开题报告——基于无线传感器的多点温度测量系统

开题报告

—基于无线传感器网络的气象参数（温度为例）测量系统研究（硬件）

1、课题研究背景及意义

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）技术，是一门综合多个学科的新技术。无线传感器网络（WSN）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地进行监测、感知和采集部署在相应区域节点的，观察者感兴趣的各种信息（比如光照强度、压力、电磁场、温度、湿度、等物理现象），并对这些信息进行处理后，以无线的方式发送给观察者。近年来，随着微电子技术、网络技术、通信与信息技术、传感器技术的快速发展，无线传感器技术的制造成本大大的降低，无线传感器网络得到非常广泛的应用。在工、农业生产领域、医疗卫生事业、军事与国防事业以及智能家居等将会非常好应用前景。高等院校、科研机构、工业企业等会投入大量资金进行合作研究与应用。但是由于无线传感器节点受到数据处理能力、存储容量、通信带宽以及数据容错能力、节点扩展性、功耗等因素的制约，使无线传感器网络技术的应用还有许多技术等待解决。

无线传感器网络与现有的传感器系统相比，具有以下几个特点：第一，无线传感器网络节点需要工作在低功耗的状态。在无线传感器网络中，由于节点体积较小，限制了每个节点的能源是十分有限的，而且受工作环境等因素的影响，更换电源的成本很高，只要电源耗尽，节点的功能就会失效。当大部分节点能源耗尽退出工作状态时，整个网络也就处于瘫痪状态了。所以只有减小节点功耗，才能延长网络的寿命。第二，无线传感器网络具有自组织的特点。相对与有线网络，无线传感器网络基本不需要人工干预。通常情况下，各个节点可以相互协作建立它们之间的连接，完成网络的初始化、启动监测任务、网络的故障自我修复等一系列工作。要实现上述功能，网络必须具备自组织的能力，即各个传感节点能够感知相邻节点工作状态的变化，通过相互通信得知网络拓扑结构的变化，维护网络结构的正常运行，适应网络的动态性。第三，无线传感器网络节点部署具有分布性。通过部署大量的传感节点，各个节点对其附近的区域进行监测，全部的节点可以对整个完整区域进行监控。区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越明显，在这种情况下，局部节点监测到的信息是不能够代表整个区域的情况。由于传感器节点具有成本较低的优势，我们可以大量部署此类节点在整个监测区域内，使得监测区域的每个角落都可以被覆盖住，这样就可以获得

比较准确的整体信息，通过一些相应的数据融合算法，可以宏观把握整个区域的完整信息。第四，无线传感器网络的数据处理具有分布性。它是以数据为中心的网络，而不是以通信为中心的。在无线传感器网络的数据处理过程中，不是把每一个传感节点的数据汇总到中心节点来进行处理的，每个节点都具备数据处理能力，它们将先对数据进行处理，然后再传输到数据中心节点。这样既减少了网络流量，也降低了功耗，减少了数据的冗余度。

温度、压力、流量和液位是工业生产中最常见的几种过程参数。其中，温度是工业控制中主要的被控参数之一，有许多需要测量温度的地方人员不便到达或铺设电缆比较困难。在空间较大的地方，采用单点或少数点进行温度测量，得到的温度不能反映整个空间的真实情况，若采用无线传感器网络进行较大范围的温度测量，可得到较细的温度数据。在这种情况下选择无线传感器网络进行温度采集是非常合适的。

在传统的有线传感器网络中，数据终端通过数据电缆与传感器连接，这种数据采集系统存在以下不足：（1）传感器硬件在安装之前要精确设定，并且要有辅助设施。（2）对传感器的精确度要求高，主要通过局部了解环境的状况。（3）当同时有两个参数发生异常变化时，传统的有线传感器网络就只能对其中一个参数物理量进行采采集。（4）由于布线成本及工作量等因素，不可能在检测的区域内安放大量的传感器，这样会使有的地方没有检测到。当这

