智能家居网络无线传感器节点的硬件设计.doc

毕业设计(论文）说明书题目：智能家居网络无线传感器节点的硬件设计 系 名： 信息工程系 作者姓名： XXX 专 业： 自动化 学 号： 6011XXXXXXX 指导老师： XXXX 完成日期： 2015-6-5 毕业设计（论文）任务书题目：智能家居网络无线传感器节点的硬件设计 系 名 信息工程系 专 业 自动化 学 号 6011XXXXXX 学生姓名 XXXXX 指导教师 XXXXX 职 称 副教授 一、原始依据家居智能化系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人，至今已存在相当数量的智能化小区及住宅。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。无线传感器网络是由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综合后得到的新产物。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合性传感器网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，从而使用户的操控能力更强,更人性化。二、参考文献 1 王锐化,益晓新.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析J.测控技术，2005,12（6）：17-19.2 赵红礼,吴昊,黄清.无线局域网J.科学出版社,2004,10(5):9-10.3 周敬利,陈太坤,余胜生,王有成.基于Blucotothd的WAPN的研究与实现J.计算机工 程,2003,11(6):10-13.4 龙承志,马玉秋,沈树群.基于低速率的短距离无线通信网络新技术一ZigBeeJ.数据通信,2005,12(l):7-8.5 马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述J.通信学报,2004,25(10):3-5.6 崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,刘巍,赵泽.无线传感器网络研究进展J.计算机研究与发展,2005,42(7):15-17.7 IEEE Std 802.11b-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999.8 IEEE Std 802.11a-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999.9 IEEE Std 802.11g-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,2003.三、设计（研究）内容和要求基于研究无线数据采集与传输一体化集成技术在家庭智能化中的应用。采用基于ZigBee技术的遵循IEEE802.15.4标准的低功耗无线收发器IP-Linkl000，进行无线传感器网络节点的开发，实现家庭无线监控网络与小区以太网互联。具体要求如下：1、研究ZigBee技术的技术标准及技术优势,并分析ZigBee网络的协议框架结构，对网络层、数据链接层、MAC层和物理层进行说明。2、熟悉智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构。3、分析各节点之间的工作与通信原理,设计出传感器节点的核心处理器电路,供电电路,信号调理电路和通讯电路的设计。指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学仁爱学院本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称智能家居网络无线传感器节点的硬件设计系 名信息工程系专 业自动化学生姓名XXX指导教师XXX一、课题来源及意义智能家居系统真正起源于1985年，美国建成了首栋智能化的写字楼，其基本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、电梯、照明设备等进行智能的监测和控制，将以前采用人工控制的参数全部改为自动化设置，这便是世界上第一栋智能型建筑，智能家居系统从此步入了实用阶段1。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。无线传感器网络是由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综合后得到的新产物2。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合性传感器网络3，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息：如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给用户。从而使用户的操控能力更强,更人性化4。二、国内外发展现状随着世界上第一例智能家居应用实例的出现，欧洲，美洲等区域内的大部分国家都推出了各种智能家居解决方案。目前,美国、英国、日本等国的智能家居系统都开始充分的渗透进入居民的日常生活中去。无线传感器网络的出现是信息感知和数据采集的一场革命5。美国商业周刊和技术评论杂志在预测未来技术发展的报告中,都不约而同的将无线传感器网络视作最具影响的21项技术和改变世界的10大技术之一6。无线传感器网络与塑料电子学和仿生人体器官并称为全球未来发展的三大高科技产业7。无线传感器节点是无线智能家居的基础单元，节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。目前传感器网络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3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已经开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和Intel公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通信的设备原型的研制8。