟蹤方法A電聲基礎(chǔ)，2010,0918趙海，趙杰，劉錚等一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)A東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，06 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一 本課題要研究或解決的問題（1）了解并熟悉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本體系及理論。（2）熟練掌握電

13、路圖繪制軟件和FPGA開發(fā)軟件。（3）完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點原理圖設(shè)計（4）利用軟件繪制PCB板圖。（5）完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點調(diào)試。（6）最后撰寫畢業(yè)論文說明書。二 本課題擬采用的研究手段（途徑）圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點的基本構(gòu)架首先通過查閱資料，學(xué)習(xí)和掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本知識，了解目前國際及國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，重點學(xué)習(xí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計，了解一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本架構(gòu)。面向應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點的基本構(gòu)架遵循了一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時，基于實際應(yīng)用需要，在各個層面上都有所擴展。其基本構(gòu)架如右圖所示。功能部件層是整個節(jié)點的硬件基礎(chǔ)；設(shè)備驅(qū)動層為底層物理部件提供設(shè)備驅(qū)動功能

14、與策略；嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核層在設(shè)備與應(yīng)用之間建立連接，提供軟硬件系統(tǒng)調(diào)用的方式，同時為上層應(yīng)用提供功能服務(wù)；應(yīng)用系統(tǒng)層為終端用戶提供了面向應(yīng)用的系統(tǒng)控制方式與工作方法13。無線傳感器硬件節(jié)點內(nèi)部各個模塊之間并非獨立的關(guān)系，而是相互聯(lián)系、共同協(xié)作完成整個數(shù)據(jù)采集存儲與轉(zhuǎn)發(fā)的過程。本次課程設(shè)計擬采用的方案如下圖所示。圖中16表示有6個聲音傳感器，在使用無線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，6個聲音傳感器擺放在6個不同的位置，接收被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的聲音信號。對應(yīng)于調(diào)理板也有6個，也稱作傳聲器接口，它的主要作用是將傳感器傳送來的模擬信號進行濾波、放大作用，便于接下來的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且濾波效果使得A/D轉(zhuǎn)換

15、模塊轉(zhuǎn)換一定頻率范圍的信號，減小A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作量。圖2 本次課程設(shè)計擬用方案接下來介紹A/D轉(zhuǎn)換模塊，此次設(shè)計選用的芯片應(yīng)該與調(diào)理電路相結(jié)合，所以應(yīng)該選用具有6個獨立的A/D轉(zhuǎn)換接口，而且該A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采樣速率應(yīng)該滿足傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)處理要求，從設(shè)計理念來講，轉(zhuǎn)換速率越快越好，能夠讓聲音傳感器傳送來的信息在最短的時間內(nèi)處理完畢，系統(tǒng)的延遲越短越優(yōu)。但本次設(shè)計的產(chǎn)品是應(yīng)用于實際的，所以，在考慮A/D轉(zhuǎn)換器性能時，也應(yīng)該綜合其經(jīng)濟性，選用一種既經(jīng)濟又實用的A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,傳送給FPGA,設(shè)計者將編寫好的為FPGA服務(wù)的程序下載到其內(nèi)部的存儲單元中，F(xiàn)PGA在運行中，從

16、存儲單元內(nèi)讀取程序，使其具有特定的功能，數(shù)據(jù)經(jīng)過該FPGA之后，傳送到DSP中。本次設(shè)計，應(yīng)采用內(nèi)部資源比較豐富的FPGA，使其可以滿足該節(jié)點中所有需要FPGA實現(xiàn)的功能，同樣也應(yīng)該將經(jīng)濟適用性考慮在內(nèi)。DSP是數(shù)字信號處理的簡稱，它是一種獨特的用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器，擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度。它通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。本次設(shè)計在選用DSP時，應(yīng)該綜合考慮節(jié)點處數(shù)據(jù)處理的負荷和經(jīng)濟性選用最優(yōu)的DSP滿足實用性要求。 SDRAM是同步動態(tài)隨機存儲器，它用作DSP的緩存，滿足DSP對數(shù)據(jù)隨機存儲的要求。FLASH是DSP的外部程序存儲器。DSP旁的USB接口是用于數(shù)據(jù)的存取。 FPGA旁的GPS是用于節(jié)點自身的定位。無線是節(jié)點的無線收發(fā)裝置，它應(yīng)該滿足低功耗、射頻范圍設(shè)計需求的基本特點。FIFO是先入先出隊列，用于FPGA的數(shù)據(jù)緩存451213。 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：閆安斌同學(xué)經(jīng)過