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《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。关键词：无线传感器网络，智能家居，温度，人体热释红外引言：无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源严格受限的全分布系统，采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自治、自适应等智能属性。无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域，本文主要研究无线传感器网络技术在智能家居系统中的应用。目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。一个智能家居系统应该将家居的安防系统、家电的控制系统、通信系统和网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。将无线传感器网络技术应用在智能家居中，在一定意义上它已经突破了传统意义上的无线传感器网络，主要面临的困难是节点的异构化和网络结构的动态变化。因此，设计合适的传感器节点和通信协议是一个关键，但目前无线传感器网络的研究还不成熟，还有许多问题有待解决和研究。一、无线传感器网络的起源和发展现状传感器技术、微电机系统（MicroElectroMechanismSystem，MEMS）、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。而随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，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（WirelessSensorNetwork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（《TechnologyReview》）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。美国海军最近开展的协同交战能力（又称CEC）是一项革命性的技术。CEC的实质就是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机的结合起来。高效的传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化成更高的作战能力。CEC传感器网络的感知数据来源于雷达，通过舰船或飞机战斗群携带的处理器进行感知数据的处理。每艘战船不但通过自己的雷达，而且还从其他的战船或者装载CEC的战机来获取数据。例如，一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外，还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。空中传感器负责侦察更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。CEC可以从多方面探测目标，极大的提高测量精度和击中目标的概率。CEC还可以快速而准确跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统集检测有毒气的化学传感器和网络技术于一体。安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过Internet进行远程监视。2、民用领域的研究进展情况美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。由于该系统将应用大量传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系。英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。计划宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测[7]、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要三个阶段，包括物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器，该传感器也称做尘粒（Mote）或智能微尘（Smartdust）。实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。应用阶段将传感器网络应用于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。3、学术界的研究进展情况在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克力分校（UniversityofCalifornia,Berkeley）、麻省理工学院（MIT）、康奈尔大学（ConnellUniversity）加州大学洛杉矶分校（UniversityofCalifornia,LosAngeles）等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段，大量的问题还没有涉及到。未来的研究工作任重而道远。二、无线传感器网络的关键技术无线传感器网络是信息感知与采集和计算模式的一场革命。它涉及到多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，向研究者提出了大量挑战性课题。1、无线通信技术无线传感器网络是需要低功耗短距离的无线通信技术，由于无线传感器的高度自组织和多跳路由使适用于无线通信软硬件技术尤其是无线通信软件技术成为一个全新的研究领域。超宽带技术（UWB）是一种极具潜力的无线通信技术[9]，具有对信号衰减不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优