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如IT、Atmel公司的处理器芯片、Chipcon公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系统TinyOS,为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础。我国于2000年末才开始着手于智能家居技术的研究和开发，由于有其他国家的经验和先例，加上国内企业的重视，经过近十年的研究和发展后正迅速逐步走向成熟9。比如电子科技大学无线传感器节点的硬件设计，采用自行设计的8位RISC结构低功耗MCU作为节点控制核心，使用门控时钟、两相时钟流水和休眠唤醒机制实现MCU的低功耗操作，利用0.18m CMOS工艺实现该MCU；设计并实现了无线传感器网络节点硬件平台，在该平台上移植Tinyos操作系统，实现了多跳路由结构的无线传感网10。无线组网技术有HomeRF技术、IEEE802.11协议族无线局域网技术、IEEE802.15.1蓝牙传输技术以及IEEE802.15.4/ZigBee技术。早期还使用过IrDA红外技术，不过因其只能在直线可视范围内通信并且可移动性差等缺点己经近乎被淘汰，使用的范围已基本局限于遥控设备等领域。HomeRF技术常用于家居设备语音和数据的传输11。IEEE802.11协议系列包括802.lla、802.llb、802.llg与802.lln等众多版本，它们所使用的频段分别为5GHz、2.4GHz、2.4GHz和2.4GHz，传输速率分别为54Mbps、1IMbps、54MbPs和300MbPs及以上，IEEE802.11协议族多用于家庭数据信息的传输12-14。蓝牙技术主要在诸如移动电话、笔记本电脑、PDA(个人数字助理)和无线耳机等无线个人局域网领域得到了广泛的应用15。ZigBee技术是IEEE802.15.4的代名词，是一种新兴的技术，以其低功耗的特点己经广泛地应用于智能家居领域16-18。一方面，虽然ZigBee技术的传输速率要低于其他几种无线组网技术,但是智能家居控制网络无需传输很多的数据,应该说25OKbPs传输速率(由于90OMHz频段被GSM通信占用，国内只能选择2.4GHz频段)对于智能家居领域来说己经够用。另一方面，ZigBee相对其他几种无线通信技术的最大特点就是支持的网络节点数目大、功耗低以及使用成本低等，方便于智能家居网络的扩展,而且符合当前社会绿色、低碳、环保的时代要求。三、研究目标完成智能家居传感器节点模块的硬件设计,设计CC2430的应用电路、供电电路I/O与AD转换电路、传感器信号调理电路以及PC通讯接口电路。四、研究内容1、研究ZigBee技术的技术标准及技术优势,并分析ZigBee网络的协议框架结构，对网络层、数据链接层、MAC层和物理层进行说明。2、熟悉智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构。3、分析各节点之间的工作与通信原理,设计出传感器节点的核心处理器电路,供电电路,信号调理电路和通讯电路的设计。五、研究方法与手段1、通过研究参考文献，熟悉设计原理。2、采用CC2430作为无线传感网络节点的核心，对核心电路、电源电路、自充电供电模块、充电自检模块设计等进行试验。3、根据试验结果、针对试验过程中出现的问题提出相应的解决方案，写出毕业设计论文节点硬件体系结构框架图如下图： 传感器模块 处理器模块 通信模块传感器A/D转换处理器模块无线模块电源模块 天线六、可行性方案分析采用CC2430作为无线传感网络节点的核心，通过查找资料熟悉CC2430的工作原理，阅读相关文献及论文，分析设计要求并合理设计原理，通过现场调试、数据处理，最终完成设计。七、进度安排2014.12.162015.03.24 课题准备工作，撰写开题报告。2015.03.252015.04.08 收集国内外相关资料整理,熟悉设计原理。2015.04.092015.04.24 对设计方案进行模拟实验。2015.04.252015.05.10 对实验数据进行分析。2015.05.112015.06.01 撰写毕业论文，准备答辩。八、参考文献1 王锐化,益晓新.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析J.测控技术，2005,12（6）：17-19.2 赵红礼,吴昊,黄清.无线局域网J.科学出版社,2004,10(5):9-10.3 周敬利,陈太坤,余胜生,王有成.基于Blucotothd的WAPN的研究与实现J.计算机工 程,2003,11(6):10-13.4 龙承志,马玉秋,沈树群.基于低速率的短距离无线通信网络新技术一ZigBeeJ.数据通信,2005,12(l):7-8.5 马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述J.通信学报,2004,25(10):3-5.6 崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,刘巍,赵泽.无线传感器网络研究进展J.计算机研究与发展,2005,42(7):15-17.7 刘刚,周兴社,谷建华,李志刚.自组织、自适应无线传感器网络理论研究J.计算机应用研究,2005,5(5):10-11.8 李海光.基于IEEE+802.15.4-ZigBee的无线传感器网络研究R.硕士论文.20080408.9 周怡硕,凌志浩,等.ZigBee无线通信技术及其应用探讨J.自动仪表，2005，H（6）：4-5.10 周亮.无线传感器网络节点的硬件设计J.单片机与嵌入式系统应用.2007（7）：14-16.11沈永增,杨利亚.智能家居无线数据的安全传输J.计算机系统应用，2010,19（8）：221-224.12 IEEE Std 802.11b-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999.13 IEEE Std 802.11a-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999.14 IEEE Std 802.11g-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,2003.15沈玉龙,王馄.