基于无线传感器网络智能家居控制系统研究

1、本科生毕业论文本科生毕业论文 基于无线传感器网络智能家居控制系统研究 Based On Wireless Sensor Network Intelligent Household Control System Research 学生姓名 所在专业 所在班级 申请学位 指导教师职称 副指导教师职称 答辩时间 目 录 II 目目 录录 摘摘 要要 .I ABSTRACT .II 第一章 绪论.1 1.1 智能家居的由来.1 1.1.1 智能家居的意义.1 1.1.2 智能家居的起源.1 1.2 国内外智能家居发展现状.2 1.2.1 国外智能家居发展.2 1.2.2 国内智能家居.2 1.3 未来

2、的智能家居发展趋势.4 1.4 本论文的工作与论文安排.5 第二章 无线传感器网络节点的硬件设计.6 2.1 传感器节点的定义.6 2.2 传感器节点的硬件设计.6 2.2.1 传感器单元的设计.7 2.2.2 处理器单元的设计.9 2.2.3 无线通信单元的设计.9 2.2.4 能量供应单元的设计.10 2.3 本章小结.11 第三章 通信协议的设计.12 3.1MAC 层协议的设计.12 3.1.1 MAC 层协议的设计要求.12 3.1.2 信道接入方式的设计.12 3.1.3 差错控制算法的设计.14 3.1.4 MAC 层数据帧格式的设计.15 3.2 路由协议的设.16 3.2.1

3、 主动路由协议.16 3.2.2 按需路由协议.16 3.2.3 路由协议的设计.17 3.3 本章小结.18 第四章 智能家居网络的设计及综合调试.19 4.1 智能家居网络拓扑结构的设计.19 4.2 智能家居网络的拓扑的设计.19 目 录 III 4.3 程序的综合设计.19 4.3.1 温度传感器 DS18B20 驱动程序的设计.19 4.3.2 无线收发芯片 NRF905 驱动程序的设计.23 4.3.3 传感器节点整体程序的设计.28 44 系统的综合调试.29 45 本章小结.30 第五章 结论.31 5.1 回顾总结.31 5.2 展望.31 鸣鸣 谢谢.32 参考文献参考文献

4、.33 附附 录录 1.34 附附 录录 2.35 摘 要 I 摘摘 要要 无线传感器网络是多跳的自组织的无线网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 区域中感知对象的信息，并发送给观察者。基于此，无线传感网络在智能家居上的应用技术优势非 常明显。 本文对其四个组成部分的硬件进行设计，详细研究介绍了各部分器件的特点及设计相应的电路 原理图。随后研究了通信协议的设计，主要包括 MAC 层协议和路由协议的设计。本文在探讨几种 流行的拓扑结构的基础上设计了最适合智能家居网络的拓扑结构，同时设计了节点的硬件驱动程序 以及实现通信协议的程序，接着组建了一个小型的网络来实现室内温度和人体红外信息的

5、采集及多 跳传输功能。实验结果说明，本系统的设计原理简便，功能强大。是无线网络智能家居智能化和技 术化的体现。 关键词关键词：无线传感器网络；智能家居；温度；人体热释红外 ABSTRACT II ABSTRACT Wireless sensor network is multiple hops self-organization wireless network system. Its aim is that it can feel, collect and process information of object within the net and send the informatio

6、n to observer. Based on this, the wireless sensor network in intelligent household on the application technology advantage is very obvious. The paper designed the four parts of nodes according to the definition of wireless sensor network nodes, particularly researched character and circuit principle

7、 of every elements. Then the paper researched the design of the communication protocol, mainly researched the design of MAC layer protocol and route protocol. The paper designed the topology which was best fitted into intelligent home network on the basis of discussing several popular topology, an a

8、lso designed the driver of nodes and the program which would make the communication protocol come ture, then formed a little network to make the information collecting of temperature and human thermal infrared and multi-hop transmission come ture. As the result the system design principle is simple,

9、 powerful. It is the reflect of infinite network intelligent household intelligent and technology. Keywords: wireless sensor network； intelligent home,；temperature； human thermal infrared 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 1 基于无线传感器网络智能家居控制系统研究 电子信息工程，200711611319，林子涌 指导教师：王骥 第一章 绪论 本章主要介绍无线传感器网络和智能家居的起源、发展现状和未来的发展

10、趋势。 1.1 智能家居的由来 智能家居就是利用计算机技术、数字技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家庭生活密切 相关的防盗报警系统、家电控制系统、网络信息服务系统等各子系统有机的结合在一起，通过中央 管理平台，让家居生活更加安全、舒适和高效1。 1.1.1 智能家居的意义 智能家居就是利用计算机技术、数字技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家庭生活密切 相关的防盗报警系统、家电控制系统、网络信息服务系统等各子系统有机的结合在一起，通过中央 管理平台，让家居生活更加安全、舒适和高效。随着人们生活水平的不断提高，人们不断的对居住 环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与

