開題報(bào)告(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn))

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：閆安斌學(xué) 號(hào)：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(dòng)化論 文 題 目：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師:劉文怡 2013 年 2 月 28 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集傳感器節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)監(jiān)測(cè)與跟蹤，具有快速展開，抗毀

2、性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。它是一個(gè)由大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。其任務(wù)是利用傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)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(diǎn)，再通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到用戶端，從而達(dá)到目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測(cè)110。一 無(wú)線聲音傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究最初起源于美國(guó)軍方，其研究的項(xiàng)目包括CEO、REMBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、AMPS、SeaWeb、NEST等。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)國(guó)家自然基金委員會(huì)（NSF）也開

3、設(shè)了大量與其相關(guān)的項(xiàng)目，NFS于2003年制定了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，每年撥款3400萬(wàn)美元支持相關(guān)技術(shù)研究項(xiàng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)的研究計(jì)劃中，主要研究下一代高可靠、安全的可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、可編程的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性，資助金額達(dá)4000萬(wàn)美元。此外，美國(guó)交通部、能源部、美國(guó)國(guó)家航空航天局也相繼啟動(dòng)了相關(guān)的研究項(xiàng)目。2003年，美國(guó)技術(shù)評(píng)論提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來(lái)改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首1。加拿大、英國(guó)、德國(guó)、芬蘭、日本和意大利等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)都先后開展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。歐盟第6個(gè)框架計(jì)劃將“信息社會(huì)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(duì)無(wú)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(huì)。韓國(guó)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究1。我國(guó)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚，首次正式啟動(dòng)出現(xiàn)于1999年中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，該領(lǐng)

5、域的五大項(xiàng)目之一。2001年中國(guó)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)工作。我國(guó)學(xué)者非常重視無(wú)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(jī)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心在無(wú)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(guó)未來(lái)20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域157項(xiàng)技術(shù)課題中有7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年年初發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)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(gè)前沿方向，其中2個(gè)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān)。我國(guó)2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計(jì)劃中，將無(wú)線傳感器

6、網(wǎng)絡(luò)列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一1。二 本次課題研究的意義 無(wú)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(jì)算機(jī)技術(shù)的日益進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的普及、微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)以及目前國(guó)際上節(jié)能減排的號(hào)召，都推動(dòng)了低功耗低成本的無(wú)線傳感器快速發(fā)展，也引發(fā)了國(guó)內(nèi)外各界的廣泛關(guān)注。這些無(wú)線傳感器具有信號(hào)采集和處理、無(wú)線通信的功能；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)成本較低，體積較小，可以被隨意地散布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，方便快捷；用它們組成的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，具有無(wú)線、自組織、多跳的功能，而且無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施的支持2。本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出一種無(wú)線聲音傳感器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的區(qū)域中有聲音信號(hào)時(shí)，無(wú)線聲音傳感器節(jié)點(diǎn)接收到該信號(hào)

7、，經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)中的相關(guān)芯片及電路處理后，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)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(gè)單位及公司使用的門禁是刷卡形式的，用戶在通過(guò)門禁時(shí)必須將車停下，刷卡之后門禁才會(huì)打開，致使很多用戶很不方便，使用無(wú)線聲音傳感器，當(dāng)車輛行駛過(guò)來(lái)時(shí)，無(wú)線聲音傳感器對(duì)其進(jìn)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(guò)門禁時(shí)，門禁會(huì)自動(dòng)為車輛提前開啟，減少了車輛通過(guò)時(shí)間，同時(shí)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(fèi)站，它可以使高速收費(fèi)站減少人員需求

8、和工作量，車輛的高速費(fèi)可以通過(guò)電子刷卡形式收取。另外道路上的測(cè)速裝置上也可以安裝這種傳感器，當(dāng)車輛駛來(lái)時(shí)，無(wú)線聲音傳感器對(duì)其進(jìn)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(duì)其拍照，這樣既可以減少檢測(cè)裝置對(duì)電能的損耗，也可以節(jié)約拍照資源16。除此之外在國(guó)防建設(shè)上，無(wú)線聲音傳感器也有重大的用途，許多軍用裝備在行進(jìn)中都會(huì)有巨大的噪聲產(chǎn)生，在必要的區(qū)域安放無(wú)線聲音傳感器，當(dāng)有敵方軍用裝備靠近時(shí)，無(wú)線聲音傳感器接收到信號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)給接收節(jié)點(diǎn)，指揮中心根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷6781114。無(wú)線傳感器體積小，成本低，它無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施的支持等特點(diǎn)，在目前的市場(chǎng)上受到