智能家居控制系统设计J.电子科技,2004,(5):47-50,54.16 Dongmei Yan,Zhiguang Dan.ZigBee-based Smart Home System DesignC/3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE).Chengdu:IEEE Press,2010 V2:650-653.17 Xiang Gao,Li Zhao. Research and Design of smart Home System Based On ZigBee TechnologyC/2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence(ICMTMA2010).Sanya:IEEE press,2010:290-293.18 Dae-Man Han,Jae-Hyun Lim.Smart Home Energy Management System using IEEE802.15.4 and ZigBeeJ IEEE transactions on consumer Electronics.2010,56(3):1403-1410. 19 IEEE Std.802.15.4-2003.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 15.4.Wireless Medium Access Area Networks (LR-WPANs) S.IEEE Press,2003,26-38.20 杨佑禄,童玲,田雨.基于CC2430的无线传感器网络节点的硬件电路设计J.自动化信息,2009,93(l):29-30.21 郑少仁,王海涛,赵志峰.AdHoc网络技术M.北京:人民邮电出版社,2005,15-50.22 王久鹏，尚春阳，ZigBee和GPRS技术在无线监控系统中的应用J.电讯技术，2008,45（4）：100-102.23 Howitt I, Gutierrez JA.IEEE 802.15.4 low rate-wireless personal area network coexistence issues J.Wireless Communications and Networking, 2003.8(3):20-32.选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能 指导教师（签字） 年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字） 年 月 日摘 要随着科技的持续发展以及人们对于家居环境的不断追求，智能家居得到了飞速发展，具有巨大的市场潜力。相比于其它各种组网方式,ZigBee无线组网方式具有网络规模大、功耗低、使用成本低以及便于扩展等优点；传感器网络技术通过布置各种传感器，能够方便地感知各种家居信息，在智能家居领域有着独特的优越性，同时借由ZigBee技术的独特优势,以它为核心搭建的无线智能家居系统成为目前最优秀的智能家居解决方案,也是几年内智能家居发展的一个重要方向。在介绍了智能家居的背景与ZigBee技术之后，分别对无线传感器节点的硬件与软件进行设计。硬件部分主要进行了CC2430核心电路、电源电路、晶振、复位电路与AD基准电压电路、传感器模块和通信模块等设计。软件部分主要设计了基于CC2430的TinyOS移植和传感节点通讯功能实现等内容。最后对整篇论文进行了总结与展望。关键词：智能家居，硬件设计，无线传感器节点，ZigBee，CC2430AbstractWith the continuous development of technology and peoples constant pursuit for home environment，Smart Home is developing rapidly and has huge market Potential. Compared with other networking technologies，ZigBee supports a large number of network nodes, consumes less power, costs less and easy to expand. By using sensors to easily achieve home information, sensor network technology has great advantages in Smart Home industry. At the same time taking advantage of the unique ZigBee technology to build its core wireless smart home system has become the most excellent smart home solutions, and within a few years, this is also an important direction to which the smart home will develop.After the introduction of smart home technology background and ZigBee, I am going to respectively introduce the hardware and software design of wireless sensor nodes. I mainly carry out CC2430 core circuit, power circuit, oscillator, reset circuit and AD reference voltage circuit, the sensor module,and communication module design on hardware. I mainly design software