【正文】 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目名稱：基于WIFI的無(wú)線傳感器采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：華丹陽(yáng) 起止日期：~題目要求(包括主要技術(shù)參數(shù)):1． 題目?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)基于WIFI技術(shù)的傳感器信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布2． 具體要求及技術(shù)參數(shù)： ； ； 。 指導(dǎo)教師簽字 系主任簽字 年 月 日 開(kāi)題報(bào)告本課題研究的目的、意義；國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；擬采取的研究路線；進(jìn)度安排； 社會(huì)信息化日新月異,新技術(shù)層出不窮。而傳感器技術(shù)在科技發(fā)展中卻舉足輕重。微型化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化乃大勢(shì)所趨,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)則詮釋了這些優(yōu)勢(shì)。將來(lái)人們將通過(guò)遍布周圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，極大的改變?nèi)藗冋J(rèn)識(shí)世界、改造世界的能力。傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大。能根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，有利于應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織功能。組網(wǎng)不需要任何固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠自動(dòng)調(diào)整來(lái)適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的變化，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以快速、自動(dòng)的組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)?？梢詣?dòng)態(tài)拓?fù)?，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以隨時(shí)添加或減少節(jié)點(diǎn)而并不影響網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的正常傳輸。功耗小，電池供電，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都能工作3年左右，甚至更長(zhǎng)。本文根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計(jì)出基于WIFI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，相比于傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠非常容易的與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫的連接，相對(duì)降低組網(wǎng)成本和功耗。WIFI 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率快、組網(wǎng)便捷等優(yōu)點(diǎn)。 1）國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 山東省科學(xué)院與沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等研究單位及多所高校（如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)等）在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究與優(yōu)化等方面也進(jìn)行了大量的工作。除此之外，國(guó)家 863 計(jì)劃、973 計(jì)劃也對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)行了相關(guān)規(guī)劃。比如中科院寧波軟件所和上海微系統(tǒng)所研究出自己的開(kāi)發(fā)平臺(tái),中國(guó)科技大學(xué),西北工業(yè)大學(xué)等院校都展 了路由層、數(shù)據(jù)鏈路層方面的研究。國(guó)家對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也非常重視,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)從2003年起開(kāi)始設(shè)立了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究課題,國(guó)家的“863”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、各省區(qū)的自然科學(xué)基金項(xiàng)目的課題中都有相當(dāng)?shù)谋壤沁M(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的。 2）國(guó)外的研究現(xiàn)狀 在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面,加州大學(xué)伯克利分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法,并研究出一個(gè)專門(mén)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)TinyOS。加州大學(xué)洛杉肌分校開(kāi)發(fā)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境,用于考察傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的問(wèn)題。南加州大學(xué)提出了在生疏環(huán)境部署移動(dòng)傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)及其聚集函數(shù)計(jì)算方法、節(jié)省能源的計(jì)算、聚集的樹(shù)構(gòu)造算法等。麻省理工學(xué)院已經(jīng)著手研究超低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題,試圖解決超低功耗無(wú)線傳感器系統(tǒng)的方法和技術(shù)問(wèn)題。在傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方面,人們首先對(duì)已有的因特網(wǎng)和自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)合。加州大學(xué)伯克利分校研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢技術(shù),提出了實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)調(diào)整的連續(xù)查詢處理方法和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)上多查詢方法,并研制了一個(gè)感知數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)TinyDB。南加州大學(xué)研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)上的聚集函數(shù)的計(jì)算方法,提出了節(jié)省能源的計(jì)算聚集的樹(shù)構(gòu)造算法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了無(wú)線通信機(jī)制對(duì)聚集計(jì)算的性能有很大的影響。 3）目前技術(shù)存在的問(wèn)題 ?