11、便利，因此从市场需求的角 度看，智能家居必然是前景广阔2。 1.1.2 智能家居的起源 智能家居的由来 1984 年美国联合科技公司(United Technologies Building System)将建筑设备信 息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州(Connecticut)哈特佛市(Hartford)的 CityHaceBuilding 时， 才出现了首栋的睹能型建筑，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。20 世纪 80 年代初， 随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化出现。80 年代中期，将家用电器、通信设备 与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概

12、念3。80 年代末，通信与信息 技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信家电安防设备进行监控与管理的商用系统， 这在美国称为 SmartHome，也就是现在智能家屠的原型智能家居最初的定义是这样的：”将家庭 中各种与信息相关的通信设备家用电器和家庭安防装最，通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家 庭智能系统上，进行集中或异地监视控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的 和谐与协调。 ”HBS 是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心。目前通常把智能家居被定义为利用 电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的 一个系统。也就是说，首先，

13、它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通 路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电 和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 2 庭以外的世界沟信息，满足远程控制监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足 人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。 1.2 国内外智能家居发展现状 随着经济的发展，社会信息化的程度不断提高，智能家居的概念逐步走进了人们的生活。国外 智能家居的发展情况自从世界上第一幢智能建筑年在美国出现后美国加拿大欧

14、洲 澳大利亚和东南 亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案智能家居在美国、德国、新加坡、日本等 国都有广泛的应用、新加坡模式的家庭智能化系统包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功 能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能 布线箱宽带网接入和系统软件配置等 。那么， 什么是智能化家居几年前一些经济比较发达的国家 提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是智能家居的先导，智能家居是住宅智能化的核心。那么达 到一个什么样的标准才可以称之为智能化家庭呢？智能化家庭与智能大厦概念与定义一样，至今尚 没有取得一致的认同4。 1.2.1 国外智能家居

15、发展 美国电子工业协会于 1988 年编制了第 1 个适用于家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化 系统与通讯标准也有称之为家庭总线系标准（HBS）;我国也从 1997 年初开始制定小康住宅电 气设计（标准）导则 讨论稿 。在导则中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要 求：高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯方式，综合的信息服务，家庭智能化系统。同时 也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标 准，即：第一级为“理想目标”第二级为“普及目标”第三级为“最低目标”。 智能家居最终目的是让家庭更舒适，更方便，更安全，更符合环保。随着人类消费需求

16、和住宅 智能化的不断发展，今天的智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂。智能家 居包括网络接入系统、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁区系统、煤气泄露探测系统、 远程抄表（水表、电表、煤气表）系统、紧急求助系统远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控 制管理及开发系统、集中供冷热系统、网上购物系统、语音与传真、电子邮件、服务系统、网上教 育系统股票操作系统、视频点播、付费电视系统、有线电视系统等等，各种新鲜的名词逐渐成为智 能家居中的组成部分。 在新加坡有近 30 个社区（住宅小区）近户的家庭采用了“家庭智能化系统”美国已有近户家庭 安装了这一类的“家庭智能化系统”三星公司

17、从 2003 年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能 家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电 、安防设备以及娱乐和信息中心这四 部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络5-6。 1.2.2 国内智能家居 国内智能家居的发展现状我国将住宅小区智能化定义为：利用 4C(即计算机、通讯与网络、自 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 3 控 IC 卡)技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统 集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理， 提供安全舒适的家居环境7-8。 1.2.2.1 智能化住宅升

18、温 智能化住宅升温住宅智能化是人类住宅的又一场新的革命。近年在我国，高科技和信息技术正 在由智能大厦走向智能住宅小区，进而走进家庭、现代社会的家庭正在以家庭智能化带来的多元信 息和安全 舒适、便利的生活环境，作为一个理想目标来追求。国家也在2000 年小康型城乡住宅 科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。因此也就必 然促使智能化从智能大厦建设向智能化住宅小区，乃至向家庭智能化的方向发展。原国家经贸委牵 头成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系研究及产品开发已作为国家技术创新重点专 项计划。据悉，国家将投资个亿支持该项目的实施。目前建设部已批准个普及型

19、网络社区，北京也 将建设 30 个网络社区。建材发展导向总户数将达 30000 户。到 2010 年我国超过 70%的家庭将有 Internet 入网设备,有 50%以上会有多台设备,从而产生共享访问 Internet 的需求。建设部要求到 2010 年 60%大中城市中的住宅要实现智能化由于智能化家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效 的现代生活方式，在不久的将来，没有智能家居系统的住宅将会象今天不能上网的住宅那样不合潮 流9-10。 1.2.2.2 我国智能家居功能单元的发展情况 目前智能化住宅之所以能够作为房地产开发的卖点，也说明了智能化住宅本身有它的市场需求。 但是由于媒体炒作和开

