基于无线传感网络的数据采集系统设计开题报告

开题报告
基于无线传感网络的数据采集系统设计
1 选题的背景、意义
近年来，微机电系统（MEMS）、低功耗高集成度电子器件及无线通信技术的
快速发展，导致低成本、微体积、多功能的无线传感器节点设备的出现。

在未来几
年内，无线传感器网络（WSN）将对人们的日常生活和几乎所有军工业领域带
来巨大影响。

尤其随着无线通信和射频技术的不断发展，具有布局灵活、成本低廉、组网便捷的特点的无线数据采集系统正在逐渐取代传统的有线数据采集系统。

无线传感器网络（简称 WSN，wi r e l es s s ens or net wor ks ）是综合了传感器技术、微电子技术、现代网络及无线通信技、，嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等各种先进现代技术，通过各类集成化微型传感器协作能够实时监测、感知和
采集各种环境和监测对象的信息，并将采集到的这些信息以无线自组多跳网络方式
传输到用户终端的网络技术。

WSN能以最低的成本、最大的灵活性连接任何有通
讯需求的终端设备，进行数据采集和指令发送，具有一定的移动和动态调整的能力。

无线传感网络是目前信息科学领域中一个活跃的研究分支，其经历了三个阶段：智能传感器、无线智能传感器和无线传感器网络。

智能传感器是传感器中嵌入
计算能力，使传感器节点不仅具有数据采集能力，且具有滤波和信息处理能力
[ 1] ；无线智能传感器是在智能传感器的基础之上增加了无线通讯能力，大大延长
了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则是将网络
技术引入到无线智能传感器中，使传感器不再是单个感知元件而是能够交换信息和
协调控制的有机结合体，必将成为下一代互联网的重要组成部分。

无线传感器网络由大量工能相同或不同的无线传感器节点以自组织方式构成。

无线传感器节点是网络的基本单元，其体积小、成本低、具有通信能力和数
据处理能力，节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保障【2】。

根据不同的应
用目的，网络互联的传感器节点分布于监测区域中，以测量其周边环境中的光热、
声音、电磁、化学成分等各种信号，从而检测到包括温度、光强度、噪声、压力、土
壤成分、水质和各种移动物体的大小、速度以及移动方向等物质现象，进而在网
络中完成数据处理和信息融合，最后将有用的信息数据传输给用户。

采用无线电实
现网络的互联通信，其连接更简单，节点放置更灵活，网络也更易扩展。

2 相关研究的最新成果及动态
无线传感器网络的研究发展起源可以追溯到 1938 年由美国国防部高级计划署（DARPA）资助的在卡耐基梅隆大学举行的“分布式传感器网络论坛”【7】。

从 1993 年起美国加州大学和罗克韦尔科学中心联合研究 W I N S项目，并在1998 年建立公司进行商业化[ 8] . 这个项目几乎涵盖了无线传感器网络设计的所有方面，从M E M S传感器和执行器电路级集成、信号处理架构和网络协议设计到传感和检测理论的基本原理研究。

加州大学伯克利分校与1999 年开始了Pi coRa di o 项目的研究[ 9] ，目的是把独立的中尺度、低成本、低能耗的传感器和监视器节点集合成为自组织无线网络。

Pi coRa di o 网络的物理层采用的是 DSSS 技术；MAC 层结合了扩频技术和 CSMA 技术的优点。

该校还专门研制开发了一个传感器操作系统 Ti ny O S。

2000 年，美国国防部把SSW（Sma r t Sens or W e b）定位为国防部科学技术 5 个尖端研究领域之一[ 10] 。

SSW的基本思想是在整个作战空间内放置大量的传感器节点来收集、传递信息，然后将信息汇聚到融合点并合成一张图片，从而得到有用的作战信息。

2002 年 5 月，美国能源部与美国 Sandi a 国家实验室合作，共同研究由于地铁、车站等场所的防范恐怖袭击的对策系统。

该系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术与一体，传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心报告并自动采取急救措施。

2002 年 10 月24 日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火及行星探究等领域的应用。

另外，还有许多研究项目与无线传感器网络相关，如多传感器融合技术、M E N E T网络和 Te r m i node 项目等
中国现代意义的无线传感器网络应用研究几乎是与发达国家同步启动的，最早记录在 1999 年中国科学院发表的《知识创新构成试点领域方向研究》的研究
报告中。

此后，于 2001 年中国科学院成立了微系统研究与发展中心以与其内部相关单位一起共同推动传感器网络的研究。

从 2002 年开始，中国国家自然科学基金委员会便开始部署传感器相关课题。

其中值得一提的是中国工业与信息化部在2008 年启动的“新一代宽带移动通信网”的国家级重大专项的第六个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”[ 6] 是专门针对传感器网络技术而设立的，大大推进了无线传感器网络技术在应用领域的快速发展。

目前，在实现无线传感器网络的节能方面普遍从每个节点出发，采用低功耗硬件设计及通过动态电源管理等技术使系统各个部分运行在节能模式，可节约大量电能，与此同时，针对不同应用进行专门的优化，并采用软硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化节能设计来无线传感器网络节能。

3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标
3. 1 研究内容设计得到低功耗、小尺寸、低成本、能灵活地应用到多种场合的无
线传感器
节点。

实现一种实时、可靠的分布式自组织无线数据采集系统，具有更好的扩展性和通用性。

1）对传感节点进行分类总结，而后分别给出了设计方案和电路结构。

2）分析了电路设计时的各方面权衡，给出设计实例。

3）对无线传感网络中的传感节点进行了详细分析，依照应用环境的不同将传感节点分为功耗优先与精度优先两种，并分别给出了设计方案和电路结构。

3. 2 研究方法
1、无线传感器网络节点结构
每一个传感器节点由数据采集模块（传感器和A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、能量转换器）[ 3, 4] ，如图1所示。

