基于wsn的无线防盗报警系统设计本科毕业论文.doc
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1、xxxx UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 基于WSN的无线防盗报警系统设计学生姓名 xxx 学 号 专业班级 通信工程 指导教师 xxx 学 院 答辩日期 2012年6月11日 摘 要无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN) 是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。随着无线传感器网络的迅速发展,将WSN技术运用于实现家庭报警具有实际应用价值,在本设计中使用无线传感器采集信息,在zigbee网络,热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标,将信号输入cc24
2、30模块,经过模块处理后,把信息发给接收端,接收节点处理后,将信息传入单片机中对信息进行处理,通过报警装置发生报警,人们就可以知道。现代人们对安全越来越重视,这个设计刚好满足现代人的需求。关键字:传感器;单片机;WSN AbstractWSN(Wireless Sensor Network)is composed of a large number of micro-integration node data-centric wireless self-organizing network,With the rapid development of wireless sensor networ
3、ks, WSN technology used in home alarm with the practical application of value, Wireless sensors to collect information used in this design, In zigbee networkPyroelect rice infrared sensors through the target and background of temperature difference to detect target,In will signal input cc2430 module
4、,Treatment after the module,In the information to the receiver In receiving node after treatment Through the network in zigbee transceiver, The information is introduced into the single chip microcomputer processes the information,in through the alarm device that people can know it, nowadays modern
5、people to pay more and more attention to safety, The design just meet modern needed.Keywords: Sensor; Single-chip microcomputer; WSN 目 录第1章 绪论11.1 无线传感网络的发展11.2 WSN相关的会议和组织21.3 WSN在我国的发展现状31.4 WSN技术的成熟度分析31.5传感器网络的应用4第2章 无线传感器网络62.1 无线传感器网络的关键技术62.1.1 网络拓扑控制62.1.2 数据融合62.1.3 定位技术72.1.4 无线通信技术72.1.5
6、时间同步72.2传感器的节点结构82.3 WSN组网模式82.4 拓扑控制92.5 MAC协议的分类102.5.1竞争型MAC协议112.5.2非竞争的MAC协议122.5.3混合型MAC协议13第3章 系统设计方案153.1设计流程153.2设计的原则183.3 WSN在本系统的应用183.4 WSN的核心技术18第4章 详细设计214.1数据处理模块214.2电源电路274.3 串口通信模块:274.4 ZigBee无线传感器网络的实现324.5器件的选择334.5.1 红外传感器的原理334.5.2蜂鸣器的发音原理35总 结38参考文献39附录 外文文献原文、译文40附录 程序清单60致
7、 谢6568兰州大学毕业设计第1章 绪论 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN) 是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)的节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向,同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中,使得传感器节点不仅具有数据采集能力,而且具有滤波和信息处理能力;无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力,大大延长了传感器的感知触角,降低了传感器的工程
8、实施成本;网络节点数量大、密度高,节点有一定的故障,节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制,网络拓扑结构变化很快,以数据为中心。无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中,使得传感器不再是单个的感知单元,而是能够交换信息、协调控制的有机结合体,实现物与物的互联,把感知触角深入世界各个角落,必将成为下一代互联网的重要组成部分。1.1 无线传感网络的发展 早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力,并通过与传感控制器的相联
9、,组成了有信息综合和处理能力的传感器网络,这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于传感器网络,人们用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使用无线技术连接,无线传感器网络逐渐形成。 1996年,美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年,同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里,WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注,成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构
10、监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一,麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。 WSN网络技术一经提出,就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年,各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2002年美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Proces
11、sing in Sensor Network(IPSN),为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年,一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network,用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年,Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会,旨在促进WSN技术的开发。2006年10月,在中国北京,中国计算机学会传感器网络专委会正
12、式成立,标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。 2001年,中国科学院成立了微系统研究与发展中心,挂靠中科院上海微系统所,旨在整合中科院内部的相关单位,共同推进传感器网络的研究。从2002年开始,中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底,中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项;国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项,国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目;国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7