20、发商一些夸张的宣传，消费者对智能化的认识也存在着误区 ，一是认为简 单的监控设施、网络设施的堆砌，便是实现了信息化、智能化，如设置一个可视电话、可视门铃等； 二是认为智能化深不可测，一打手机热水器便开了，甚至把冰箱、微波炉等都上网络，都打手机遥 控。据调查，拥有个人电脑的美国家庭当中，有 37%希望拥有家庭网络，但很少有消费者需要带有 电子邮件功能的冰箱、微波炉等。至于将来有无这种发展趋势，在国际上也尚待观察。用户应根据 自已的实际需求适当选择，而不要盲目跟。专业人士认为，在建设智能化住宅时，应从人的需求出 发，不应盲目追求大而全。建一个社区智能网络系统，每建筑 1将增加造价 100 元左右,

21、如果再加 一些更为高档、豪华的设施，费用增加得更多。且不说一些不实用的设施所造成资金浪费，社区智 能网建成后，它的使用和维护需要多少人力、财力，还应该考虑智能化程度高的小区，每月的物业 管理费用可能在普通小区的数倍以上 。不会让购房者接受，这些都是应该由开发商去考虑的问题。 开发商在建设智能化住宅时应以人为本追求个性化、人性化的设计，不应盲目追求大而全以免造成 不必要的浪费，又不被住户认。可据一项调查显示，在住宅智能化系统中，紧急呼叫系统的需求量 最大。有接近 50%的购房者认为这是必备的设施，门铃对讲系统的需求量也比较大，仅次于紧急呼 叫系统的需求量。其次需求相对较大的：是计算机网络系统、三

22、表抄送系统、诸多家电在组合使用 时的科学管理、控制等。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 4 我国智能家居功能单元的发展情况。目前智能家居一般要求有三大功能单元第一，要求有一个 家庭布线系统；第二，必须有一个兼容性强的智能家居中央处理平台（家庭信息平台） ；第三，真 正的智能家庭生活至少需要三种网络的支持：宽带互联网家庭互联网和家庭控制网络。目前已经出 现的智能家居家庭信息处理平台大致分为三类：第一类平台是机顶盒技术，第二类台是家庭网关， 第三类平台是拥有自主知识产权的软组合家庭信息平台。它是可选择上网方式的电器大管家平台。 以软组合方式与家用电器（音像电器、摄像装置、上网装置、卫星接收装

23、置、保安装置照明装置以 及功能扩展接口等）结成一体，具有可供选择的机顶盒、电脑接口它与机顶盒结成一体，就兼有第 一类平台的功能；它与电脑结成一体，就兼有第二类平台的功能。这种平台除了具有家居平台的一 般功能外还具有独特优势：特别适于根据我国国情、民情，实现“智能化家居几步走”； 可兼顾、 激活目前家庭里已经大量存在的非智能家电；方便需要通过电视实现上网的几千万人，特别适于智 能家居的 DIY； 对家庭电器具有多种功能开发、信息处理增值、人机保护等功能10-11。 1.2.2.3 智能家居是一个大的社会系统工程 智能家居是一个大的社会系统工程，建立起清晰的产业链还尚需时日。智能化家居发展将大大

24、推动我国实现家庭信息化进程。智能家居能够为人们提供更加轻松、有序 高效的现代生活方式， 在不久的将来，没有智能家居系统的住宅肯定不合潮流。智能家居系统是一个大的社会系统工程， 应当加快我国智能家居标准进程，积极协调宽带接入工程，根据我国国情、民情，鼓励智能家居建 设分“几步走”和“一步到位”共举，鼓励使用可充分开发利用大量传统家电（非智能家电）的家庭平 台，重视几万人需要通过电视实现上网的群体，重视小区局域网以外智能家居的市场需求 12-13。 1.3 未来的智能家居发展趋势 智能家居怎样做到实用性、易用性、人性化，真正提高人们的生活品质，才是智能家居的发展 方向。从 2000 年的首届峰会到

25、刚刚落幕的第四届中国国际建筑智能化峰会，虽然中国房产智能化 道路几经周折，但是这一进程却不可阻挡地前进着。科技的发展使人们坚定不移地追求更高品质的 生活，智能家居作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩目。正如网络经济重回传统一样，第 四届中国国际建筑智能化峰会上，朝华数码等一大批智能家居厂商们呼吁，智能家居必须回归理性。 虽然业界对于智能家居定义一直争论不休，正如建筑智能化领域专家、清华大学林贤光教授所言： 目前为止，并没有关于智能与不智能的确切的界限与概念。但是如果抛开业界的争论，从消费者的 角度来看，智能家居市场的需求已经逐渐明朗：就是以实用为核心，力求实用、易用、人性化。虽 然科技飞速