样地方的环境物理参数有突变时，设备就很难检测到变化，使系统的反应性及精度较低。（5）有的时候，在检测的区域会有些传感器损坏，这就会造成数据丢失，使整体的纠错能力较差。由于传统的有线传感器网络所存在的不足，采用无线传感器采集系统将能有效地解决有线传感器网络所存在问题，使得无线传感器数据采集系统在各个领域十分广阔。

现在无线传感器网络已经被应用到社会生活的各个领域。（1）军事上要求能够所用传感器网络要有具有快速性、自组织性、跟踪准确性，根据这样的要求，无线传感器网络是非常合适的。无线传感器节点可通过飞机或炮弹直接散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带，这样，敌方的信息就能隐蔽地传过来。给指挥部提供有利的作战计划。（2）在环境状况监测和预报系统方面，采用无线传感器网络对空气、土壤、气象、洪水等参数进行检测，可以及时地得到相当准确的数据，为做好环境状况预报工作提供了极为有力的帮助。（3）在医疗护理方向，当用无线传感器做成一个检测人体胃肠道的医疗仪器，该仪器就是一个微小无线传感器节点。当患者吞服这个无线传感器的医疗仪器后，患者肠道内的各种数据就能通过无线传输的方式传到主管医生的电脑上。医生根据患者肠道内的生理数据，能力诊断患者的症状，作出对症下药，提高诊断的效果。（4）在智能家居方面，随着百姓生活水平的提高，人们对家庭环境及安全的要求越来越高。通过在家电安装无线传感器网络，与用户的手机或internet连网，即使人们不在家也能实时地家中安全状况、家电设备的情况及家庭环境的参数了如指掌，用户可随时调整房间的温度和温度参数，创造舒适的人居环境。（5）建筑物状态监控现代化的城市中，高楼林立，桥梁较多。为了随时掌握这些建筑物的安全状况，可在这些建筑上安装测量高要及桥梁的各项参数的无线传感器节点，这些节点将测量的各项参数，以无线传输的方式传给技术管理，再通过分析与计算，判断这些建筑的安全程度，以及采取相应的措施。（6）其他用途如危险的工业环境如井矿、核电站等等。

总之，鉴于无线传感器网络的诸多优势，它已经被广泛应用，而且给我们的生活带来了极大的便利。

2、国内外研究现状

传感器网络的早期应用是在国防或军事上，如在冷战时期，美国就在战略区域布置了声学监视系统用于检测和跟踪前苏联的潜艇…别。20世纪80年代有一个研究计划，在美国的国防高级研究计划署诞生，这个计划的名称叫分布式传感器网络（ＤＮＳ），这就是传感器网络研究的始源。包括了传感器技术的研究、通信技术的研究、数据处理与算法的研究等。卡内基梅隆大学（ＣＭＵ）在ＤＮＳ的研究重点是提供网络操作系统，以便灵活、透明地访问容错ＤＮＳ需要的分布式资源。麻省理工学院（ＭＩＴ）在ＤＮＳ的研究重点是基于已知信息的信号处理技术，以便采用信号提取和匹配技术、通过运用分布式麦克风阵列来跟踪直升机。ＭＴＴ林肯实验室和马萨诸塞州大学在ＤＮＳ的研究是开发测试床，用于演示所开发的成果。进入新世纪后，随着计算机技术的应用大普及，通信技术也得到了很大的发展，对传感器网络的研究工作也迈进了一大步。基于微型机电系统Ｍｉｃｒｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－Ｓｙｓｔｅｍ，ＥＭＳ）技术、无线网络技术以及廉价低功耗处理器的微型廉价传感器让人们能够布置无线网络，开展形式多样的WNS应用。美国研究计划署也开发了可直接取得及时信息的网络系统，这就形成了传感器网络信息化系统，使传感器网络技术得到了新的发展。

国内在无线传感器网络领域的研究也很快跟进，已经在很多研究所和高校广泛的展开。中科院上海微系统与信息技术研究所已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和机站的研发;中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手，它们专注于传感或控制执行部分;浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究:山东省科学院也看到了无线传感器网络这一极具前景的领域，并且于2004

