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研究计划书——搭建一个简单的无线传感器网络系统12211143钟振阳12211068叶晗姗一、研究背景无线传感器网络，简称WSN，是当代计算机技术，传感器技术和无线通信技术发展的产物。在诸多领域都有应用，包括室内环境监控，校园环境监控，交通管理系统和军事领域。其设备的主要构成有节点，网关和软件。他的末梢是由大量可以感知外界的传感器节点构成。传感器节点具有感知外界环境，实时处理信息，存储信息和转发信息的功能。一些人认为他的出现可以和因特网的出现相媲美。英特网实现的是数字信息可以在任何的人与人之间进行交互，而无线传感器网络到达最终实现的人与任何一个现实中的地方实现交互。这是目前国内和国外的研究热点，资料显示，国内尚处于初级阶段。二、目的要求搭建一个无线传感器网络系统，实现信息的存储和传输。三、WSN设备要求1.WSN的构成无线传感器网络，简称WSN，主要有三部分构成：节点，网关和软件。节点，又叫做传感器节点（EndDevice），主要负责与传感器连接对周围的环境进行监控，和信息的存储转发。处理，存储，通信能力较弱。主要分为处理，感知，存储和无线通信四个模块。网关又叫做汇聚节点（Router），负责通过一定的网络与PC机相连，再实现信息的加工分析和显示。每一个区域的无线传感器网络都会有一个网关节点。2.WSN的设备特点无线传感器网络的主体是由大量的传感器节点构成。一般通过分布式处理，来保证信息的精确，对于单个节点的精度要求并不高。同时大量的传感器节点保证信息的冗余，使得系统有较高的容错性。同时因为节点较多并且分散，网络系统的供电会比较麻烦。节点与节点之间不会有有线的连接，一般通过无线通信保证节点的互联。更为可靠的无线传感器网络系统，自组织和动态性的特点。所谓自组织，就是传感器节点可以通过自动进行配置和管理，通过拓扑和协议，自动形成多跳无线网络。而动态性是指传感器网络的拓扑结构可以自动发生变化，这是考虑了部分传感器节点可能因为损坏或者能量耗尽而失效的情况。这是更高级的要求。3.硬件设备的要求根据传感器节点和网关的不同作用，对于硬件的要求分为以下不同的两种。首先WSN的感知精度由大量的感知节点保证，数量的众多首先要保证价格低廉。大量的感知节点通过分布式的管理保证精度，对于每一个节点的要求并不高。供能的复杂和数量多，要求保证的传感器系统必须低功耗。但每个传感器节点的信息实在有限，所以存储器容量要求很小。最后，硬件的选择最好体积小巧。其次，网关也就是汇聚节点，因为每一个传感器网络才会有一个网关，数量不多，又需要汇聚信息与外界相连，对处理能力要求较高。总结下来就是，传感器节点部分，要求小体积，低沉本，低功耗，对性能的要求反倒其次。网关部分首先要求保证处理能力，其次考虑其他。四、WSN设备选型主要需要选取的技术和硬件包括，无线通信技术，传感器节点处理模块，传感器节点存储模块，传感器节点的通信模块，传感器节点的传感器和网关的处理模块。因为汇聚节点不用考虑监测环境，同时其通信模块可以和传感器节点一致，所以这里只考虑他的微处理器。1.无线通信技术因为传感器网络的电缆光缆布线负责复杂，通信部分采用无线通信技术。待选取的技术有红外，蓝牙，家庭无线电射频和Zigbee等。性能的优缺点比较如下表所示：红外（IrDA)蓝牙（Bluetooth）HomeRFZigbee终端设备费用低低一般低电池时间（天）长1-7100-2000100-1000通信范围1M10CM10M10-75M传输速度（最高）4Mbps1Mbps1Gbps250kbps优点低成本，易操作定位精确低功耗，低成本网络节点272255/65535表一：无线通信技术对比表根据无线传感网络的要求，我们要保证设备的低功耗低成本。