1）数据采集模块
数据采集模块主要由各种传感器和A/D转换器构成，负责数据的采集并调理数据信号。

根据不同的应用环境，适当选择相应类型的传感器，由A/D转换器将传感器采集到的模拟信号转换为数字量。

2）数据处理和控制模块数据处理和控制模块主要由微处理器
和存储器构成。

3）通信模块通信模块主要是无线收发器，负责各节点之间的无线通信，在各节点点路中
起着重要作用，在软硬件设计上一旦出现缺陷就很有可能会影响整个系统。

因此，虽然该模块的设计并不复杂，但要达到很理想地效果却是一件很困难的事情。

4）供电模块
供电模块主要由电池和能量转换器构成，负责供应各部分正常工作所需电源。

数 据 采 集 模 块 数 据 处 理 和 控 制
模 块 通 信 模 块
供 电 模 块
图 1 无线传感器网络节点的结构图
3. 2 研究难点
无线传感器节点是网络的基本单元，节点的稳定运行是整个网络可靠性的 基本保障。

然而，由于无线传感器网络节点具有电池供电、不可回收等特点，其 节点能量有限、存储能力小、传输距离有限，能量问题成为影响无线传感器网络 性能的关键问题。

近几年无线传感器网络技术发展迅速，但仍未达到成熟应用的 目标，还有许多问题有待解决。

目前，需进一步研究解决的关键性问题如下：
1、微传感器的设计问题 需考虑给予微机电系统的微传感器技术，基于片上系统
（SOC ）的低功耗、
低成本和小尺寸的无线传感器节点硬件平台开发和高度模块化、微内核、高效节 能的嵌入式操作系统
[ 15] 。

2、系统功耗问题 无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问
题显得至关 重要。

无线传感器网络节点的绝大部分能量消耗是在无线通信模块上[ 5]。

无线通 能 量 转 换 器 电 池 微 处 理 器 传 感 器 A/D 转 换
器
存 储 器 无 线 收 发 器
信模块的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。

1）研究基于簇的分层路由机制，寻找一种最小跳数的路由算法，使节点能
进行节能有效地数据传输。

2）提高节点密度可以提高数据采集处理的精确度，但若要降低系统功耗延
长系统寿命，则可对网络拓扑进行管理[ 11] ，研究如何利用相对较少节点进行跟踪，降低通信开销。

3、网络安全协议问题现有的网络安全机制不适应无线传感器网络领域，需开发
针对无线传感器网
络的专门协议。

分析现有协议应用于无线传感器网络的缺陷，找寻合理的改进方
法。

4、节点定位问题
无线传感器网络的特点注定了无法给每个节点实施 GPS 定位，但在很多应用场合需要传感器节点根据自身的位置信息来确定目标的位置。

5、时间同步问题
多跳通信、网络拓扑的动态变化、部分节点的休眠等[ 13] ，都对网络的时间同步提出了挑战。

6、不同应用服务的接口问题。

如何设计合理的分布式应用服务接口来屏蔽无
线传感器网络的网络规模动
态变化、拓扑结构动态变化等特点对用户应用的影响。

4 研究工作详细进度和安排
2010年11月20日- 2010年12月2日搜集相关资料，初步拟定系统采用的研究方法、
设计路线，开始开题报告、文献综述、外文翻译
的撰写。

2010年12月03日- 2011年1月10日整理相关资料，确定系统完成的主要功能，绘
制系统的流程图，完成文献综述、外文翻译。

2011年1月11日- - 2011年2月25日完成开题报告。

2011年2月26日- - 2011年4月08日进行详细的系统分析，开始撰写论文大和初稿。

2011年4月9日 - - 2011年5月3日修改以及优化阶段，进一步修改直至定稿。

2011年5月4日 - - 2011年5月1日完成论文并提交。

2011年5月27日- - 2011年5月29日毕业论文答辩。

5 参考文献
[ 1] 郑增威，吴朝晖，金水祥. 无线传感网络及其应用[ J ] . 计算机科学，2003 [ 2] 夏芸. CC1010 芯片在无线传感器网络节点设计中的应用[ J ] . 电子工程师，2005 年 5 月，31（5）：66- 68.
[ 3] 颜振亚, 郑宝玉. 无线传感器网络[ J ] . 计算机工程与应用, 2005.( 15) ：42- 44 [ 4] 马祖长, 孙怡宁, 梅涛. 无线传感器网络综述[ J ] . 通信学报, 2004 年 04 期[ 5] 涂巧玲，张杰，潘建权，曾宪建. 无线传感器网络节点低功耗设计策略[ J ] .电子测量技术，2009 年 1 月，32（1）
[ 6] 张全军. 无线传感器网络概述[ D]. 桂林电子科技大学，2009. （12）
[ 7] L acos s R, W a l t on R, St r a w m a n des i gn f or a DSN t o det ect and t r ack l ow f l y i ng a i r cr a f t , Pr oc. D i s t r i but ed Sens or N e t s Conf . ， Ca r negi e- M e l l on Uni v. , Pi t t s bur gh, PA, D e ce mbe r 1978, pp. 41- 52.
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[ 10] 李建中，李金宝，石胜飞. 传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展. 软件学报，2003, 14（10）：1717- 1726.
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[ 15] 李志宇, 史浩山. 基于 A T m e ga 128L 的无线传感器网络节点设计与实现[ J ] . 计算机工程与应用 , 2006, ( 27)
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