年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学，中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作。但从整体来说，从研究问题的深度和投入的科研力量角度来说，国内的水平相对国外还比较落后;另外从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称的。中科院计算技术研究所己经研发出了几款具有和Crossbow公司所大力推广的MICAZ无线传感器网络节点相兼容的，并且在传输距离、可靠性、功耗等方面均有一定的优势的无线传感器网络节点，构建了WSN示范网络GAINS-Global Actable Intelligent Networks，拥有自主知识产权并为国内多个高校及研究机构提供产品及技术支持，在国内处于领先地位。

3、课题总体设计方案

（1）无线传感器温度采集系统的组成与功能

本系统设计无线传感器温度采集系统基本组成如下图所示，包括：多个温度传感器节点，无线网络汇聚节点以及温度采集系统的数据管理上位机（PC机），各温度传感器节点采集的温度数据通过无线的发送方式，将温度数据发送给汇聚节点，汇聚节点再将温度数据通过RS232以有线的方式传给上位机进行处理，完成数据的显示、保存与打印。另外，通过上位机发出指令，通知各节点进行温度采集，然后再将采集到的数据传送到上位PC机。

温度采集系统的数据管理

PC机

RS232

无线网络

汇聚节点

温度传感器节点温度传感器节点温度传感器节点

（2）温度传感器节点设计方案选择

方案1

本方案采用的是以c51单片机作为核心。每个节点都有微处理器、射频收发模块、传感器和电源等组成，汇聚节点可以与PC机链接，各传感器节点有3节5号电池供电。本方案结构图如下所示。

方案1结构图 方案2

本方案采用的是TI 公司生产的cc2430。cc2430是一颗真正的系统芯片 (SOC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee 为基础的

2.4GHz 波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。其中cc2431是由cc2430加上无线电定位引擎组成。cc2430芯片延用了以往cc2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。

（3）方案比较

方案1与方案2各有优缺点，相比较而言，方案2的优点比较明显：1）专门的设计，将全部zigbee/802.15.4需要的高频部分电路全部集成到了电路内部，从无线单片机到天线之间，只有3-5个0603的普通零件，系统设计者完成不必需要任何高频方面的经验；2）采用特殊设计，使8051微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小(因为对于非常微小高频信号而言，8051 就是一个很大的数字噪声源)；3）将高速8051微处理器、128K 闪存、8KSRAM 、多种外围电路、A/D 、RTC 和CC2420无线芯片等全部设计成一只非常小的芯片(48脚7X7平方毫米大小)，真正实现了单片机的无线化，微型化，使采用这类单片机的产品可以做成微型遥控器，信用卡一样薄的微型卡片，RFID 长距离卡片，能置入人体的微型传感器等等；4）无线通讯中的需要的大量软件处理，包括纠错、防止空气中包装碰撞、IEEE 802.15.4 标准通讯协议处理、网络路由、多种网络拓扑等等，都可以象“搭积木”一样，轻易放入无线单片机内部存储器中间去，由于CC2430这样的新一代无线单片机具有较大的存储空间，以CC2430-F128为例，如果将IEEE802.15.4的协议软件放进去，大概只需要1/4存储空间，将完整ZIGBEE 无线网络协议栈放入进去，也只需要1/2空间，我们还有足 固定节点 接 口 电 路

M C U 射 频 模 块 天 线 串口线

移动节点 天 线 无线传输 射 频 模 块 M C U 电 源

P

C

机

够空间存储我们的应用代码；5）功耗非常低，CC2430无线单片机待机是电流消耗仅0.2uA, 在32K晶体时钟下运行，电流消耗小于1uA，使用小型电池寿命可以长达10年；6）价格非常低，CC2430分别包括高速8051内核，ZIGBEE RF 硬件部分，8K SRAM，128K/64K/32K闪存，大量购买的分别是2美元到4美元，从目前情况看，由于高频部分的硅成本非常低，加上非常大的生产数量，所以RF+MCU的总体价格，可能会低于普通常见8051单片机的价格。

通过上述方案的比较最终确定选择方案2。

4、设计计划

首先，确定各模块电路所用芯片以及元器件的选型；然后，用Protel99画出个模块的原理图，包括主控制器（含存储器），数据采集电路（以温度为例），通讯电路，电源电路等；最后进行反正和软硬件联合调试。