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)即便節(jié)點(diǎn)靈活，可減硬件成本，但依然受有限能量的制約，優(yōu)勢(shì)未能充分發(fā)揮。?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命長(zhǎng)短與節(jié)點(diǎn)功耗大小息息相關(guān)，應(yīng)致力于降低功耗。?通信協(xié)議依然廣泛，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化較低。④通信能力有限，傳輸距離不夠長(zhǎng)，受環(huán)境變化干擾。3. 采取的研究路線首先查閱大量關(guān)于無(wú)線傳感器的相關(guān)文獻(xiàn)，選用WIFI技術(shù)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。充分研究，并通過(guò) WIFI 組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì) WIFI 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。然后設(shè)計(jì) WIFI 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為核心控制模塊、外圍接口及電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，針對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。 選用ARM芯片AT91SAM9G45作為處理器， 選用AD7492作為A/D轉(zhuǎn)換器，選用FIFO CY7C4261作為緩存器，F(xiàn)PGA芯片選用XC3S500E， WIFI 芯片選用 RT3070。然后進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，了解嵌入式Linus系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，再進(jìn)行基于FT245 USB芯片Linus驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，配置內(nèi)核，使系統(tǒng)支持 USB 接口的 WIFI 無(wú)線網(wǎng)卡。進(jìn)行基于RT3070芯片的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)移植，最后設(shè)計(jì)WIFI的驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行WIFI聯(lián)網(wǎng)。第1周～第4周 資料收集，完成開(kāi)題報(bào)告的撰寫(xiě)，英文資料的翻譯。第5周～第6周 擬定系統(tǒng)方案，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。第7周～第9周 電路設(shè)計(jì) 電路制作 程序編寫(xiě)。第10周～第12周 調(diào)試測(cè)試 電路調(diào)試 軟件調(diào)試。第13周～第15周 數(shù)據(jù)整理，撰寫(xiě)論文。第16周 準(zhǔn)備答辯。5. 文獻(xiàn)綜述（2000字以上，列出主要參考文獻(xiàn)） 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素包括：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、覆蓋環(huán)境感知對(duì)象和接收數(shù)據(jù)觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本、最核心的組成部分，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要集成相應(yīng)微型傳感器、數(shù)字信號(hào)處理器、無(wú)線通信模塊等功能單元。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照?qǐng)?zhí)行功能的不同又可劃分為傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的采集和通信鏈路的續(xù)傳，而匯聚節(jié)點(diǎn)只完成收發(fā)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和上傳給接收數(shù)據(jù)觀察者。覆蓋環(huán)境感知對(duì)象是指節(jié)點(diǎn)判定為價(jià)值有效的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，可以是監(jiān)測(cè)區(qū)域的聲音、光線、溫度、震動(dòng)等等，節(jié)點(diǎn)傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識(shí)別的信息資源，并最終上傳給接收數(shù)據(jù)觀察者。接收數(shù)據(jù)觀察者是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端用戶，完成采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用。接收數(shù)據(jù)觀察者一般為終端計(jì)算器或者其它監(jiān)控設(shè)備，甚至是連接外部世界的萬(wàn)維網(wǎng)，數(shù)據(jù)采集觀察者通過(guò)主動(dòng)查詢或者被動(dòng)接收的方式分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，并最終完成數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用。 圖11 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 11 所示，內(nèi)部分為四個(gè)模塊：電源模塊、傳感器模塊、信息處理模塊和無(wú)線通信模塊。傳感器模塊通過(guò)傳感器觸頭感知外界信息，獲取傳感數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊通過(guò)天線與其他節(jié)點(diǎn)通信完成數(shù)據(jù)交換。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成形式如圖 12 所示，其工作原理：首先分布于監(jiān)控區(qū)域的眾多傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式自組織成一個(gè)有傳播梯度的多跳網(wǎng)絡(luò)，接著某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集接收到覆蓋范圍感知對(duì)象的有效數(shù)據(jù)，此節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給周圍選擇的鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)再傳遞給自身周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)（sink），匯聚節(jié)點(diǎn)最后再傳遞給接收數(shù)據(jù)觀察者，從而完成整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信功能。 WIFI 全稱 Wireless Fidelity[14]，又稱 標(biāo)準(zhǔn)，是由一個(gè)名為“無(wú)線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語(yǔ)，中文譯為“無(wú)線相容認(rèn)證”。它是一種短程無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線電信號(hào)。WIFI技術(shù)傳輸速率快，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，提供很高的傳輸速率，具有高移動(dòng)性，在無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，地理位置的限制進(jìn)行任意移動(dòng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以不受覆蓋范圍廣，WIFI 的覆蓋范圍半徑在 150m，但通過(guò)中繼能實(shí)現(xiàn)幾千米的通信距離。