13、项直接涉及无线传感器网络。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确定了3个前沿方向,其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是,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”国家级重大专项中,有第6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。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。1.2 WSN相关的会议和组织WSN网络技术一经提出,就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年,各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。20
14、01年,美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN),为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年,一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network,用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年,Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、R
15、adianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会,旨在促进WSN技术的开发。2006年10月,在中国北京,中国计算机学会传感器网络专委会正式成立,标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.3 WSN在我国的发展现状我国现代意义的WSN及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年,中科院成立了微系统研究与发展中心推进WSN的研究。2006年,WSN作为重大专项、优先发展主题、前沿领域被列入国家中长期科学与技术发展规划(20062020),并成为重大专项“新一代宽带移动无线通信网”的重要方向之一。 目前,中国的WSN应用已经深入到智能家电、智能楼宇、智
16、能交通、中小企业管理等民用领域。2010年上海世博会上WSN也得到了示范和应用。无线传感器网络技术在国内起步并不晚,但真正开始大规模研发是在2004年至2006年间。2007年后呈现出爆发性增长态势,有些年份的专利公开数量出现翻番,发明专利授权数量的增加也达到上一年的3倍以上。主要原因可能在于2004年后中国国家自然科学基金委员会、国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)、国家“863”重点项目、国家重点基础研究发展计划“973”、国家发改委“中国下一代互联网工程项目(CNGI)”等相继将WSN技术列为重点领域和优先课题。随着2008年工业和信息化部“新一代宽带移动通信网”国家级
17、重大专项的启动,专利申请趋势保持上扬目前中国与美国权利人/申请人分别拥有数量最多的发明专利授权与专利总数。日本、韩国次之。从比例上看,中日韩三国拥有的专利数大幅度领先于其他国家和地区在华拥有最多WSN技术相关专利的权利人/申请人主要为国外大型企业。排名前三的分别为三星公司、诺基亚公司与皇家飞利浦公司。只有华为一家国内企业进入前十。但相对的,在发明专利授权数量上华为公司排名第四位,相对国外企业的差距并不大。另外需要说明的是,排名前十位的企业申请的均为发明专利。与前述美国专利权利人/申请人排名对比可以发现,在WSN技术领域较为领先的公司在中美两国都有大量的申请。拥有最多美国专利的摩托罗拉公司在中国
18、的排名也是第十一位,可见该领域技术竞争之激烈。1.4 WSN技术的成熟度分析 Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年,Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性,表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观,认为该技术将在25年内走向成熟。2006年,Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行,但成熟时间要更长一些;而到了2007年,Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升,但其市场并没有走向高产能期,而是似乎又回到了技术膨胀期。同时,距离成
19、熟的时间仍然是10年以上。 超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看,WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破,微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外,这些技术之间还彼此制约。首先,微型化使节点通信距离变短,路径长度增加,数据延迟难于预期;其次,能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比,充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和;再有,现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计,微型化给回收带来困难,
20、从而威胁到环境健康。 市场不会向技术妥协,如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展,一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破;另一方面,就要在成熟的市场中寻找应用,构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是,WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。1.5传感器网络的应用 (1)在军事上的应用,传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点,因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部,或
21、者在公共隔离带部署传感网络,就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息,美国国防部及各军事研究部门对WSN技术都给予了高度重视,在C4ISR基础上提出了C4KISR计划,强调基于WSN技术的战场情报感知能力、信息综合能力和信息利用能力。作为很有代表性的WSN军事应用研究项目,“智能灰尘(Smart DuST)”和“沙地直线(A Line in the Sanel)”也取得了令人瞩目的研究成果。“智能尘埃”的设计思想是,在战场上抛撒数千个具有计算能力和无线通信功能的低成本、低功耗超微型传感器模块并组成网络,用于监控敌人的活动情况,并将采集到的原始数据进行简单处理后发送回指挥部。“沙地直线”是国防高级研
22、究计划局的资助下开发的一种WSN系统。该系统可将探测节点散布到整个战场,侦测战区内高金属含量的运动目标。欧洲,德国、芬兰、意大利、法国、英国等国家的研究机构也纷纷开展了WSN技术基础理论与军事应用的相关研究工作。日本与韩国甚至将建设WSN系统提升到国家战略高度。我国目前的WSN技术研究已具初步规模,但对于WSN技术的军事应用研究尚处于起步阶段。(2)环境观测和预报系统,也应用到了无线通信网络,但是农业监测的范围很广,于是要用到成千上万的传感器,这样造成了庞大并复杂的控制网络。传统的农业主要靠孤立的、没有通信能力的机械设备,主要依靠人们亲自到耕地现场监测作物的生长状况。但是,自从采用了传感器和
23、ZigBee 网络,农业即将逐渐地面向信息化和智能化的方向发展。这种生产模式,就是采用更多的自动化、网络化、智能化以及远程控制的设备进行耕种。通过传感器能够收集到土壤的湿度、氮浓度、 pH 值、降水量、温度、空气湿度及气压等。这些信息将通过 ZigBee 网络传送给中心控制器,农民可通过监控设备对处于不同位置的传感器数据进行分析,分析后可对不同的地区采取对应措施。这样就可以提早发现问题并解决问题,从而有助于提高农作物的质量和产量。 (3)医疗护理,采用 ZigBee 无线通信网络和传感器,能够准确而实时地监测病人的信息,如血压、体温和心率等信息。传感器用来采集病人的信息,通过ZigBee网络将
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