26、发展，信息技术日新月异，连 CPU 运算速度的提升都已经突破了摩尔定律，但是如何 将这些技术引入智能家居产品之中，如何打造出真正实用的智能家居产品，这才是国际建筑智能化 峰会每一位参与者最关注的问题。朝华数码有关人士提出，如今智能家居产业界所体现的两大技术 趋势正是发展方向：1、领先的无线移动；2、不依靠 PC 的独立形态。致力于智能家居产品的应用 接轨，很多问题并不在于技术水平的高低，而在于怎样去做到实用、易用、人性化，而第四届中国 国际建筑智能化峰会无论从峰会背景、意义还是从其议题来看，也都能看出其尘埃落定，返朴归真 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 5 的寓意所在，只有更加贴近实用、

27、易用和人性化的智能家居概念，才能真正提高人们的生活品质， 才能真正体现智能家居的价值，这也是现代科技价值的核心所在14-17。 1.4 本论文的工作与论文安排 本论文主要研究无线传感器网络技术及其在智能家居系统中的应用。首先根据无线传感器网络 节点的定义自行设计了节点模块，同时参考现有的无线传感器网络协议设计了一套适合本文的网络 协议，最后将节点模块组成网络来检测室内温度和人体热释红外信息。智能家居包括家电的控制和 室内参数检测两部分，本文的研究偏重于室内温度和人体热释红外信息的检测，对家电的控制部分 设计较少。 论文的第一章介绍了无线传感器网络的起源、发展与现状，然后介绍了无线传感器网络中设

28、计 的技术重点与难点，重点阐述了无线通信技术和网络协议技术为后米无线传感器网络的设计奠定坚 实的基础。接着介绍了智能家居系统的发展以及现今传统家居网络的不足，最后介绍了无线传感器 网络技术与智能家居结合的难点。 第二章主要介绍了传感器节点的硬件设计。首先介绍了传感器节点的定义，然后进行了硬件设 计。节点的硬件设计主要包括 4 个部分：传感器单元、处理器单元、无线通信单元和能量供应单元， 最后还设计了节点与控制中心计算机的借口。 第三章主要介绍了通信协议的设计，其中包括 MAC 层协议、网络层协议、网络层的路由协议 和路由发现算法的设计。MAC 层协议的设计主要包括三个部分：信道接入技术、退避算

29、法和差错 控制算法的设计。 第四章主要介绍智能家居网络的组件及综合调试。在这一章中首先设计了智能家居网络的拓扑 结构，然后介绍传感器节点的程序的设计，这部分主要包括硬件的驱动程序和通信协议的程序实现， 最后搭建一个小型网络来实现室内温度和人体热释红外信信的检测，测试系统的性能。 最后是结论，总结一下本论文所做的研究，并在此基础上总结出了一些本论文的设计的不足之 处，最后是对无线传感器网络发展的展望。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 6 第二章 无线传感器网络节点的硬件设计 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能 力和通信能力的微型传感器开始在世

30、界范围内出现，由这些微型传感器构成的无线传感器网络引入 人们的极大关注。传感器网络是信息感知和采集的一场革命，作为一个全新的研究领域，在基础理 论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战研究课题。本章主要介绍无线传感器网络节 点模块的硬件设计，包括各部分器件的选取以及相应的电路原理图的设计等内容。 2.1 传感器节点的定义 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，通常由传感器单元（数据采集单元） 、处理器单元（数 据处理单元） 、无线通信单元（数据传输单元）和能量供应单元四个部组成，如图 2-1 所示。 处理器 存储器 网络MAC 收发设 备 传感器单元处理器单元 无线通信单元 能量供应单元

31、传感器A/D 图 2-1 传感器节点系统结构图 传感器单元负责检测区域内信息的采集和数据交换；处理器单元包括 CPU、存储器等，负责 整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据进行数据融合；无线 通信单元负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应单元为传 感器节点提供所需的能量，通常采用微型高能电池。 2.2 传感器节点的硬件设计 本文主要设计两类节点，分别是检测节点和转发节点。其中转发 节点与检测节点相比只是没 有传感器单元，其他部分设计与检测节点完全相同因此在本章中只对检测节点进行设计，其总的原 理框图如图 2-2 所示。其中传感器单元

32、由人体红外传感器、A/D 接口和温度传感器 18B20 组成；处 理器单元的功能由单片机 MSP430F1232 来完成；无线通信部分由 NRF905;RS232 接口可以用来直 接和控制中心计算机通信；能量供应单元由 2 节 5 号干电池组成的电池组成。图 2-2 形象的说明了 整个模块的原理构成，下面将分别详细的介绍各个部分的设计。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 7 温感18B20 A/D接口 人体红外传感器 单片机 MSP430F 1232 RS232接口 无线收发芯片 NRF905 2节5号干电池组成的电池组 图 2-2 传感器节点的硬件原理框图 2.2.1 传感器单元的设计

