基于无线传感器网络的智能智能作战服

北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第1页基于无线传感器网络的智能作战服摘要：学生姓名：杨昉浩，姚铠；34171121，34171102；指导老师：盛蔚；针对现代战场的智能化、信息化作战要求，本文介绍了一种基于无线传感器网络的智能作战服的设计方案。该系统以JENNICJN5121芯片为核心，应用了传感器SHT11用于环境温湿度测量，温度传感器DS18B20用于体温测量，FM1602CLCD模块，以及MOTOROLAGPS定位模块。上位机采用C语言开发多线程实时图形监控界面。本系统为实时监控战场环境，获知士兵生理参数和地理位置和报警信息，以及同时快速下达战术命令提供了一种可能。同时本系统应用可穿戴式计算概念，采用模块式，分离式，高集成度方案，降低了成本，拓宽了应用前景。系统网络基于IEEE802.15.4协议，具有可靠性好，稳定性好等特点，特别适合于组建以单兵为节点，小分队为整体的微型作战网络。关键词：智能，无线传感器网络，ZIGBEE，可穿戴式计算，作战服北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第2页TheIntelligentFightingUniformBasedOnWirelessSensorNetworkSummary:Author:Yangfanghao,YaokaiTutor:ShengweiAimingatthedemandofintelligentizingandapplicationofinformationtechnologyinbattlesofmoderntimes,thisarticleprovideakindofprojectschemewhichisbasedontheintelligentwirelesssensornetwork..Thissystemchoosesthechip----JENNICJN5121asacore,andusesthetemperature&humiditysensor----SHT11formeasuringparametersofcircumstance,thetemperaturesensor----DS18B20formeasuringanimalheatofsoldiers,andtheMOTOROLAGPSModuleforgeographylocation.Formore,weusetheLCDmodule----FM1602Ctodisplaythecommandofuppermachine.Consequentlythissystemprovidesapossibilityofmonitoringthecircumstanceandsoldiers’physiologicalparametersinrealtime,andacommandercantransmitinstructionstohissoldiersinamoreefficientwaythanbefore.Inaddition,thesystemthatappliestheconceptionofwearablecomputingisdesignedbythemethodsofmodulizationandSoc(systemonchip)whichreducethecostanddevelopapplicationforeground.Moreover,thenetworkbasedonIEEE802.15.4protocol,whichhasadvantagesofhigh-reliability&high-stability,isespeciallyforbuildingamicrofightingnetworkwhileasolosoldierdoasanodeandwholenetworkareaunit.目录北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第3页1．绪论2．总体方案3．功能描述4．硬件设计4.1JN5121网络节点电路4.2SHT11传感器驱动电路4.3DS18B20传感器驱动电路4.4FM1602C液晶模块驱动电路4.5GPS模块驱动电路4.6系统安装位置设计5．软件设计5.1网络层软件设计5.1.1控制器节点5.1.2路由节点5.2应用层软件设计5.2.1控制器节点应用流程5.2.2路由节点应用流程5.3硬件驱动设计5.3.1RS232接口通讯5.3.2SHT11传感器5.3.3DS18B20传感器5.3.4HD44780LCD芯片5.3.5GPS模块5.4上位PC机监控软件设计结论致谢参考文献北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第4页1．绪论现代战争中，普通士兵已不像在二战时只能做坦克飞机的炮灰了，现在各国都希望在战场上使自己的士兵阵亡数降到最低。因此，战场上针对士兵的实时监测就显得尤为重要。此套系统恰能满足这种要求。每一个作战小队形成一个网络，指挥官和理疗人员可以实时掌握每一个士兵的生命状况和士兵所处的环境情况，及时作出战场上的反应。目前世界各国都有相应的解决方案，称之为“未来战士”，我们也是基于为我国相应技术发展提供一种可以参考的方案的目的来设计此套系统。考虑到有限的经费，我们的设计重点，放在提供一种可搭载应用的无线网络平台，同时提供丰富的外部接口，为以后提供更丰富使用的功能做准备。由于某些专用传感器的较高价格，从经费的角度我们无法选用，所搭载的应用是演示性的，所选用的传感器主要为较便宜的温度传感器和湿度传感器。在条件允许的情况下，可以搭载更为复杂的士兵心率监控系统等。然而我们的设计充分考虑了我国的实际情况，每个士兵基本节点成本可以控制再两百元以下，批量生产有望降到一百元以下，可以灵活的选择所需搭载的应用，有很好的应用前景。北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第5页2．总体方案本系统网络应用层基于ZIGBEE协议，MAC层和物理层基于IEEE.802.15.4协议。