1、点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）任 务 书机电工程学院 测控技术及仪器专业 07 级（11 届）1 班 学号 16 学生 陈顺题 目：基于 ARM 的无线传感器网络节点设计原始依据：随着通讯与网络技术的发展，无线传感网络技术被广泛应用于各种领域，如科学勘查、情报收集、安全监控等。不管是工业控制、农业生产还是网络通信，无线传感器网络都越来越被重视，同时，随着嵌入式系统技术的发展，尤其是 ARM 系统的快速发展，高档微处理器被逐渐应用于各种通讯和网络设备，尤其是实时性要求高的通讯领域。ARM 微处理器应用于传感器节点中，可以
2、简化硬件设计，提高无线传感器网络通讯能力和数据存储能力。为了实现商业价值、提高农业产效率、深化无线传感器网络技术，我们提出了这个课题：基于 ARM 的无线传感器网络节点设计。主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：1. 功能要求(1) 系统以 ARM7 系统 LPC2214 作为硬件开发平台(2) 系统可采用模块化的设计原理。(3) 系统测量精度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、坚固耐用、精巧大方。(4) 系统通用性强。 (5) 系统扩展性强，要求设计容量足够大，满足今后的扩充需要。(6) 系统操作方便，性能价格比高。(7) 抗干扰能力
3、强，能在现场环境下可靠运行。2. 设计要求1) 根据功能要求进行技术方案设计。2) 进行硬件系统选型和设计（包括 LPC2214、SP708S 等） 。3) 掌握 ARM7 系统 LPC2214 的设置与应用。4) 抗干扰能力强，能在现场环境下可靠运行。5) 撰写毕业设计说明书，列出系统的详细设备清单。日程安排：1、 （3 周）毕业实习。要求：上网、找书、看杂志，收集课题的有关资料。2、 （4-5 周）方案设计，确定总体方案，写开题报告，开题。3、 （6-8 周）选择硬件，完成原理图设计及软件流程图设计。点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台4、 （9 周，10 周）软硬件调试
4、。5、 （12 周）完成论文初稿。6、 （13-14 周）撰写论文。7、 （15-16 周）答辩准备及毕业答辩。 （答辩时间最后以学院通知为准） 。四、主要参考文献和书目1周立功. ARM 与嵌入式系统基础教程.北京：北京航空航天大学出版社.2004.2文汉云.吴修德。基于无线通讯技术的传感器系统在设施农业中的应用.北京：自动化与仪器仪表.2005， （1）3哈尔滨高讯通科技有限公司.nRF905 技术手册.Single chip 433/868/915 MHZ TransceiverZ.20004鲍华。吴促城，申飞.无线传感器网络移动节点设计.合肥，中国科学技术大学。2300265陈雄，杜以
5、书，唐国新，无线传感网络的研究现状及发展趋势. 上海：旦大学电子工程系智能控制研究室。2004332007.6孙雨耕，张静，孙永进，房朝晖.无线自组传感器网络J.传感技术学报，2004. 7李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展J.2003 版社，2000.8肖健，吕爱琴，陈吉忠等无线传感器网络技术中的关键性问题J.自传感器世界.2004,10（7）：4547.指 导 教 师 （ 签 字 ） ： 2011 年 3 月 15 日点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台注：本表可自主延伸，各专业根据需要调整。摘 要介绍基于ARM微控制器的传感器网络节点设计方
6、案。给出了以ARM7系列LPC2214芯片为核心的硬件设计的原理框图，详细阐述了红外传感电路、射频通讯电路、外围接口电路的设计和数据传输流程。该传感器节点具有配置简单、扩展方便、可靠性高的特点。传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，它是目前信息领域的一个热点，学术界和产业界对它的学术价值和应用前景非常看好。自动配置的无线传感器网络可以在大范围内用于收集、处理和发布复杂的环境数据。无线传感器网络的基本组成单元是节点，节点是一个微型的嵌入式系统，它通过携带能量有限的电池或者利用自然条件等供电方式，实现对所采集或接收的数据进行处理、存储或发送。每个传感器节点具有传统网络节点的终端和路由
7、的双重功能，除了进行本地信息搜集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。关键词：ARM：微处理器LPC2214；无线传感器网络；节点设计；点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台ABSTRACTBased on ARM micro controller introduced the sensor network node design scheme. Is given based on ARM7 series LPC2214 chips for the core of hardware design, this pa
8、per expounds the principle diagram infrared sensor circuit, rf communications circuit, peripheral interface circuit design and data transmission process. The sensor node configuration simple, expand with convenient, the reliability high characteristic. Sensor network can realize the data acquisition