9、了很多用戶的喜歡，尤其聲音節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器更是因?yàn)槠湫畔?lái)源十分簡(jiǎn)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(wú)線聲音傳感器的不斷改進(jìn)，以及功能的不斷完善，它將會(huì)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(lái)無(wú)線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)將無(wú)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(gè)人電腦和其它日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤，家庭采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無(wú)線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)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(huì)生產(chǎn)生活的所有領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1王汝傳，孫力娟等無(wú)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Z(yǔ)igBee協(xié)議的研究及無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)A科學(xué)技術(shù)與工程，2010，065 佟吉鋼，張振新，陳增強(qiáng)等基于FPGA的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)A傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009，036 潘 峰，秦 麗，孟令軍具有聲定位功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)A計(jì) 算 機(jī) 工 程，2008，127 孟令軍，夏善紅具有自定位功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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?fù)淇刂萍夹g(shù)綜述A南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2012,1010 李可非水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)碩士學(xué)位論文中國(guó)海洋大學(xué)2009,0611 潘峰具有聲定位功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(wàn)江文一種高性能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)A電測(cè)與儀表，2007，1013高英明，金仁成，王立鼎等嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與通信研究A大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,0914 薛秀

12、銀，李德毅，林岳松等被動(dòng)聲傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)A火力與指揮控制，2009,0715 陸忠實(shí)，沈軍，羅護(hù)，胡博聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)A技術(shù)縱橫，2009，0816袁弟聲傳感器在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用A科技資訊，2006,1117 侯志國(guó)，何 強(qiáng)，羅曉松聲探測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)A東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，06 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：一 本課題要研究或解決的問(wèn)題（1）了解并熟悉無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)原理圖設(shè)計(jì)（4）利用軟件繪制PCB板圖。（5）完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)試。（6）最后撰寫畢業(yè)論文說(shuō)明書。二 本課題擬采用的研究手段（途徑）圖1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架首先通過(guò)查閱資料，學(xué)習(xí)和掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，了解目前國(guó)際及國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)，了解一個(gè)完整的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本架構(gòu)。面向應(yīng)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架遵循了一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時(shí)，基于實(shí)際應(yīng)用需要，在各個(gè)層面上都有所擴(kuò)展。其基本構(gòu)架如右圖所示。功能部件層是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件基礎(chǔ)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)層為底層物理部件提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)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(wú)線傳感器硬件節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)模塊之間并非獨(dú)立的關(guān)系，而是相互聯(lián)系、共同協(xié)作完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程。本次課程設(shè)計(jì)擬采用的方案如下圖所示。圖中16表示有6個(gè)聲音傳感器，在使用無(wú)線聲音傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，6個(gè)聲音傳感器擺放在6個(gè)不同的位置，接收被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的聲音信號(hào)。對(duì)應(yīng)于調(diào)理板也有6個(gè)，也稱作傳聲器接口，它的主要作用是將傳感器傳送來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、放大作用，便于接下來(lái)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)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(hào)，減小A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作量。圖2 本次課程設(shè)計(jì)擬用方案接下來(lái)介紹A/D轉(zhuǎn)換模塊，此次設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)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(diǎn)的數(shù)據(jù)處理要求，從設(shè)計(jì)理念來(lái)講，轉(zhuǎn)換速率越快越好，能夠讓聲音傳感器傳送來(lái)的信息在最短的時(shí)間內(nèi)處理完畢，系統(tǒng)的延遲越短越優(yōu)。但本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是應(yīng)用于實(shí)際的，所以，在考慮A/D轉(zhuǎn)換器性能時(shí)，也應(yīng)該綜合其經(jīng)濟(jì)性，選用一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)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(jì)者將編寫好的為FPGA服務(wù)的程序下載到其內(nèi)部的存儲(chǔ)單元中，F(xiàn)PGA在運(yùn)行中，從

16、存儲(chǔ)單元內(nèi)讀取程序，使其具有特定的功能，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)該FPGA之后，傳送到DSP中。本次設(shè)計(jì)，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(diǎn)中所有需要FPGA實(shí)現(xiàn)的功能，同樣也應(yīng)該將經(jīng)濟(jì)適用性考慮在內(nèi)。DSP是數(shù)字信號(hào)處理的簡(jiǎn)稱，它是一種獨(dú)特的用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。它通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jì)在選用DSP時(shí)，應(yīng)該綜合考慮節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷和經(jīng)濟(jì)性選用最優(yōu)的DSP滿足實(shí)用性要求。 SDRAM是同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，它用作DSP的緩存，滿足DSP對(duì)數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)的要求。FLASH是DSP的外部程序存儲(chǔ)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(diǎn)自身的定位。無(wú)線是節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)裝置，它應(yīng)該滿足低功耗、射頻范圍設(shè)計(jì)需求的基本特點(diǎn)。FIFO是先入先出隊(duì)列，用于FPGA的數(shù)據(jù)緩存451213。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見：閆安斌同學(xué)經(jīng)過(guò)