毕业设计（论文）基于无线传感器网络的无线环境监测模拟装置的设计.doc

摘 要本论文研究的一种基于无线传感器网络的无线环境监测模拟装置的设计，该系统的基本设计思路是通过无线网络将各种监测环境信息的传感器组成无线传感器网络，各节点相互协作将网络覆盖区域中的环境信息采集并处理然后发布给终端（观察者）。论文中先简单介绍了无线传感器网络的相关知识，包括无线传感器网络的体系结构概述、无线传感器网络的应用和无线传感器网络的研究进展等；而后对无线环境监测模拟装置这个系统的网络模型、硬件设计、软件设计进行分析；并介绍了该装置的设计、制作过程；最后对实际制作的系统进行了测试，对测试结果的做了分析，为系统改进提出了建议。关键字：环境监测；无线传感器网络；MSP430；CD74HC7046AbstractIn this study, a wireless sensor network-based wireless environmental monitoring simulation device design, the basic design idea is a wireless network to a variety of sensors to monitor environmental information, the composition of the wireless sensor network, each node in the network coverage areas of mutual collaboration will be the environmental information collection and processing and then released to the terminal (observer). Paper briefly describes the relevant knowledge of wireless sensor networks, including wireless sensor network architecture overview of the application of wireless sensor networks and wireless sensor networks research progress; then simulation device for wireless environmental monitoring of the system hardware design, network model, analysis the design of software. Finally, it introduces the design of the device and the process of this production.Key words： Environmental monitoring; Wireless sensor networks; MSP430; CD74HC7046目 录1 绪论12 无线传感器网络简介32.1无线传感器网络系统32.1.1无线传感器网络的系统构架32.1.2传感器节点的结构42.2无线传感器网络的体系结构42.2.1分层的网络通信协议52.2.2网络管理平台62.2.3应用支撑平台62.3无线传感器网络的特点72.4无线传感器网络主要研究内容82.5无线传感器网络的应用93 系统理论分析123.1系统模型分析123.2系统硬件分析123.2.1无线传感器网络节点的构成123.2.2无线传感器监测终端的构成123.2.3调制解调技术分析123.3系统软件分析173.31无线通信协议的基本要求173.3.2打包和解包183.3.3起始码和噪声183.3.4错误检测和纠正184 系统设计简述214.1总体方案简述214.2基于74HC7046的半双工无线通信模块的设计214.2.1锁相环调频及解调原理214.2.2锁相环芯片74HC7046的介绍224.2.3实际调制解调电路介绍244.3单片机最小系统的设计254.3.1 MSP430系列单片机简介254.3.2 单片机核心板设计274.3.3 单片机最小系统的构成284.4其余部分的硬件设计284.5系统软件设计294.5.1通信协议设计294.5.2软件流程图304.5.3详细软件设计305 系统测试315.1系统测试指标315.2测试315.3结果分析32结论33致谢34参考文献35附录37附录1 半双工无线通信模块PCB图37附录2 实物照片图38附录3 部分程序清单391 绪论随着工业技术的不断发展，新的环境污染源不断涌现出来，环境问题已经成为一个不可忽视的社会问题，环境的可持续发展已经成为一个国家发展的重要基础1。而环境的监测就成为了该问题中很重要的一个环节，实时地、全天候地监测环境的变化为解决该问题带来了很大的便利性。在石油化工、煤炭冶金以及军事上的战场侦察、边境地区监视等应用中，经常需要在多个地点进行多种参量（例如温度、湿度、气体浓度、振动、声音等的监测）；传统的监测系统通常采用多线制（420 mA电流环）或者总线制（RS485 CAN 总线等）方式将多个独立的监测仪表连接起来构成监测网络，最后由专用设备或者计算机对网络数据进行处理。这种系统的应用范围十分有限，对于监测区域较大、周围环境恶劣、布线困难的场合往往显得无能为力。无线传感器网络是一组传感器以Ad hoc方式构成的无线网络，其目的是相互协作，感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发布给观察者2。这些低能耗、具有通信能力的传感器散布在监测区域中，通过高密度部署能获得前所未有的感知精度。人类最终追求的普适计算机目标的实现也离不开无线传感器网络技术的支撑，无线传感器网络技术已成为国际学术界和产业界的研究热点。其研究内容包括嵌入式系统、微型传感器、无线通信、分布式协作算法、数据融合、网络协议、安全、操作系统、中间件以及其他一些技术的应用3。近年来无线传感器网络技术的迅猛发展，而人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集量化、处理融合和传输应用。与传统的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著的优势：一是网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能；二是现场采集的数据可通过中间节点进行（路由）传送，在不增加功耗和成本的前提下，可将系统性能提高一个数量级；三是网络的健壮性、抗毁性满足了某些特定应用的需求4。