33、在本文设计的节点模块中只有温度和人体热释红外两个传感器，如果需要，还可以再添加其它 的传感器使该节点的检测功能更强大。 2.2.1.1 温度传感器的选取和供电设计 温度传感器选用 Dallas 公司的可编程单线制数字式温度传感器 DS28B20 实现室内温度采集。 该传感器体积小，外形如普通三极管，其内部集成有测温传感器及逻辑控制电路。DS18B20 的外 围电路简单，成本低，但其测温精度较高，可以设定 912 位的分辨率，精度为 0.5C,可以满足一般 应用的要求。它还有很多优点，例如：直接输出数字信号，省去了后继的信号放大及模/数转换部 分；一根信号线上可以挂接多个 DS18B20，便于多

34、点测量；分辨率设定，及用户设定的报警温度 存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。DS18B20 的外围电路很简单，电路设计部分主要考虑其供 电模式的选择即可。DS18B20 有两种供电模式：寄生供电和外部电源供电。当采用寄生供电时， 电路会在 I/O 或 VDD引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时，I/O 要提供足够 的能量。寄生电源有两个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源，2）可以在没有常规电源的 条件下读 ROM。在这种模式下，要想使 DS18B20 能够进行准确的温度转换，I/O 线必须在转换期 间保证供电。由于 DS18B20 的工作电流达到 1mA，所以仅

35、靠 5K 的上拉电阻提供电源是不行的， 当几只 DS18B20 挂在同一根 I/O 线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。另一种 给 DS18B20 供电的方法是从 VDD引脚接入一个外部电源。这样做的好处是 I/0 线上不需要加强上拉， 而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其 他数据往来。另外，在单线总线上可以挂任意多片 DS18B20，而且如果他们都使用外部电源的话， 就而已先发一个 Skip ROM 命令，让他们同时进行温度转换。可以看出在寄生供电模式下， DS18B2O 的工作不稳定而且不利于扩展多片 DS18B20 同时工作

36、。对于一个传感器节点来说，采集 可靠的数据是很重要的，如果数据有误那么后续工作都会失去意义，所以在这里我们采用外部电源 供电模式给 DS18B20 供电。其电路原理图如图 2-3 所示。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 8 图 2-3DS18B20 外部供电原理图 2.2.1.2 人体红外感应电路的设计 这部分电路主要用来检测在室内环境中是否有人存在，主要采用的器件是菲尼尔透镜、人体热 释红外感应芯片 RE200 和信号处理芯片 BISS0001。 (1)人体红外检测的原理。在自然界，任何高于绝对温度（-273）的物体都将产生红外光谱， 不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，

37、因此红外波长与温度的高低有关。人体或 者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在 37 摄氏度，所以会发出特定波长 10um 左右的红外线， 当人体进入检测区后，因人体温度和环境温度有差别，人体发射的 10um 左右的红外线通过菲尼尔 透镜滤光片增强后聚集到红外感应源上，红外感应源就接受到人体红外辐射时就会失去电荷平衡， 向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 （2）菲尼尔透镜。菲尼尔透镜的主要作用是只允许波长在 10um 左右的红外线（人体发出的 红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。 （3）人体热释红外感应芯片 RE200。人体热释红外感应芯片 RE

38、200 是一种新型敏感元件，它 是由高热电系数材料，配以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人 体发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效抑制人体辐射波长以外的干扰辐射，如阳光、 灯光及其反射光。 （4）信号处理芯片 BISS0001。信号处理芯片 BISS0001 的主要作用是进行信号放大和稳定输 出。当 RE200 检测到人体发出的红外辐射后，其转化的电信号输出比较微弱而且不太稳定，必须 经过 BISS0001 的稳定放大后其输出才可以被后续电路检测出来。BISS0001 具有以下特点；CMOS 数模混合专用电路；具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器

39、匹配，进行信号处理；双 向监幅器可有效抑制干扰；内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范 围宽；内置参考电源；工作电压范围宽+3V+5V。整个人体红外感应电路的原理图如图 2-4 所示。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 9 图 2-4 人体红外感应电路原理图 在图 2-4 中，9 脚是 BISS0001 的触发允许端，当 9 脚的电压高于 0.2VCC时芯片允许触发，通 过一个光敏电阻控制其是否工作。通过改变与 3 脚相连的电位器的阻值可以设定电信号输出时间， 通过改变 R509的阻值可以设定触发时间间隔时间（即允许红外信号连续两次触发的时间间隔） 。 2.2.2

40、处理器单元的设计 处理器单元采用的是 T1 公司生产的单片机 MSP430F1232。T1 公司的 MSP430 系列单片机是 一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块 组成。这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。它们具有 16 位 RISC 结构，CUP 中的 16 个寄存器和常数发生器使 MSP430 微控制器能够达到很高的代码效率；灵 活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器（DC0）可使器件从低功率模式迅 速唤醒，在少于 6us 的时间内激活到活跃的工作模式。MSP430F1232 单片机具有以下的

41、突出特点： (1) 低电压、超低功耗； (2) 强大的处理能力； (3) 系统工作稳定； (4) 丰富的片内外设； (5) 高效方便的开发环境。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 10 2.2.3 无线通信单元的设计 无线通信部分选用 NORDIC 公司生产的 NRF905 芯片单片无线收发器工作在 433/868/915MHz 的 ISM 频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶 体振荡器和一个调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和 CRC。可以很容易通 过 SPI 借口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10dbm

