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开题报告
基于无线传感网络的数据采集系统设计
1
选题的背景、意义
近年来，微机电系
统（
MEMS
）、低功耗高集成度电子器件及无线通信技术的<
/p>
快速发展，导致低成本、微体积、多功能的无线传感器节点设备的出现。在未来
几
年内，无线传感器网络（
WSN
）将对人们的日常生活和几乎所有军工业领域带
来
巨大
影响。尤其随着无线通信和射频技术的不断发展，具有布局灵活、成本低廉、
组网便捷的
特点的无线数据采集系统正在逐渐取代传统的有线数据采集系
统。
无线传感器网络（简称
WSN
，<
/p>
wi r e l es s s ensornetworks
）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
< br>
[ 1]
；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。
无线传感器网络由大量工能相同或不同的无线传感器节点以自组织方式构
成。无线传感器节点是网络的基本单元，其体积小、成本低、具有通信能力和数
据处理能力，节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保障
【
2
】
。
。根据不同的应用
目的，网络互联的传感器节点分布于监测区域中，以测量其周边环境中的光热、
声
音、电磁、化学成分等各种信号，从而检测到包括温度、光强度、噪声、压
力、
土壤
成分、水质和各种移动物体的大小、速度以及移动方向
等物质现象，进而在
网络
中完成数据处理和信息融合，最后将有
用的信息数据传输给用户。采用无线
电实现网
络的互联通信，其
连接更简单，节点放臵更灵活，网络也更易扩展。
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2
相关研究的最新成果及动态
无线传感器网络的研究发展起源可以追溯到
1938
年由美国国防部高级计划
署（
DARPA
）资助的在卡耐基梅隆大学举行的“分布式传感器网络论坛”
【
7
】
。
从
1993
年起美国加州大学和罗克
韦尔科学中心联合研究
W
I
N
S
项目，并在
1998
年建立公司进行商业化
.
这个项目几乎涵盖了无线传感器网络
设计的所有
方面，
从
M
E
M
S
传感器和执行器电路级集成、信号处理架构和网络协议设计到传
感和检测
[
8]
理论的基本原理研究。
加州大学伯克利分校与
1999
年开始了
PicoRadio
项目的研究
，目的是把独立
的中尺度、低成本、低能耗的传感器和监视器节点集合成为自组织无线
网络。
Pi
coRa di o
网络的物理层采用的是
DSSS
技术；
MAC
层结合了扩频技术和<
/p>
CSMA
技术
的优点。该校还专门研制开
发了一个传感器操作系统
TinyOS
。
2000
年，美国国防部把
SSW
（
Sma
r
t
SensorW
e
b
）定位为国防部科学技术
5
个
[9]
尖端研究领域之一
。
SSW
的基本思想是在整个作战空间内放臵大量的传感器
节
点来收集、传递信息，然后将信息汇聚到融合点并合成一张图片，从而得到
有
用的
[
10]
作战信息。
2002
年
5
月，美国能源部与美国
Sandi a
国家实验室合作，共同研究由于地
铁、车站等场所的防范恐怖袭击的对策系统。该系统
融检测有毒气体的化学传感
器
和网络技术与一体，传感器一旦检
测到某种有害物质，就会自动向管理中心报
告并
自动采取急救措
施。
2002
年
10
月
2
4
日，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型
计算发展规划”，致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火及
行星探究等领域的应用。
另外，还有许多研究
项
目与无线传感器网络相
关，如多传感器融合
技
术、
M
E
N
E
T
网
络和
Te r
m
i
node
项目等
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
200
8
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”
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。
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[
6]
目前，在实现无线传感器网络的节能方
面普遍从每个节点出发，采用低功耗
硬
件设计及通过动态电源管
理等技术使系统各个部分运行在节能模式，可节约大
量电
能，与
此同时，针对不同应用进行专门的优化，并采用软硬件整合设计、跨
层网络
协议设计等一体化节能设计来无线传感器网络节能。
3
课题的研究内容及拟采取的研究方
法（技术路线）、研究难点及预期
达到的目标
3. 1
研究内容
设计得到低功耗、
小尺寸、低成本、能灵活地应用到多种场合的无
线传感器
节点。实现一种实时、可靠的分布式自组织无线数据采集系统，具有更好的扩展
性和
通用性。
1
）对传感节点进行分类总结，而后分别给出了设计方案和电路结构。
<
/p>
2
）分析了电路设计时的各方面权衡，给出设计实例。
3
）对无线传感网络中的传感节点进行了详细分
析，依照应用环境的不同将传
感节
点分为功耗优先与精度优先两
种，并分别给出了设计方案和电路结构。
3.
2
研究方法
1
、无线传感器网络节点结构
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）
，如图
1
所示。
1
）数据采集模块
< br>数据采集模块主要由各种传感器和
A/D
转换器构成，负
责数据的采集并调理
数
[3,4]
据信
号。根据不同的应用环境，适当选择相应类型的传感器，由
A/D
转换器将
传感器采集到的模拟信号转换为数字量。
2
）数据处理和控制模块
数据处理和控制模块主
要由微处理器
和存储器构成。
3
）通信模块
通信模块主要是无线收发器，负责各节点之间的无线通信
，在各节点点
路中
起着重要作用，在
软硬件设计上一旦出现缺陷就很有可能会影响整个系统。因此，
虽然该模块的设计并不复
杂，但要达到很理想地效果却是一件很困难的事情。
4
）供
电模块
供电模块主要由电池和能量转换器
构成，负责供应各部分正常工作所需电
源。
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