无线传感器网络技术是应用性非常强的技术，它在当前我国环境监测系统中的应用潜力是巨大的。环境监测是一类典型的传感器网络应用，在实际的应用中还有很多关键技术，包括节点部署、远程控制、数据采样和通信机制等。由于传感器网络具有很强的应用相关性，在环境监测应用中的关键技术需要根据实际情况进行具体的研究。并且随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善，我们还可以在各个方面开展许多新的应用，比如军用传感网络可以监测战场的态势；交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数；监视传感网络可以用于商场、银行等场合来提高安全性5。可以预见，随着无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入和传感网络应用的不断普及，无线传感器网络将给人们的工作和生活带来更多的方便。本论文研究的是一种基于简化了的无线传感器网络的无线环境监测模拟装置的设计，通过无线网络将含有各种监测环境信息的传感器组的节点成无线传感器网络，各节点相互协作将网络覆盖区域中的环境信息采集并处理然后发布给终端（观察者）。该装置由1个监测终端和若干探测节点组成，监测终端和探测节点的主控芯片都采MSP430，而无线通信部分采用CD74HC7046锁相环芯片进行调制与解调，温度和光照信息的采集分别采用DS18B20和光敏电阻。2 无线传感器网络简介无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域6。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用；在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人；其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。2.1无线传感器网络系统2.1.1无线传感器网络的系统构架无线传感器网络的系统构架如下图2-1所示，通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点，即无线传感器网络的三个要素是传感器、感知对象和观察者7。图2-1 无线传感器网络的系统构架在无线传感器网络的工作过程中，大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织的方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。2.1.2传感器节点的结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2-2所示。图2-2 传感器节点的结构传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制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；无线通信模块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；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面邀尽量的采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。2.2无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个部分组成，如下图2-3所示。图2-3 无线传感器网络体系结构2.2.1分层的网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成8。物理层协议。物理层负责数据的调制、发送与接收。物理层传输方式涉及DSN采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。DSN采用的传输媒体主要有：无线电、红外线、光波。研究核心是传感器软、硬件技术。数据链路层。负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。目前对DSN数据链路层的研究集中在媒体访问控制子层(MAC)。DSN的MAC协议的两个主要目标是：自组网络、共享信道接入。网络层。主要完成数据的路由转发，实现传感器与传感器、传感器与观察者之间的通信，支持多传感器协作完成大型感知任务。DSN路由协议必须具备以下一些特征：协议简单、节能；以数据为中心，具有数据融合能力；具有可扩展性和健壮性传输协议。网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。传感器网络通信协议研究包括：研究现有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性以及优缺点；以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、面向应用的能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究等9。传输层。无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证服务质量的重要部分。应用层。应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持，即实现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛，其中一些重要的应用领域有：军事方面，无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上，用来收集敌方一些重要目标信息，并跟踪敌方的军事动向：环境检测方面，无线传感器网络能够用来检测空气的质量，并跟踪污染源；民用方面，无线传感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。2.2.2网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。能量管理。负责控制节点对能量的使用。在DSN中，电池能源是各个节点最宝贵的能源，为了延长网络存活时间，必须有效地利用能源。拓扑控制。负责保持网络连通和数据有效传输。