传感器论文

传感器论文

《传感器与检测技术》大作业

课程名称：传感器与检测技术

设计题目：传感器网络在智能家居系统中的应用

学院：计算机科学与信息工程学院

姓名：方鹏飞

学号： 14031310115

专业班级：物联网工程14 -1 指导教师：魏胜利

2016年 6月20 日

无线传感器网络在智能家居系统中的应用研究

摘要

微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。

本论文以智能家居系统为背景，研究将无线传感器网络技术应用在智能家居中来实现室内温度和人体热释红外信息的检测。首先介绍了无线传感器网络和智能家居的起源与发展，具体分析了目前智能家居系统的不足和智能家居与无线传感器网络技术结合的难点。接着根据无线传感器网络节点的定义，本文对其四个组成部分的硬件进行设计，详细介绍了各部分器件的特点及相应的电路原理图。随后介绍了通信协议的设计，主要包括MAC层协议和路由协议的设计。本文在比较几种流行的拓扑结构的基础上设计了最适合智能家居网络的拓扑结构，同时设计了节点的硬件驱动程序以及实现通信协议的程序，接着组建了一个小型的网络来实现室内温度和人体红外信息的采集及多跳传输。最后总结了本论文的设计工作并展望了基于无线传感器网络的智能家居系统的美好前景。

益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络（Wireless Sensor Network 简称WSN）引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作的实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。例如，传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息，如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等，为制定作战方案提供可靠的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、工农业控制、城市管理、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域[1]。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。美国商业周刊和MIT《技术评论》杂志（《Technology Review》）在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为最具影响的21项技术和改变世界的10大技术之一[2, 3]。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。

由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资34000000美元，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视[4]，在C4ISR（command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissance）的基础上提出了C4KISR计划[5]，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

传感器网络的研究起步于20世纪90年代末。从2000年起，国际上开始出

现一些有关传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究结果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作还很少。首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2001年以后，我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，2004年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。

1、军事领域的研究进展情况

美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001-2005财政年度期间批准实施。其基本思路是：在战场上布置大量的传感器以收集和传输信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一幅战场全景图。当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。

美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队指挥员根据需要能够将传感器灵活部署到任何区域。该项目是支持陆军“更广阔视野”的三个项目之一。美国陆军还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽准确地探测到精确信息。例如登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度和干湿度等信息，为更准确的制定战斗行动方案提供情报依据。它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供各自所需的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。

美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目。传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理，管理工作只需一台专用的商用便携机，无需其他专用设备。该系统以现有的带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息。该系统能够部署到各级指挥单位。