9、 quantization, processing fusion and transmission applications, it is currently a hot, the information field of its academic and industrial academic value and application foreground is very promising. Automatically configured wireless sensor network can be used on a large scale collection, treatment
10、 and release complex environmental data. Wireless sensor network is the basic component unit nodes. The nodes is a miniature of the embedded system and it through carry energy limited battery or use of natural conditions, and to realize the power-supply modes, collected or receive data processing, s
11、torage or send. Each sensor node with traditional network node of the terminal and routing double function, in addition to local information collecting and processing data to other nodes, but also by the forwarding to data storage, management and fusion processing, with the other nodes to accomplish
12、 certain tasks.Keywords: ARM: microprocessor LPC2214; Wireless sensor network; Node design;点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台目录第一章 绪论 .- 1 -1.1 引言 .- 1 -1.2 课题研究现状 .- 1 -1.2.1 国外无线传感器网络的研究现状 - 1 -1.2.2 国内无线传感器网络的研究现状 - 2 -1.2.3 总体现状分析 - 3 -1.3 无线传感器网络的应用 .- 5 -1.4 发展趋势 .- 8 -1.5 本文研究主要内容 .- 8 -1.6 本章小结 - 9
13、 -第二章 系统总体方案设计 .- 10 -2.1 系统硬件组成 - 10 -2.2 系统硬件器件 .- 10 -2.2.1 LPC2214 .- 10 -2.2.2 L298N .- 13 -2.2.3 nRF905 .- 15 -2.2.5 LED 显示器 - 19 -第三章 系统硬件设计 .- 21 -3.1 近距离红外传感器系统设计 .- 21 -3.2 电机驱动电路的设计 .- 22 -3.3 无线射频通讯电路的设计 .- 22 -点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台3.4 时钟电路 .- 23 -3.5 复位电路 - 24 -3.6 显示电路 - 25 -3.7
14、报警电路 - 26 -3.8 本章小结 - 27 -第四章 系统软件设计 .- 28 -4.1 节点地址编码与数据通讯格式设计 .- 30 -4.2 节点数据传输流程设计 .- 31 -4.3 系统模拟 - 31 -4.4 本章小结 - 33 -第五章 结论及展望 .- 34 -参考文献 .- 35 -附录 .- 37 -致谢 .- 40 -点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步第一章 绪论1.1 引言随着通讯与网络技术的发展，无线传感网络技术被广泛应用于各
15、种领域，如科学勘查、情报收集、安全监控等。不管是工业控制、农业生产还是网络通信，无线传感器网络都越来越被重视，同时，随着嵌入式系统技术的发展，尤其是 ARM 系统的快速发展，高档微处理器被逐渐应用于各种通讯和网络设备，尤其是实时性要求高的通讯领域。ARM 微处理器应用于传感器节点中，可以简化硬件设计，提高无线传感器网络通讯能力和数据存储能力。为了实现商业价值、提高农业产效率、深化无线传感器网络技术，我们提出了这个课题：基于ARM 的无线传感器网络节点设计。1.2 课题研究现状无线传感器网络具有重要的科研价值和广泛的应用前景，它的出现引起了全世界的广泛关注，被公认为是21 世纪产生巨大影响的技术
16、之一。无线传感网络的研究历史不长，但发展很快。1.2.1国外无线传感器网络的研究现状1998年美国国防部就提出了“智能尘埃”的概念，其目的在于监控敌方的活动情况而不被察觉。美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究，包括CEC、REMBASS、Sensor IT、WINS、Smart Dust等研究项目。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。美国陆军2001年提出了“灵巧传感器网络通信“计划。目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，以便成倍地提高单一传感器的能力，从而提高未来战斗系统的