由于传感器节点被大量密集部署于监控区域，为了节约能源，延长DSN的生存时间，部分节点将按照某种规则进入休眠状态。拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的前提下，协调DSN中各个节点的状态转换。网络管理。负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。需要根据DSN的能量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型的全分布式管理机制。QoS支持与网络安全机制：QoS是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接收的性能指标工作。通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户的需求提供QoS支持。DSN多用于军事、商业领域，安全性是重要的研究内容。由于DSN中，传感器节点随机部署、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制。2.2.3应用支撑平台建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础上，它包括一系列给予检测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应用支持。时间同步技术。由于晶体振荡器频率的差异及诸多物理因素的干扰，无线传感器网络各节点的时钟会出现时间偏差。而时钟同步对于无线传感器网络非常重要，如安全协议中的时间戳、数据融合中数据的时间标记、带有睡眠机制的MAC层协议等都需要不同程度的时间同步10。定位技术。WSN采集的数据往往需要与位置信息相结合才有意义。由于WSN具有低功耗、自组织和通信距离有限等特点，传统的GPS等算法不再适合WSN。WSN中需要定位的节点称为未知节点，而已知自身位置并协助未知节点定位的节点称为锚节点(anchor node)。WSN的定位就是未知节点通过定位技术获得自身位置信息的过程。在WSN定位中，通常使用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等算法计算节点位置。应用服务接口。无线传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、节点查询和数据分发协议等。网络管理接口。主要是传感器管理协议，用来将数据传输到应用层。2.3无线传感器网络的特点无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。大规模网络。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。低速率。传感器网络节点，通常只需定期传输温度、湿度、压力、流量、电量等被测参数，相对而言，被测参数的数据量小，采集数据频率较低。 低功耗。通常，传感器节点利用电池供电，且分布区域复杂、广阔，很难通过更换电池方式来补充能量，因此，要求传感器网络节点的功耗要低，传感器的体积要小。 低成本。应用WSN时，监测区域广、传感器的节点多，且有些区域环境的地形复杂，甚至连工作人员都无法进入，一旦安装传感器则很难更换，因而要求传感器的成本低廉。 短距离。为了组网和传递数据方便，两个传感器的节点之间的距离通常要求在几十米到几百米之间。 高可靠。WSN的信息获取是靠分布在监测区域内的各个传感器检测到的，如传感器本身不可靠，则其信息的传输和处理是没有任何意义的。 动态性。对于复杂环境的组网，其覆盖区域往往会遇到各种电、磁环境的干扰，加之供电能量的不断损耗，易引起传感器节点故障， 因此要求传感器网络具有自组网、智能化和协同感知等功能11。2.4无线传感器网络主要研究内容尽管传感器网络有完善的支撑技术，客观的说它的发展也是非常迅速，然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在 1970 年的因特网，那时因特网仅仅连接了不到 200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址方案12。而现在，大多数传感器网络只连接了不到 100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。另外一个原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。所以无线传感器网络中还存在诸如以下问题：能量问题。在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量有限，使得节点的生存时间也受到限制。如果网络中节点因为能量耗尽不能工作，则会带来网络拓扑的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。如何提高能量效率，是无线传感器网络设计的一个重要问题。首先在功能上，由于无线传感器网络大都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省能量，延长节点的生存时间。因此，无线传感器网络需要考虑两点设计原则：延长网络工作时间、减少不必要的功能，突出专用性。其次，可以设计专门的提高传感器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次，如物理层可以采用超宽带无线通信技术，MAC 层可以采用适合节点在休眠和工作状态间切换的接入协议，网络层可以以节点能量作为路由度量等。此外，还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率。跨层设计问题。设计一个传感器网络，使其在不同应用下都能保持最优的性能是非常困难的。目前，研究者在网络协议栈的各层（包括MAC 层、网络层、应用层等）都对能量约束、不同应用要求、网络的差异性等进行了相当的研究，但这些研究往往都局限于网络的某一层，而忽略了各层之间的相互联系。分层的设计方法使设计简化，使互联网稳定、兼容性好，但在无线传感器网络中，却带来了灵活性差、效率不高等缺点。因此，在传感器网络中，需要采用自适应的跨层优化协议，从而可以在能量受限的情况下，满足应用的高吞吐量、低延迟等要求。在跨层设计中，各层协议相互联系，统一设计，如协议的自适应性就要求各层相互协作来完成。网络中的各种变化时间跨度各不相同，比如信噪比的变化很快，用户数的变化较慢等。