42、 时，发射电流为 11mA，接收电流 为 12.5mA。 进入 POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。NRF905 芯片的引脚定义如图 2-5 所示。 图 2-5NRF905 芯片的引脚 定义图 NRF905 无线收发芯片具有以下突出的特点： (1)ShockBurst 模式 (2)载波检测 (3)地址匹配 (4)数据准备就绪 (5)自动重发 (6)低功耗接收模 式。 2.2.4 能量供应单元的设计 能量供应单元主要由 2 节 5 号干电池组成的电池组和电池剩余电量的监视电路组成的，其中电 量监视电路的核心器件是 MAX836。电池组的原理电路比较简单，在这里不做介绍，下面主要介绍 一下

43、 MAX836 以及电量监视电路的原理构成。MAX836 是微功耗的电压监视芯片，主要用在监视 电池电压的场合，它采用 SOT143 的封装，器件内部包含一个精确的 1.204V 的参考电压发生器和 电压比较器，同时它还具有一个开漏的、N 沟道的输出驱动器。MAX836 芯片的具体应用电路如图 2-6 所示。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 11 图 2-6MAX836 芯片的应用电路图 在 2-6 图中电压监视芯片 MAX836 的触发电压由 R701和 R702决定，其公式是 V=（1.204） *(R701+R702)（其中 V 就是触发电压） 。该电路的工作原理：当 MAX836

44、 的 3 脚输入电压高于 2V 时， 它的 4 脚将会持续输出高电平；而一旦 3 脚的输入电压低于 2V 时,MAX836 的 4 脚就会输出一个低 电平。控制单元的单片机将会时刻的建设 MAX836 的 4 脚就会输出一个低电平。控制单元的单片 机将会时刻的监视 MAX836 的输出，一旦出现低电平，单片机就会提示用户电量不足，用户就可 以根据提醒及时的更换电池，以保证系统可靠稳定的运行。 2.3 本章小结 本章主要介绍的是传感器节点的硬件设计，主要包括四个部分：传感器单元、处理器单元、无 线通信单元和能量供应单元，整个模块的原理图请参看附录 1.在每个部分的设计中主要介绍了主要 芯片的特点

45、、工作电路及主要的工作原理等。这部分的设计内容是本论文的重点，到此传感器节点 的硬件设计部分完全结束，在下一章中我们将主要介绍无线传感器网络的通信协议的。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 12 第三章 通信协议的设计 本章主要介绍通信协议的设计，其中包括：MAC 层协议、路由算法及路由发现算法的设计。 3.1MAC 层协议的设计 MAC 层协议的设计中要求几种协议的设计有信道接入方式的设计，差错控制法的设计，MAC 层数据帧的设计。 3.1.1 MAC 层协议的设计要求 (1)碰撞避免。碰撞避免是所有 MAC 协议的基本任务，它决定了一个节点何时以及怎样接入 网络并发送数据。在通常的运作

46、中，碰撞并不能完全被避免，基于竞争的 MAC 协议接受了某种 程度的碰撞，但所有的 MAC 协议都避免了经常性的碰撞。 (2)能量限制。节能是无线传感器网络的 MAC 协议设计中最关键的要求。无线传感器网络中 的节点大多由电池供电，由于节点数量巨大，且为随机分布，给节点更换电池或充电非常困难。实 际上，传感器网络的设计目的就是使用尽量便宜的节点，从而在耗尽电源后丢弃，或者仅仅依靠周 围的能量源就可以工作。在这些情况中，延长每个节点的寿命是至关重要的一个问题。硬件平台上 的无线通信是节点的主要能耗。MAC 层直接控制着无线活动，因而它的节能设计至关重要，影响 着整个网络的寿命。 (3)时延。时延

47、反映的是数据从开始发送到成功接收所用的时间。在无线传感器网络中，时延 的重要性由应用来决定。在诸如监视或追踪的应用中，节点将长时间处于警惕状态，但大部分时间 都是非活动状态直到有事件发生，这类应用经常有额外的消息时延。因为网络速度远远大于事件的 发生速度，被侦听到的事件为网络反应速度确定了一个边界，在没有事件侦听期间，只有少量数据 在网络中传输。这种情况下，初始信号在一段空闲时间后的时延远不如能量节省和长时间的使用寿 命重要。 (4)吞吐量。吞吐量（经常由比特或字节来衡量）表示在给定时间内，发送者和接收者之间成 功传输的数据量。影响吞吐量的因素有很多，比如碰撞避免的效率，信道利用率、时延和上层