based on the TinyOS CC2430 transplant and sensor node communication function realization and so on. Finally, I summary the entire paper and look to the future.Key words:intelligent home，hardware design，wireless sensor-node，ZigBee， CC2430目 录第一章 绪论1 1.1 课题来源及意义11.2 国内外发展现状11.2.1 国外发展现状11.2.2 国内发展现状21.2.3 无线组网技术概述21.3 文章结构2第二章 ZigBee技术探究42.1 传感器技术概述42.2 无线传感器网络技术概述52.2.1 无线传感器网络结构52.2.2 无线传感器网络节点设计原则62.3 ZigBee技术的标准72.4 ZigBee协议结构82.4.1 网络层82.4.2 数据链接层102.4.3 MAC层112.4.4 物理层122.4.5 应用层132.5 本章小结13第三章 无线传感器节点的硬件设计133.1 节点概述143.2 智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构143.3 CC2430核心电路设计153.4 电源电路设计183.4.1 自充电供电模块设计183.4.2 充电自检模块设计193.4.3 降压电路模块设计193.5 晶振、复位电路与AD基准电压电路设计203.5.1 晶振、复位电路设计203.5.2 AD基准电压电路设计213.6 传感器模块设计223.6.1 温度采集调理电路233.6.2 湿度采集调理电路243.7 通信模块设计253.7.1 RS232接口电路设计253.7.2 USB接口电路设计263.8 本章小结26第四章 无线传感器节点的软件设计274.1 网络协议算法概述274.2 基于CC2430的TinyOS移植274.2.1 TinyOS简介274.2.2 necC编译过程分析294.2.3 TinyOS的移植304.2.4 基于CC2430的组件编写314.3 传感节点通讯功能实现314.3.1 通讯机制314.3.2 数据包格式化324.3.3 发送数据包334.3.4 接收数据包334.4 本章小结34第五章 总结与展望34参考文献35外文资料中文译文致谢II天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题来源及意义智能家居系统真正起源于1985年，美国建成了首栋智能化的写字楼，其基本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、电梯、照明设备等进行智能的监测和控制，将以前采用人工控制的参数全部改为自动化设置，这便是世界上第一栋智能型建筑，智能家居系统从此步入了实用阶段1。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。无线传感器网络是由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综合后得到的新产物2。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合性传感器网络3，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息：如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给用户。从而使用户的操控能力更强,更人性化4。1.2 国内外发展现状随着世界上第一例智能家居应用实例的出现，欧洲，美洲等区域内的大部分国家都推出了各种智能家居解决方案。目前，美国、英国、日本等国的智能家居系统都开始充分的渗透进入居民的日常生活中去。无线传感器网络的出现是信息感知和数据采集的一场革命5。美国商业周刊和技术评论杂志在预测未来技术发展的报告中,都不约而同的将无线传感器网络视作最具影响的21项技术和改变世界的10大技术之一6。无线传感器网络与塑料电子学和仿生人体器官并称为全球未来发展的三大高科技产业7。无线传感器节点是无线智能家居的基础单元，节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。1.2.1 国外发展现状目前传感器网络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3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已经开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和Intel公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通信的设备原型的研制8。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如IT、Atmel公司的处理器芯片、Chipcon公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节点的组网开发了软件协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系统TinyOS，为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础。1.2.2 国内发展现状我国于2000年末才开始着手于智能家居技术的研究和开发，由于有其他国家的经验和先例，加上国内企业的重视，经过近十年的研究和发展后正迅速逐步走向成熟9。比如电子科技大学无线传感器节点的硬件设计，采用自行设计的8位RISC结构低功耗MCU作为节点控制核心，使用门控时钟、两相时钟流水和休眠唤醒机制实现MCU的低功耗操作，利用0.18m CMOS工艺实现该MCU；设计并实现了无线传感器网络节点硬件平台，在该平台上移植TinyOS操作系统，实现了多跳路由结构的无线传感网10。