17、生存能力7。2002年10月，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，该规划主要致力于微型传感器网络在医学、环境监测、森林灭火、海底板块和行星探测等领域的应用。同年欧盟提出了一项为期三年的EYES(自组织和协作有效能量的传感器网络)计划，研究的范围包括分布式信息处理、无线通信等。该项目研究无线传感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等。美国科学基金委员会2003年制定了WSN研究计划，每年拨款3400万美元资助无线传感器网络项目，其研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性，以及如何有效利用获得的数据进行分析决策等问题。2005年对网
18、络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究。加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN 的研究。加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学等在W
19、SN 研究领域成绩较为突出。国际相关学术会议中对WSN 的研讨增多，检索论文数目逐年以较大幅度增加。企业界，欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon等公司；日本的NEC、OKI、Sky2、leynetworks、世康、欧姆龙等公司都开展了WSN的研究。1.2.2国内无线传感器网络的研究现状我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，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。2001 年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院W
20、SN的相关工作。国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、和黑龙江大学从2002 年开始分别在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。2004 年，中国国家自然科学基金委员将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论) 列为重点研究项目。2005 年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划。2006 年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了WSN 相关的课
21、题。在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有图 1-1 无线传感器网络系统结构点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步7项与传感器网络直接相关。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010年远景规划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展的产业之一。1.2.3总体现状分析目前对于无线传感器网络的研究热点主要集中于网络技术和
22、协议的开发应用上。网络本身主要集中在三个方面的关键技术上：网络通信协议、网络管理技术、网络支撑技术。在网络通信协议上研究重点是数据链路层MAC协议和网络层路协议的研究；在网络管理技术层，主要研究收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究点节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现。1、MAC协议MAC 协议直接控制射频模块，对节点功耗有重要影响，而射频模块是节点中最大的耗能部件，因此到目前为止，能源效率是无线传感器网络MAC 层协议最主要的设计目标10。最近几年研究MAC 协议取得的成果可以将其分为三类：(1)利用时分复用(TDMA)的M
23、AC 协议；(2)通过频分复用(FDMA)或者码分复用(CDMA)的方式的MAC 协议；(3)通过无线信道的随机竞争机制的MAC 协议。这几类比较常见的MAC 协议，主要是利用节点在没有数据收发时，关闭射频模块，转入休眠状态，从而降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐率。其他类型的MAC 协议如：SMACS 和EAR 协议,基本思想是为每对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输, SMACS 协议主要用于静止节点间链路的建立，而EAR 协议则用于建立少量运动节点与静止节点之间的通信链路。目前，MAC 协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量，增加射
24、频模块休眠时间和冲突避免等。其中，减少数据流量是最根本的解决方案，目前主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现。但在MAC 层是否能够进行数据融合以及如何进行数据融合是目前研究较少的领域，还没有成熟的研究成果。随着相关技术的发展和成熟化，诸如可靠性、实时性、移动性等要求会在未来的研究中体现得更明显。2、路由协议路由协议的主要任务是在传感器节点和sink 节点间建立路由，可靠地传递数据。其首要设计原则是节省能量，延长网络系统的生存期。协议不能太复杂、点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从
25、 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息；同时应尽量避免发送冗余信息，减少能量的浪费。最近几年比较新的路由协议可归为以下几种：（1）能量感知路由：是最早提出的传感器网络路由机制之一，节点的可用能量就是节点当前的剩余能量。如Rahul C. Shah 等人提出的一种能量多路径路由机制，该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点的通信能量消耗和剩余能量情况，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期。（2）以数据为中心的路由：定向扩散路由协议是一种典型的以数据为中心的路由协议，与