首先蓝牙功耗太高，一节电池供能不到7天。家庭无线电射频的设备费用又比之其他技术要高。所以首先排除蓝牙技术和家庭射频无线电。其次无线传感器网络需要大量的传感器节点组网，在网络节点树木上只有Zigbee可以满足。同时因为，单个传感器节点的处理和转发信息的能力要求并不高，Zigbee较低的传输速度也可以满足需求。所以选择Zigbee技术满足无线通信。ZigBee协议是一种双向无线通信技术，其主要适合用于远程控制和自动控制领域。其他特点还有：时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性。使用频段为2.4GHz，免费频段。2.传感器节点传感器节点是无线传感器网络的主要部分，功能分为传感，处理，存储，转发四个模块。我们这里对每一个模块都进行选型。传感器无线传感器网络主要通过传感器，与现实进行交互，这里主要谈温度传感器和湿度传感器。待选的温湿度传感器主要包括，SHT1x，SHT2x，SHT3x系列。SHT1xSHT2xSHT3x能耗（各自适用条件下）80µw3.2µw4.8µw尺寸7.5×4.9×2.6mm3×3×1.1mm2.5×2.5×0.9mm表二：温湿度传感器系列比较无论从能耗角度还是尺寸角度，SHT1x系列自动被淘汰。SHT2x系列虽然比SHT3x系列尺寸略大一点点，但是胜在价格更加低廉，我们选用SHT2x系列。其次系列内又分为SHT20（低沉本版），SHT21（标准版），SHT25（高端版），从成本考虑，选用SHT20型。其他参数如下图1：SHT20微处理器传感器节点的主要要求低功耗，低沉本，对数据的处理能力反倒要求不高。微处理器数目众多，不再进行列举。这里主要采用ATmegal128L处理器芯片。其首先适用于频繁更改软件的开发项目。电压2.7v`5.5v，可以工作在几种省电模式下，也方便数据采集，并简化了外围电路。存储器由于单个节点对于存储容量的要求并不高，存储器选用简单的512Kb低功耗flash存储器即可。射频通信模块目前常见的射频模块以及他们的通信频率。射频模块CC1000nrf903XE1205CC2420RFW102通信频率（Mhz）300-1000433/868/915413/868/91524002400表三：射频通信模块因为选用的是Zigbee协议，工作频率在2400Ghz，所以前三种射频模块直接淘汰。保留的通信模块中，其中CC2420选用的是O-QPSK，RFW102选用的是ASK。我们更倾向于选择CC2420射频通信系统。CC242其他系能如下：图2：射频通信系统CC2420可以看到，工作电压与SHT20传感器是兼容的。综合以上分模块的选取，我们将主要采用MicaZ（CrossBow）无线节点作为无线传感器节点。3.网关节点网关节点又叫汇聚节点，可以不负责监控环境，但是要求要汇聚传感器节点的信息与外界进行交互，对微处理器处理能力要求较高，其他其次。无线节点处理器射频芯片扩展存储器特点Imote2(Intel)PXA270CC242032MBUSB接口，处理功能强大XYZ(Yale)ML67Q5002CC2420处理功能强大表四：处理能力强大的无线节点目前处理能力强大的无线节点如上图所示，射频模块都与之前的选择一致，犹豫汇聚节点需要汇聚传感器区域内的传感器节点的信息，对于扩展存储器有较高的要求，intel公司的Imote2无疑是很合适的。五、实施步骤无线传感器网络的实现步骤如下：首先开始搭建WSN的无线传感器节点，将传感器与无线节点相连接。在固定的拓扑结构下，实现传感器信息的存储和转发。使传感节点的信息汇聚于网关节点。实现使用PC机对网关节点信息的显示处理和分析。额外的实施步骤：通过网络协议，使无线传感器网络可以自组织生成。对传感器网络的节点进行加密处理，保证WSN系统信息的安全。