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心的无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感网的研究热潮。传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。1.2.3 无线组网技术概述随着物联网概念的兴起，一些国际著名公司和组织对此投入了极大的热情。无线组网技术有HomeRF技术、IEEE802.11协议族无线局域网技术、IEEE802.15.1蓝牙传输技术以及IEEE802.15.4/ZigBee技术。早期还使用过IrDA红外技术，不过因其只能在直线可视范围内通信并且可移动性差等缺点己经近乎被淘汰，使用的范围已基本局限于遥控设备等领域。HomeRF技术常用于家居设备语音和数据的传输11。IEEE802.11协议系列包括802.lla、802.llb、802.llg与802.lln等众多版本，它们所使用的频段分别为5GHz、2.4GHz、2.4GHz和2.4GHz，传输速率分别为54Mbps、11Mbps、54MbPs和300MbPs及以上，IEEE802.11协议族多用于家庭数据信息的传输12-14。蓝牙技术主要在诸如移动电话、笔记本电脑、PDA(个人数字助理)和无线耳机等无线个人局域网领域得到了广泛的应用15。ZigBee技术是IEEE802.15.4的代名词，是一种新兴的技术，以其低功耗的特点己经广泛地应用于智能家居领域16-18。1.3 文章结构本论文各个章节的结构与主要内容如下：第一章主要介绍本文的课题来源与意义、国内外发展现状及无线组网技术概述。第二章主要介绍了无线传感器技术、ZigBee技术。并对ZigBee技术的特点、协议框架和各层协议进行了分析。第三章主要完成了无线传感器节点的硬件设计。分析了各节点之间的工作与通信原理,设计出传感器节点的核心处理器电路、供电电路、信号调理电路和通讯电路。第四章完成了无线传感器节点的软件设计。介绍了传感器节点采用的网络协议,然后完成了传感器收发信息的软件设计和通讯功能的实现。第五章是本文的总结与展望，总结本文所完成的工作及还需要改进的地方。3天津大学仁爱学院2015届本科生毕业设计（论文）第二章 ZigBee技术探究2.1 传感器技术概述感知层相当于人的眼耳鼻喉，其作用在于感知家居信息，信息感知常用传感器技术。常见的传感器一般有三部分组成，如图2.1所示。其中敏感原件完成对于被测量信息的感知，其输出的物理量和被测量信息满足确定的关系。转换原件将敏感原件输出的物理量通过一定的方法转化为某种电量,其输出的电量和输入的物理量也满足一定的对应关系。而变换电路的目的在于将转换原件输出的电量变换为更易于处理的电信号。通常传感器还有一个为各部分供电的电源模块。 非电量 电量 敏感元件转换元件变换电路电源 被测量 非电量 电量输出 图2.1 传感器的组成表2.1传感器的分类 分类方法 种 类 释 义按被测量温度传感器、湿度传感器、气压传感器、加速度传感器等根据被测量的对象来区分按测量原理电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器等根据测量原理来区分按信号变换特征结构型传感器物线型传感器根据传感器结构参数的变化实现信号转换根据传感器本身属性的变化实现信号转换按能量关系能量转换型传感器能量控制型传感器由被测对象为传感器提供能量从外部获得获得能量按输出信号模拟传感器、数字传感器根据输出的量是模拟的还是数字来区分传感器种类繁多，分类方法也有很多种，常用的分类方法以及典型的传感器如表2.1所示。目前，传感器技术在家电控制系统、安防监控系统等诸多系统中己得到较为普遍的应用，例如空调、自动电饭锅、自动热水器、电熨斗、报警器等电器以及许多新建小区的安防监控系统等。2.2 无线传感器网络技术概述2.2.1 无线传感器网络结构无线组网方式在智能家居应用中有较大的优越性，无线传感器网络技术是本文应用的一项关键技术。一个典型的无线传感器网络结构如图2.2所示，其中各传感器节点以自组织多路由(Multi-hop)方式组建无线网络并分布于传感区域中，这些传感器节点负责采集数据，并将数据通过组建的无线网络传送给汇聚节点(sink)，汇聚节点以无线或者有线的方式与互联网或卫星网络相连，任务管理节点则通过互联网收集无线传感器网络采集到的数据，并可对无线传感器网络进行管理与配置。用 户传感器节点 检测区域 互联网或其他网络汇聚节点任务管理节点图2.2 无线传感器网络结构传感器节点通过特定传感器模块来完成对目标数据值的采集，同时还具备感知模块、无线射频模块、处理器模块、电源模块以完成信息的感知、简单处理、储存、管理、转发功能和为各模块供电，其中传感器节点的结构如图2.3所示。但是，受限于节点体积、成本和电源供给方式等条件限制，传感器节点并不具备很强的处理、存储能力，而且通信距离较短，只能采用多跳路由的方式来访问通信半径外节点。为确保采集的数据信息能送达到汇聚节点，传感器节点的部署应十分密集。从网络功能上看，传感器节点主要用来实现对指定检测目标的信息采集和管理，同时还能够存储、转发其他节点采集的数据。感知模块处理器模块传感器A/D转换器存储器微处理器定位系统射频模块执行器件电源或电源模块图2.3 传感器节点的结构汇聚节点较普通传感器节点略有不同，其一方面负责无线传感器网络和外部网络之间的通信，一方面发布管理节点向传感器网络下发的控制信息，因此节点硬件要求较高，具有更强的处理、存储和通信能力。任务管理节点处于处于检测区域外部，负责对整个传感器网络进行控制和维护，其不仅向检测现场的汇聚节点发布任务、下达命令 ，而且接收和处理节点上传的目标数据，现场管理人员可以通过管理软件系统对采集数据进行分析、处理和实时观测。2.2.2 无线传感器网络节点设计原则无线传感器网络的独特优势和应用领域的复杂性，决定了传感器节点在设计 时应主要从以下几个方面考虑：1、功耗最小化无线传感器网络大多数用于人类不能直接靠近的场所，不便进行人工更换供电设备，而且节点数量十分庞大，若各个节点经常电力耗尽，则无线传感器网络功效将大打折扣，因此无线传感器网络对节点功耗要求非常严格。我们在节点设计是不仅要充分考虑硬件的能耗水平，而且还应通过优化通信协议，采用休眠机制等手段，将节点功耗保持在较低数量级。2、成本低廉化这是无线传感器网络广泛应用的必备条件，只有售价低廉的节点才能满足其在应用场合内海量部署的要求。低成本决定