26、基于地址的路由协议不同，节点不再有全局惟一地址，而代之以观测数据的属性。数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制在局部范围内。（3）洪泛式路由：典型算法Flooding，这种协议不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的相邻节点。（4）基于地理位置的路由：典型算法如GEAR。此类协议假定每个节点都知道自己的地理位置以及目标节点的地理位置，将节点分为不同的域，把查询信息或者数据转发给需要的地域，缩减了传送范围，从而延长网络生命周期。近年来又有许多新的路由协议被提出，如用流量优化的方法来为采样数据选择路由，将MAC层和
27、路由层协议进行捆绑设计，用跨层优化技术来进一步节省功耗等等。虽然取得了一些进展，但目前仍然有很多关键问题未解决，如节能与通信服务质量的平衡、面向应用的路由协议、安全路由协议等问题。3、节能由于传感器网络节点分布众多、覆盖范围大、工作环境复杂，通过更换电池来延长网络工作寿命的方法是不现实的。对于整个传感器网络而言，必须在设计时就充分考虑节能问题，使得节点生存时间长达数月甚至数年，以尽可能少的能量完成尽可能多的任务。传统的无线网络在MAC协议的设计上会以吞吐量、公平性和时延作为设计要点，而对于受到能源限制的无线传感网络而言，服务质量并不是首要的考虑因素，反而会因为节约能量而牺牲服务质传感器网络中十
28、分有效。将数据链路层应答和网络层应答灵活地结合起来便可实现满足性能要求的传输层功率，并达到期望的功耗水平。在目前对于节能问题的研究进展中，休眠机制是节省能源的最有效的方式之一。由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，此时即可启用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步需要在不同状态间切换。另外根据负载状态动态调节供电
29、电压，形成一个闭环控制系统，也可达到节省能量的功效。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。4、节点定位节点定位是指确定传感器节点的相对位置或绝对位置，节点所采集到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息才有意义。目前人们提出了两类节点定位算法：基于测量距离的定位算法与测量距离无关的定位算法。基于距离的定位方法首先使用测距技术测量相邻节点间的实际距离或方位，然后使用三角计算、三边计算、极大似然估计等方法进行定位。与测量距离无关的定位算法主要包括：APIT、质心算法、DV-Hop、Amorphous等。目前为止，节点定位问题的研究还很不完善，基于测量距离的定位方法需要附加的
30、硬件设备，与测量距离无关的定位方法精度低。GPS技术是最为流行的一种绝对位置定位技术，但是由于成本、功耗、扩展性的问题不可能广泛使用。一般采用的方法是少数节点预先配置或者通过GPS得知自身位置信息而作为信标节点，其他节点依靠信息计算出自身的绝对位置。当前主要的研究难点是如何预先摆放一些信标节点，使得普通节点的随机摆放可以取得更好效果。另外，定位精度评估、网络拓扑结构对定位的影响等问题也有待于进一步解决。5、网络安全无线传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用。因此需要设计新型的网络安全机
31、制。可借鉴扩频通信、接入认证/鉴权、数据水印、数据加密等技术。无线传感器网络SPINS 安全框架的机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面定义了完整有效的机制和算法。安全管理方面目前以密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最具有代表性的算法。WSN安全问题的研究工作相对较少，还存在着很多挑战性的问题，如安全路由方法、安全网内数据处理技术、低能耗加密方法、入侵模型和入侵抵御方法、支持新节点加入的密钥预分配技术等等问题。1.3 无线传感器网络的应用传 感 器 网 络 的 大 规 模 商 业 应 用 ， 由 于 技 术 等 方 面 的 制 约 ， 还 有 待 时 日 ，但 是
32、最 近 几 年 ， 随 着 计 算 成 本 的 下 降 以 及 微 处 理 器 体 积 越 来 越 小 ， 已 经 为 数不 少 的 无 线 传 感 器 网 络 开 始 投 入 使 用 。 目 前 无 线 传 感 器 网 络 的 应 用 主 要 集 中在 以 下 领 域 ： 点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步（1)军事应用 无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域。由于其具有可快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此能够实现对敌军地形和兵力布防
33、及装备的侦察、战场的实时监视、定位攻击目标、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。在战场中，指挥员往往需要及时、准确地了解敌我人员、武器装备、通信和军用物资供给的情况。通过随机撤播、特种炮弹发射等手段，可以将大量传感器节点密集地散布于预定区域，收集该区域内有价值的信息，并通过汇聚节点将数据传送至指挥所，也可经由卫星信道转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的：通过布设无线传感器网络，可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，或是以更为隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地，