物理层协议可使用的2.4GHz，868MHz，915MHz均为免执照频段，最大可支持250kbps的数据传输率，一般传输距离为10到75米，搭载高功率RF模块后可以达到最多两公里的传输距离。Zigbee是一种新型通讯技术，其技术特点有：1.功耗低：两节5号电池可在低待机模式下使用6个月到2年。2.网络容量大：每个网络最多支持255个设备。3.延时短：通常延时在15ms~30ms。4.工作频段灵活：使用的2.4GHz，868MHz，915MHz均为免执照频段。5.支持硬件AdvancedEncryptionStandard加密，保证秘密讯息不被窃听。本系统主要有指挥监测系统和微型无线网络组成。其中指挥检测系统基于PC，通过RS232接口与主控节点通讯，通过多线程技术支持同时监测多个终端节点。此系统在LABWINDOWS开发平台下，用C语言开发。无线网络主要由两类节点构成----主控节点（Co-ordinater）:负责将接受到的信号传送给PC机，并将PC机发出的指令发给各下级节点。路由节点（Router）:负责终端节点与主控节点间的数据无限传输，同时可以搭载各种应用功能。本项目应用了可穿戴式计算网络概念,每一个路由节点对应一件陆军作战服。服装内布置传感器和处理器。处理器方案为Jennicjn5121，采用SoC设计，集成了多路输入输出端口和RF电路。其网络层和应用层分开，每个节点（包括路由节点）都可以加载应用。这样以来，整个系统灵活多变，通过网络的自组织和自修复功能，在路由节点丢失（如战斗人员伤亡，装置破坏）的情况下，网络结构可以自动改变，保证其它节点功能的正常运行。北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第6页整个网络的大体结构如下图所示：Pc(使用labview)Rs232Co－ordinaterMessageMessageMessageRouter（路由器，提供位置坐标）Router(outdoor)Router（room）AlarmEnd-point(user)Sensors(temporature)Sensors(pluse)Docter(通知情况和位置)网络结构具体的开发情况见下文。北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第7页3．功能描述节点搭载应用能实现以下功能：1．实时身体参数监测，比如可以实时得到士兵的体温数据。2．实时环境参数监测，如环境温度，环境湿度等。3．实时下达指挥命令，命令将通过网络显示在位于手部的LCD上。士兵可以通过了解指挥官的命令做出行动，而指挥官可以远离前线。4．紧急报警及命令反馈，报警按钮使用板载开关，士兵通过按下开关可触发报警信号。也可发出其它预定义信号，有两组开关可供选择。5．士兵地理定位，使用GPS全球定位，在终端可以显示士兵位置。由于时间有限，本系统将只采用北航校内地图。北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第8页4．硬件设计4.1JN5121网络节点电路JN5121节点电路搭载了Jennic公司的JN5121-M0x模块，该模块内部集成了Zigbee无线收发用天线，为单片机提供16MHz主频的石英晶体和与单片机SPI串行通讯线直接相连的128k闪存等外围电路。使用方便，价格也相对较低。4.1.1JN5121网络节点的电源设计由于JN5121采用3V电压供电，故只需使用2节七号干电池供电，再在两极间并联适当的去耦电容即可。电源电路（DS1为电源指示灯）电池两端去耦电容VCC两端去耦电容4．1．2JN5121模块的复位与对外接口电路的设计北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第9页在JN5121网络节点电路中应设计一硬复位按钮用于JN5121的复位与进入编程模式。对外接口共引出了JN5121模块大部分引脚用以连接传感器或是LCD等外部设备这些引脚包括21位DIO、SPI、4通道ADC、2通道DAC、比较器、2个定时/计数器、2通道UART等（其中绝大部分DIO与其他引脚复用）。JN5121模块的引脚图与复位电路北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第10页对外接口ADC通过电阻分压后接入模块4.1.3JN5121网络节点上RS232串行通讯接口电路的设计JN5121网络节点上的RS232接口主要用于向模块中写入程序，只有主控节点的接口还用来和上位机进行数据实时传输。因此在设计串口通讯电路时，还加入了一些跳线插头，短接接头就可进入编程模式或是程序保护模式。电平转换芯片选用的是MAX3222EWN。RS232电平转TTL电平电路（跳线短接JP1的2、3引脚后重启可使JN5121进入编程模式）北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第11页RS232接口电路跳线短接2、1会使闪存写保护，短接2、3写程序短接1、2使SPI可向闪存传输数据4.1.4JN5121网络节点上的LED指示灯与按键由于JN5121节点在系统中是作为每件战斗服的控制部分使用的，因此在上面加入一些控制用的按键与显示用的LED指示灯是必需的。例如，当士兵发觉身体不适而系统并未判断出该名士兵身体特征出现异常时，士兵就可以自己按动节点上的按键触发报警，LCD的背光开关也可以通过按键实现。指示灯则可以设置成电池电量低时亮起，让使用者知道何时应该更换电池。总之，节点上的按键与LED的功能完全由软件控制引脚电平而实现。北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第12页JN5121上的按键与LED设计电路4.2SHT11传感器驱动电路SHT11是盛世瑞恩（Sensirion）公司生产的温湿度传感器，它的主要特点与优势有：-相对湿度和温度测量-兼有露点-全标定输出，无需标定即可互换使用-卓越的长期稳定性-两线制数字接口，无需额外部件-基于请求式测量，因此低能耗-表面贴片或4针引脚安装-超小尺寸，仅有火柴头大小-