48、控制。 与时延相同，吞吐量的重要性也由应用来决定。需要长寿命的传感器应用一般都是长时延低吞吐量 的。 (5)公平性。公平性反映的是不同节点平等共享信道的能力。在无线传感器网络中，所有节点 为一个共同的任务合作，在任何特定时间，任一节点可能会比其它节点有更多的数据要传输。所以， 公平性需由整个应用的执行来衡量而不是将每个节点都平等对待。 3.1.2 信道接入方式的设计 无线传感器网络的信道接入方式是为了保证网络低功耗、自适应和自组织等特性，并兼顾特定 应用需求，如实时性和公平性而建立的无线通信协议。本设计中采用的是基于竞争机制的信道接入 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 13 方式，典型的方

49、式有：CSMA 方式，BTMA 方式，SRMA 方式和 MSAP 方式。 (1)CSMA 方式。CSMA 方式协议对任何工作节点都没有预约发送时间，工作节点的发送是随 机的，为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要监听信道是否有星系在发 送，这既是载波监听。CSMA 的控制方案是先听再讲。节点要发送信息，首先需要监听信道，以确 定信道上是否存在其他节点的发送信号。如果信道是空闲的，则可以发送；否则，则等待一定间隔 后重试。当监听信道状态后，可采用以下三种 CSMA 坚持退避算法： 第一种为非坚持 CSMA。假如信道是空闲的，则发送。否则，等待一段时间后重试。 第二种为 1-坚

50、持 CSMA。假如信道是空闲的，则发送。否则，继续监听，直至信道空闲，立即 发送。假如冲突发生，则等待一段随机时间后重试。 第三种为 P-坚持 CSMA。假如信道是空闲的，则以概率 p 发送，或以概率(1-P)延迟一个时间 单位后重复处理。该时间单位等于最大的传播时延。否则，继续监听直至信道空闲后重试。 (2)BTMA 方式。BTMA 方式协议采用单独的信道传输忙音来解决通信冲突问题。BTMA 方式 将可用带宽分成忙音信道和数据信道两部分。当节点接收数据或监测到信道上有载波时，就在忙音 信道上发送忙音来抑制邻节点的传输。当节点要传输数据时，首先要监听忙音信道一段时间，如果 没有忙音就立即发送，

51、否则随机等待一段时间后再发送。这种消除冲突的方式是以牺牲一小部分数 据带宽为代价的。根据发送忙音节点的不同，BTMA 有如下三种方式： 第一种为传统的 BTMA。无论什么时候节点监听到数据信道上有载波就发出忙音。这样就抑制 了发送节点两跳范围内所有节点的传输，保证了接收节点无干扰的接收。 第二种 为混合的基于目的节点的 BTMA。与传统的 BTMA 不同，只有接收数据帧的目的节点 才会发出忙音。 第三种为混合的基于目的的节点的 BTMA。节点监听到数据信道上有载波时发出忙音，但当从 数据帧中知道目的地址后，则只有目的节点继续发送忙音。 在窄带系统中，只有传统的 BTMA 和混合的基于目的节点的

52、 BTMA 是可行的。基于目的节点 的 BTMA 只是理想的，因为节点无法事先知道新到数据帧的目的地址。但是在扩频系统中基于目 的节点的 BTMA 就可能实现。其中，一种实现方法称为锁定目的节点的 BTMA，即采用面向目的 节点的扩频码机制，接收节点能很快锁定发给自己的数据帧，然后就发出忙音。采用 BTMA 方式 可以消除通信冲突的影响，但忙音和数据分割占用了信道带宽，并且忙音的发送使得其传播时延是 CSMA 的 2 倍。因其避开信道的忙状态进行传输，顾最大吞吐率比 CSMA 还低。在 CSMA 方式中 最大吞吐率为 80%以上，在 BTMA 方式中就讲到 70%以下。 (3)SRMA 方式。

53、SRMA 方式的设计思想是将随机访问的信道划分为用于发送控制消息和发送 节点数据帧两部分。划分出控制信息信道的目的是为了在节点发送数据帧之前，先于中心控制节点 交换“信道请求”和“应答”帧，预约节点数据信道的使用权。划分了信道之后，预约工作可以在其他 节点利用数据信道发送数据的同时进行，因此提高了效率。在实际应用中，通常又将控制信息信道 进一步分成“发送请求信道”和“应答信道”两部分。中心控制节点根据节点的发送请求调度数据帧信 道，并向节点返回预约信道的应答消息。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 14 (4)MSAP 方式。MSAP 方式将小时隙设定为信道最大传播时延。各节点在每个小时隙

54、检测载波， 了解信道的空闲状态。每个节点都分配有各自的优先级。优先级最高的节点首先获得信道使用权。 如节点无数据帧待发，再按优先级顺序转让信道使用权，各节点在结束数据帧发送之后，再进行信 道使用权交替。这种信道访问方式无信号碰撞问题，但实现比较复杂，在一定条件下，网络的附加 开销较大。 表 3.1 几种信道接入方式的比较 几种信道接入方式的比较 协议名称协议的特点协议的不足 CSMA较低的数据碰撞率，较小的时延，系统的数据 吞吐量比较高，实现简单 仍然无法完全避免数据碰撞 BTMA可以消除传输中的数据碰撞带宽小，传播时延是 CSMA 的 2 倍，数据的吞吐率比 CSMA 低 10%左右 SRM