34、在敌方还未来得及反应时迅速收集有关作战信息。无线传感器网络可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中，利用无线传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。作为 C“ISRT 系统的一个不可或缺的组成部分，无线传感器网络以其低成本、密集型、随机分布、白组织性和强容错能力的特点，及时、准确地为战场指挥系统提供高可靠的军事信息。即使在部分传感器节点失效时，无线传感器网络作为整体仍能完成观测任务。（2）环境应用 无线传感器网络因其部署简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点为环境科学研究的数据获取提供了方便，因而可广泛应用于气象和地理研究
35、、自然和人为灾害(如洪水和火灾)监测、监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测；还可以通过跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫进行濒危种群的研究等。在美国的 ALERT 计划中，研究人员开发了数种传感器来分别监测降雨量、河水水位和土壤水分，他们通过预定义的方式向中心数据库提供信息，并依此预测暴发山洪的可能性。类似地，对于森林火灾的监测，可以将传感器节点随机密布于森林之中。当发生火灾时，这些节点会协同工作，在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传回给有关部门。(3)医疗应用 无线传感器网络所具备的自组织、微型化和对周围区域的感知能力等特点，决定了它在检测人体生理数
36、据、降状况、医院药品管理以及远程医疗等方面可以发挥出色的作用，因而在医疗领域有着广阔的应用前景。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步利用无线传感器网络，远端的医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用无线传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中非常有用。在药品管理方面，将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减小病人用
37、错药的可能性。在 SSIM(5mart Sensors and Integrated Microsystems)项目中，100 个微型传感器被植入病人眼中，从而帮助盲人获得了一定程度的视觉。科学家还创建了一个“智能医疗之家” ，即一个 5 间房的公寓住宅，使用无线传感器网络来测量居住者的重要生命体征(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天 24 小时的活动状况，所搜集的数据被用于开展相应的医疗研究。哈佛大学的一个研究小组利用无线传感器网络构建了一个医疗监测平台。传统模式下、住院病人躺在病床上，身上安装了若干监测传感器，通过线缆被连接到病床边的监侧仪器上。这种模式下，病人必须呆在床上，很不自由。利
38、用无线传感器网络技术，病人便可摆脱线缆的束缚，自由活动，医生通过手持PDA 可以随时接收报誓消息或查询病人状况。该系统已经在美国一些医院里进行测试。（4）家庭应用 嵌入家具和家电中的传感器与执行单元组成的无线网络与 Internet 连接在一起，能够为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。用户可以方便地对家电进行远程监控，如在下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、电话机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧莱、查收电话留言、选择电视节目以及下载网络资料等工作。在家居环境控制方面，将传感器节点放在家庭里不同的房间，可以对各个房间的环境温度进行局部控制。此外，利用无线传感器网
39、络还可以监测幼儿的早期教育环境，跟踪儿童的活动范围，让研究人员、父母或是老师全面地了解和指导儿童的学习过程。(5)工业应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力，决定了无线传感器网络在工业领域大有作为。它包括车辆的跟踪、机械的故障诊断、建筑物状态监测等。将无线传感器网络和 RUD(无线射频识别标签，简称“电子标签”)技术融合是实现智能交通系统的绝好途径。通过传感器节点的探测可以得到实时的交通信息，如车辆的数量、长度、道路拥塞程度等；通过车载主动式的 RFID 可以得到每辆车的精确信息，如车辆的编号、证号、车型以及车主的相关信息等。将这两个信息融合，就可以全面掌握交通信息，并根据需要查询、追踪某
40、车辆。点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步在一些危险的工作环境，如煤矿、石油钻井、核电厂等。利用无线传感器网络可以探测工作现场有哪些员工、他们在做什么以及他们的安全保障等重要信息。(6)其他应用 在太空探索方面，借助于航天器在外星体上撤播一些传感器节点可以实现对星球表面长期的监测，这是目前最为经济可行的探测方案。美国国家航空与航天局(NASA)的 JPI实验室正在研制的 Sensor Webs 计划就是为火星探测进行技术准备，并已经在佛罗里达宇航中心周围的