輻射小， 規(guī)定的發(fā)送功率是 100mW，而一般的WIFI 設(shè)備只要60~70mW。而且易擴(kuò)展，傳輸可靠，組網(wǎng)便捷。在節(jié)點(diǎn)核心控制模塊硬件結(jié)構(gòu)中，ARM 作為一種嵌入式處理器，具有高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)。將 ARM 作為節(jié)點(diǎn)的主控制器可全面提高節(jié)點(diǎn)性能。本設(shè)計(jì)中，處理器選用 Ateml 公司的ARM芯片AT91SAM9G45，主頻達(dá)400MHZ。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，選用 National Semiconductor 公司 64M DDR2 存儲(chǔ)器，工作溫度在系統(tǒng)中使用兩片，總?cè)萘窟_(dá) 128M，大幅提高 ARM 處理器的運(yùn)算效率。在節(jié)點(diǎn)外接口與電源管理模塊中，電源管理芯片，選用 LM2596 和 LM1084，為系統(tǒng)提供 5V 和 電壓。兩路 USB 接口控制芯片，選用雙 USB 電源開(kāi)關(guān)芯片 SP2526A2USB 和兩片 USB控制芯片 USBLC62P6 為系統(tǒng)提供兩路 USB 接口，一路用于與無(wú)線模塊進(jìn)行通信，一路用于測(cè)試數(shù)據(jù)的有限讀取。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、AD 轉(zhuǎn)換器、FPGA 組成，它的主要任務(wù)是把傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所使用的 WIFI 無(wú)線網(wǎng)卡是 TOTOLINK 公司的 N200UA，這款 WIFI無(wú)線網(wǎng)卡的優(yōu)點(diǎn)在于外置天線，我們可以根據(jù)需要選用特殊形狀以及高增益的天線。無(wú)線 AP（AP，Access Point，無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)）是一個(gè)包含很廣的名稱，它包含無(wú)線接入點(diǎn)（無(wú)線 AP）和無(wú)線路由器（含無(wú)線網(wǎng)關(guān)、無(wú)線網(wǎng)橋）等類設(shè)備的統(tǒng)稱。 嵌入式 Linux 是在 Linux 的基礎(chǔ)演變而成的，專門(mén)應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。Linux 是開(kāi)放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，全球有眾多 Linux 愛(ài)好者，對(duì) Linux 發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支持。Linux 的內(nèi)核小、執(zhí)行效率高，非常容易裁剪定制，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約幾百 KB。Linux 是完全免費(fèi)，與其它昂貴操作系統(tǒng)如 Vxworks 相比，容易普及。Linux 是一個(gè)跨平臺(tái)的操作，它適應(yīng)于多種處理器，到目前為止，它可以支持幾十種處理器，所以它的移植性非常好。Linux 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)功能完善，支持包括百兆、千兆以太網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。Linux 操作系統(tǒng)至少具有三部分：BootLoader（引導(dǎo)系統(tǒng)）、Kernel（內(nèi)核）、Rootfs（根文件系統(tǒng)）。這三部分需要寫(xiě)到嵌入式系統(tǒng)的 NandFlash 中，不同的處理器，其燒寫(xiě)方式有所不同。本文選用 Ateml 公司的工業(yè)級(jí) ARM 芯片 AT91SAM9G45，該處理器 BootLoader 和 Kernel 需要使用 Ateml 公司的 SAMBA 軟件通過(guò) USB 口進(jìn)行燒寫(xiě)，而 Rootfs 是通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)行燒寫(xiě)。 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)好后，需要將其編譯生成二進(jìn)制文件，驅(qū)動(dòng)程序不同于應(yīng)用程序的編譯，由于驅(qū)動(dòng)程序是 Linux 內(nèi)核的一部分，所以需要將驅(qū)動(dòng)程序源碼放到 Linux 內(nèi)核源碼中。Linux 內(nèi)核是支持 WIFI 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的，但是需要對(duì)其進(jìn)行配置，才能使用。所以要配置內(nèi)核，使內(nèi)核支持 ，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行相關(guān)的配置后，系統(tǒng)就完全支持 USB 接口的 WIFI 無(wú)線網(wǎng)卡了。參考文獻(xiàn)：[1]王亞超，寧濱，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城軌列車運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，.[2]林一多，高德云. 基于 ARM 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010,30（5）:11451148.[3]林彬，基于 WIFI 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]..[4黃茂芹，基于FPGA的實(shí)時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，電子科技大學(xué) 電子與通信工程，.[5]曾強(qiáng)，張志杰，WIFI無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]，中北大學(xué)，.[6]王賽博，劉素凱，毛先柏，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J]，信息通信，.[7]秦邵華，無(wú)線傳感器多信道通信技術(shù)的研究[D]，山東大學(xué)，.[8]孫宇,基于嵌入式 Linux 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D],吉林大學(xué),.[9][D].北京:北京交通大學(xué),2008[10] ARM 的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)[J].(4):156157.[11] ARM 的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，:2528.[12] Camera calibration toolbox for matlab. [13] Free space optics:technology insight. .[14] Irda. ://[15]Mipav.[16] Stan moore astronomy. [17] , , N. B. Mandayam, J. Silva, K. Dana, and . Challenge: Mobile optical networks through visual mimo. In MobiCom ’10: Proceedings of the sixteenth annual international conference on Mobile puting and networking, pages 105–112, New York, NY, USA, 2010. ACM.外文文獻(xiàn)： Characterizing Multiplexing and Diversity in Visual MIMOAbstract Mobile optical wireless has so far been limited to very short ranges for high data rate systems. It may be feasible to overe the data rate limitations over large transmission range in optical wireless through camera receivers and li