55、A可以消除传输中的数据碰撞，具有较高的通信 效率 实现较复杂 MSAP可以消除传输中的数据碰撞，传输时延小，具 有较高的通信效率 实现较复杂，网络的附加开销加 大 通过表 3.1 的介绍，我们可以看出 CSMA 方式同其他几种信道接入方式相比，具有以下优点； （1）时延小：本文设计的节点主要用于安防检测，而在安防检测中时延大是致命的，如果节 点检测到的数据不能及时的发送到控制中心，很可能会导致严重的后果。 （2）吞吐率高：当检测节点较多而又同时向控制中心发送数据时，CSMA，可以很好的处理 这些数据，不会造成信道的拥塞。 （3）实现简单：无线传感器节点的突出特点就是控制单元云散能力较弱，因此其

56、要求协议的 设计简单可靠，而 CSMA 接入方式可以满足这个要求。 由于 CSMA 方式具有以上的优点，所以在信道接入方式的设计中我们采用 CSMA 方式，退避 算法采用非坚持的 CSMA 退避算法。 3.1.3 差错控制算法的设计 差错控制算法主要用来解决当数据传输出现错误的时候，如何处理的问题。下面介绍几种常用 的差错控制算法，并结合本论文的实际情况选择合适自己使用的差错控制算法。 (1)前向纠错方式(FEC)。这种方式是发送端将数据按一定的规则附加多余的码元，组成具有纠 错能力的数据帧。接收端收到码元后按预订单规则译码，以确定接收到的数据帧有无错误，若有错 误则确定其位置并进行纠正。它不

57、需要反馈信道，能用于单向通信，译码延迟固定，比较使用于实 时传输系统。但是 FEC 方式的纠错能力不强，为了纠正较多的错误就要附加更多的码元，因此， 当信道误码率较高时传输效率很低。 咔嚓大学 2011 届本科生毕业论文 15 (2)反馈重传方式（ARQ） 发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发出，接收方则根据检错码对数据帧进行 差错检测，若发现错误就返回请求重发的应答，发送方收到请求重发的应答后，便重新传送该数据 帧。ARQ 方式的缺点是不能用于单向传输和实时传输系统，而且当信道干扰增大时，整个系统外 在重传循环中，严重时可造成通信中断。 (3)混合差错控制方式(HEC) FEC

58、方式可以和任何一种 ARQ 方式结合，形成 HEC 方式即混合 ARQ 方式。HEC 系统是在一 个 ARQ 系统中包含一个 FEC 分系统。FEC 部分可以纠正最常出现的一些错误来减少重传的频率， 当出现 FEC 方式不能纠正错误时，接收端可以要求发送端重新发送数据。HEC 方式克服了 FEC 方 式所需的复杂译码器及不能适应信道差错变化的缺点和 ARQ 方式信息连贯性差、有时通信效率低 的缺点。在同样的码率下，可以或得比 FEC 和 ARQ 高得多的有效性和可靠性。 这几种差错控制方式各有其优缺点和使用范围，如果在无线自组网中有反馈信道，而且并不要 求实时传输，那么 ARQ 方式是很好的选

59、择因为 ARQ 方式简单而且 itong 可靠性高。如果没有反馈 信道或者要求实时传输，那么只能选择 FEC 方式。但 FEC 方式纠错能力有限，在信道状况非优时 ARQ 方式比 FEC 方式的效率高。HEC 方式虽然在小童的条件下可以获得很好的系统性能，但是显 然 HEC 方式的系统复杂性要比 ARQ 方式和 FEC 方式要高。基于以下两点考虑，差错控制算法采 用 ARQ 方式。 (1)在本论文中设计的无线网络具有双向信道，比较合适使用 ARQ 方式。 (2)ARQ 方式的纠错能力比 FEC 方式要高，而且实现容易、可靠性高。HEC 方式虽然比 ARQ 方式具有更好的性能，但是其实现过于复杂

60、，不适合用传感器节点。 在本论文中 ARQ 法的具体实现过程如下：当检测节点采集到温度等数据后，对数据进行判断， 如果某个参数超出了指标，检测节点就对特定的数据进行校验，校验方式采用 16 位 CRC，然后检 测节点把采集参数和校验结果融合在一起，作为一个数据帧发送出去。接收节点收到数据帧后同样 进行 CRC 校验，并把生成的结果和接收到的 CRC 校验结果进行对比，如果两个结果相同，说明接 收数据无误，返回确认帧；如果两个 CRC 校验结果不同，则数据在传输过程中出现错误，返回数 据重传请求帧。如果收到数据仍然有误，则重复上述过程，知道收到准确数据。 3.1.4 MAC 层数据帧格式的设计