41、环境监测项目中进行测试和进一步完善。德国某研究机构正在利用无线传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以降低足球比赛中越位和进球的误判率。在商务方面，传感器网络可用于物流和供应链的管理。在仓库的每件存货中安置传感器节点，管理员可以方便地查询到存货的位置和数量。在增加存货时，管理员只需在存货中安置相应的传感器节点；在日常的管理中，管理员可以在控制室实时监测每件存货的状态。无线传感器网络在大型工程项目、防范大型灾害方面也有着良好的应用前景。以我国西气东输及输油管道的建设为例，由于这些管道在很多地方都要穿越大片无人烟的地区，这些地方的管道监控一直都是难题。如果无线传感器网络技术成熟，仅西气东输这样
42、一个工程就可能节省上亿元的资金。2005 年，印度洋海啸之后，世界各国领导人在印尼雅加达举行峰会，议程的首要任务之一就是计划在印度洋构建传感器网络，以便对海底地震作出预警。1.4 发展趋势无线传感器网络已经成为国际上诸多机构研究的热点，随着小规模的广泛投入使用，大规模动态的无线传感器网络将更具重要的科研价值和广泛的应用前景。但是从国内发展现状看，无线传感器网络的大规模应用还不成熟，仍存在着很大的研发空间。相信在不久的将来，随着相应关键技术的进步，无线传感器网络将会渗透到社会的每个角落，得到充分的应用。总的来说，未来传感器网络的研究主要有以下几个方向：（1） 节点微型化：利用现在的微机电、微无线
43、通信技术，设计微体积、长寿命的传感器传节点是一个重要的研究。伯克得大学研制的尘埃传感器节点，把传感器的大小降低到一个立方毫米，使这些传感器颗粒可以悬浮在空中。（2） 寻求系统节能策略：无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题上已经取得了很大的研究成果，提出了一些低功耗的无线传感器点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步网络协议，未来将会取得更大的进步。（3） 低成本：由于传感器网络 的节点数量非常大，往往是成千上万个。要使传感器网络达到实用化
44、，要求每个节点的价格控制在 1 美元以下，而现在每个传感器节点的行人大约在 80 美元左右。如果能够有效地降低节点的成本，将会大推动传感器网络的发展（4） 传感器网络的安全问题和抗干扰问题：与普通的网络一样，传感器网络同样也面临着安全性的考验，即如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、身份谁等。在破坏或受干扰的情况下可靠地完成执行的任务，也是一个重要的研究课题。（5） 节点的自动配置：未来将着重于研究如何将大量的节点按照一定的规则组成一个网络。当其中某些岻哩，网络能够迅速找到这些节点，并且不影响到网络的正常使用。配置冗余节点是必要的。 1.5 本文研究主要内容(1) 基于 ARM7 系
45、统 LPC2214 的无线传感器网络节点设计的总体方案设计。(2) 系统硬件设计。基于移动节点的传感器网络工作原理是：无线传感器网络由一守数量的传感器节点组成，传感区域内用一个基站（计算机）管理整个网络，存储各个传感器节点的输入数据，节点数据经一守的路由后传输到基站。传感器节点分为静态节点和移动节点，静态节点构成传感器网络节点在配置后，自身不能改变所处位置，感知范围固定，由于能耗等容易使节点脱离网络，改变原有的网络拜年结构，以致造成信息不能按原有路径传输，移动传感器节点具有可移动性、存储量大等优势，可动态构建网络，从而保障网络的通讯功能，移动节点进入传感器区域后，发送射频信号，激活各静态节点后
46、建立链接，各节点以自己节点地址编码依次将数据传输给移动传感器节点，最终传输到基站。因而，无线传感器网络中应用移动传感器节点，可以提升网络性能，保障通讯能力。(3) 系统软件设计。基于移动节点的传感器网络由多个移动节点和静态节点组成，每个节点在网络中必须有唯一的地址编码和特定的数据传输格式。(4) 采取多种抗干扰措施，提高系统的稳定性和精度。1.6 本章小结 本章主要介绍了无线传感器网络的定义及应用，详细地讲述了无线传感器网络的研究现状，通过对理论与实践的分析，预测未来无线传感器网络发展的趋势，随着科技的进步，无线传感器网络向智能化、微型化、安全化发展，将点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创
47、意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步更大的促进工业、农业的发展。第二章 系统总体方案设计2.1 系统硬件组成系统硬件平台以 ARM7 系统 LPC2214 微处理器为核心，硬件结构如下图所示：本系统以 ARM7 LPC2214 处理器为控制核心，采用无线传感器、通信技术等关键技术，对无线传感器网络节点进行整体的设计。该系统可分为时钟电路、复位电路、电源电路、电机驱动电路、无线射频通讯电路、显示电路、近距离红外传感器电路、控制电路和报警电路。选用的主要器件有 LPC2214, L298N, nRF
48、904, SP708S 等。A/DC主控制电路电源传感器无线通讯单元 SPII/OUARTJATGARM7TDMI-S 处理器片内 FLASH片内RAMI/OLPC2214显示器报警器RS232 转换电路电机驱动电源 电机驱动单元 直流电机图 2-1 硬件结构总设计图点梦时刻 中国全新的“P2P”梦想与创意项目筹资平台设计、旅行、影视、摄影、科技、音乐、艺术、人文、出版、饮食、漫画游戏梦 想 从 相 信 开 始 创 意 从 筹 资 起 步2.2 系统硬件器件本系统选用的主要器件有 LPC2214, L298N, nRF904, SP708S 等。下面给出各器件的详细的介绍。2.2.1 LPC2214LPC2212/LPC2214 是一款基于 16/32 位 ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的 CPU,并带有 128/256 k 字节(k )嵌入的高速 Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码 规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。LPC2212/LPC2214 采用 144 脚封装、极低的功耗、多
