毕业设计开题报告电子信息工程基于无线传感网络的数据采集系统设计1前言传感器已被广泛应用于军事、工业以及家庭设施中。

传统意义上传感器间通常电缆与计算机或显示器相连，有线连接虽然可靠性好但其制造工艺复杂且不易变动。

传统有线数据采集系统多采用单点测量,无法给出被监测区域内准确数据,不能满足精确测量的要求。

同时对于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境恶劣的地区)和一些临时场合(如发生自然灾害时)等传统有线数据采集系统的数据采集变得难以实现[1]。

近年，微电子技术、计算机技术、无线通信和传感器技术的飞速发展和日益成熟，推动了低成本、低功耗无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）的发展。

无线传感器网络的优点在于低成本、结构改变快、操作灵活。

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内的目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，无线传感器网络的研究具有很广泛的应用前景：军事侦察、环境科学、医疗护理、工业自动化和商业应用等。

传感器网络的研究是还有必要的。

2主题2.1 无线传感器网络的概念无线传感器网络（简称WSN，wireless sensor networks）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[2]；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。

无线传感器网络有许多个工能相同或不同的无线传感器节点组成，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）[2，3]，如图1所示。

图1无线传感器网络节点的结构图2.2 无线传感器网络技术发展历程1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向美国国防部提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代无线传感器网络的序幕。

1998年,UCLA大学的又一名教授Gregory J Pottie从网络研究的角度重新阐述了无线传感器网络的科学意义。

在其后的十余年时间里，无线传感器网络技术逐步得到了学术界、工业界乃至政府（国防军事）的广泛关注，进而成为军事、城市交通、建筑结构监测、环境监测和预报、复杂机械监控、智能家居、大型工业园区安全监测等众多领域中具有竞争力的应用技术之一。

第一代传感器网络出现于20世纪70年代，采用具备简单信息信号获取和处理能力的传统传感器和点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，采用串并口与传感控制器相连，构成能获取综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现于20世纪90年代后期，使用具有智能获取各种信息信号能力的传感器，采用现场总线方式连接传感控制器，构成智能化传感器网络。

目前正处于研究开发阶段的第四代传感器网络，使用具有多功能和多信号获取处理能力的无线智能传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接构成无线传感器网络[4]。

2.3 国内外发展现状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”[5]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。

现今，无线传感器网络无论在国防安全还是国民经济诸方面均有着广泛的应用：1)军事领域 WSN具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。

利用WSN能够实现对战场的实时监视、目标定位、敌军兵力和装备的监控、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。

通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地，就能够准确且非常隐蔽地收集战场信息。

2)环境监测与保护环境检测是无线传感器的早期应用之一。

随着人们对于环境问题的关注程度的提高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为获取随机性的研究数据提供了便利，同时避免了传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。

比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件[6]。

无线传感器网络也可以用来检测空气的质量，并跟踪污染源,还可以为化学和生物灾害提供早期的预警等[3]。

如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。

此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

在一些紧急的情况如火灾，还可以利用无线传感器来确定火灾的中心和强度等。

3)智能交通应用智能交通监测系统采用声音、图像、视频、温度、湿度等传感器。

节点通常被部署于十字路口周围，汇聚节点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点通常集成在交叉路口的交通信号控制器内，专用传感器终端节点则填埋在路面下或者安装在路边，道路上的运动车辆也可以安装传感器节点动态加入传感器网络[7]。

通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交通管理中心作进一步处理。

4)医疗护理领域随着室内网络的普遍化，无线传感器网络在医疗研究、护理领域也已得到广泛应用。

例如，罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要健康指标（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况[6]。

同时英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。

该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，以帮助老龄人士及残障人士的家庭生活。

利用无线通信将各传感器互联起来以达到信息的高效传递，从而方便接受护理同时也可以减轻护理人员的负担。

英特尔公司主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。

5)智能家居智能家居系统的设计目标是将住宅中各种家居设备联系起来，使它们能够自动运行，相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。

在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Intemet连接在一起，这样便可利用远程监控系统，实现对家电的远程控制[7]。

2.4 无线传感器网络的一些关键技术问题下面以图2为基础，从一些基本原则出发，讨论无线传感器网络的一些关键问题。

图2传感器网络体系结构1、物理层物理层主要负责感知数据的收集，并对收集的数据进行抽样，信号的调制解调、信号的发送和接收、功率控制等任务。

物理层的研究主要涉及WSN采用的传输媒体的频段选择以及调制方式。

目前WSN采用的传输媒体主要有：无线电、红外线、光波等。

考虑到无线传感器网络节点的能量是十分有限的，节能对延长网络的生存时间是十分重要的。

因此，可以采用高频来发射信号，采用低频来接收信号。

如何进行动态功率的管理和控制是无线传感器网络的一个非常重要的课题。

2、数据链路层数据链路层用于建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要涉及媒介访问控制（MAC）协议[8]。

MAC协议主要关心如何满足用户节省带宽资源要求以及如何在节点高速移动的环境中建立彼此间的连接，功耗是第二位，这些协议并不适合。

传统的基于竞争机制的MAC协议很难适应无线传感器网络的需要。

因为基于竞争机制的MAC协议需要多次握手，数据发生冲突的几率很大，造成能量的浪费，这在无线传感器网络中是不可取的。

因此，无线传感器网络的MAC协议一般采用基于预先规划的机制如TDMA来保护节点的能量2/3[1]。

3、网络层网络层的主要任务是发现和维护路由。

因为多跳通信比直接通信更加节能，这也正好符合数据融合和协同信号处理的需要，在无线传感器网络中，节点一般都采用多跳路由连接信源和信宿。

针对WSN的特点与通信需求。

国内外科研人员设计了多种路由协议,从网络拓扑结构的角度可分为两类平面路由协议和聚集型路由协议。

4、传输层现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。

参考文献9分析了端到端错误恢复机制在无线多跳网络中的性能,提出了逐跳错误恢复机制。

5、应用层应用层主要任务是获取数据并进行初步处理。

但与具体的应用场合和环境密切有关，因此其设计不可能是通用的，必须针对具体应用的需求进行设计，进而产生了数据融合技术[10]。

数据融合是指将来自多个传感器和信息源的数据和信息加以联合、相关和组合，剔除冗余信息，获得互补信息，以便能够较精确地估计出节点的位置和在网络中的地位，以及对现场情况及其传送数据的重要程度进行适时的完整评价。

6、跨层设计当前很多无线传感器网络协议是基于传统的分层结构设计的，这种分层结构实际上是一种局部的次优方案。

由于无线传感器网络的资源，如能量、带宽和节点的资源等是十分有限的，这种分层的次优结构很难适应无线传感器网络的发展需要。

而跨层设计通过层与层之间的信息交换来满足全局性的需要，是一个全局性的优化问题。

不同的网络体系需要不同的设计方案，不同的应用同样要有不同的设计方案。

无线传感器网络是一种基于应用的网络具有很强的应用背景。

无线传感器网络的具体应用环境常常要求网络的生存时间要足够长、网络时延要尽量短，这和无线传感器网络有限的能量供应、有限的节点资源和带宽是一对矛盾，传统的分层结构很难解决这个问题。

因此，需要引入跨层设计[3]。

跨层设计是最近很热门的一个研究方向，它基于层与层之间的信息的共享以提高各个层的适应性，有望使整个网络性能得到提高。