这就需要首先在不同的层自适应地处理与之相应时间跨度的网络变化，处理不了的，再由其它层来处理。再如网络的能耗方面，也需要各层统一考虑。在物理层降低信息传输速率即可降低能耗，但会对上层应用产生影响；最优的路由方式也有可能因为很快消耗完某些节点的能量，而不能被采用。因此，在跨层协议设计中，需要在能量、业务要求的约束条件下，对各层进行统一的优化，同时，还需要在各层之间适当地传递和共享信息，为最优化设计提供条件。安全问题。同其它无线网络一样，安全问题是无线传感器网络的一个重要问题。由于采用的是无线传输信道，传感器网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，无线传感器网络的两个特点使安全问题的解决更为复杂化了，这两个特点是数据在网络中的整合和节点的有限能量和有限处理、存储能力。数据在网络中的整合可以有效地压缩网络中传输的数据量，节省网络资源，但同时将数据的内容暴露给了进行整合的节点。因此，需要对进行数据整合的节点进行认证，仅让通过认证的节点进行数据整合，这就带来了节省网络资源和提高网络安全性的折中，需要根据不同应用的要求进行不同的选择13。传感器网络保密协议（Secure Network Encryption Protocol，SNEP）对节点设立不同安全等级并在通信节点间采用数据鉴权、加密技术等，防止了数据被截获后造成的信息泄露。无线传感器网络中的节点通常只有有限的能量，同时处理、存储能力较小，使得一些在一般网络中采用的算法无法执行。比如，在SPIN 中使用的RC5 算法，就有可能因为运算过于复杂、占用存储单元过多，而不适用于某些传感器网络中。在无线传感器网络的安全设计中，可以通过算法选择，将大部分的实现网络安全的计算量放在信息收集节点或簇头节点处，而减轻一般传感器节点的计算和存储压力，这也可以作为一种可选的解决方案。2.5无线传感器网络的应用军事应用。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以及搜索等功能。环境应用。WSN可以用于气象和地理研究，自然和人为灾害(如洪水和火灾)的监测，监视农作物灌溉及土壤、空气变更的情况、牲畜和家禽的环境状况，以及大面积的地表检测和跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫，进行濒危种群的研究等。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，并依此预测暴发山洪的可能性14。2002年，美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合，在大鸭岛上部署了用来监测岛上海鸟生活习性的无线传感器网络。哈佛大学MateWel的研究小组用WSN对活火山Volcan Tungurahua进行观测。2005年，澳洲的科学家利用传感器网络探测北澳大利亚的蟾蜍分布情况。挪威科学家利用WSN监测冰河的变化情况，目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化。Intel在俄勒冈州的一个葡萄园内，利用WSN测量葡萄园气候的细微变化。医疗应用。WSN可以用于检测人体的生理数据和健康状况，对医院药品进行管理以及用于远程医疗等医疗领域。在SSIM项目中，100个微型传感器被植入病人眼中，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。家庭应用。嵌入家具和家电中的传感器和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、烧菜、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，可以对各个房问的环境温度进行局部控制。此外，利用无线传感器网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。工业应用。WSN可以用于车辆的跟踪、机械故障的诊断、工业生产的监控、建筑物状态的监测等。将WSN和RFID技术融合，是实现智能交通系统的绝好途径。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探测工作现场的一些重要信息。机械故障诊断方面，Intel公司曾在芯片制造设备上安装过200个传感器节点，用来监控设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。美国贝克特营建集团公司已在伦敦地铁系统中采用了无线传感器网络进行检测。采用WSN，可以让大楼、桥梁及其他建筑物感知并汇报自身的状态信息。英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个警告系统。其他应用。在太空探索方面，WSN可以实现对星球表面长期的监测。美国国家航空与航天局(NASA)的JPL实验室的Sensor Webs计划，就是为将来的火星探测进行技术准备的。德国某研究机构正在利用WSN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，WSN可用于物流和供应链的管理。WSN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，如西气东输、青藏铁路、海啸预警等。3 系统理论分析系统的设计包括软件部分和硬件部分，重点则是软件部分的通信协议，故本章中只对其余的进行简单的分析，而重点分析软件部分的通信协议的设计。3.1系统模型分析无线传感器网络节点以自组织形式构成多跳级中继的分级结构网络，这不同于基于传统无线网络的无基础设施网，通过在监测区域内设置多个传感器节点（简称节点），由各节点自行协调并迅速组建通信网络，按照一定原则进行工作任务划分以获取监测区域物理信息。我们所说的网络的自组织特性是指当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组建，个别节点即使出现问题也不会影响全局，即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据转发实现多跳的路由功能。3.2系统硬件分析3.2.1无线传感器网络节点的构成典型的无线传感器网络节点由电源，数据获取单元，数据处理单元，数据发送和接收单元组成。数据获取单元由传感器进行监测区域内待测对象的信息采集；数据处理单元实现数据的分析、处理和存储等功能；数据发送和接收单元负责低功耗短距离节点间通信； 电源单元选取小型化、高容量的电池,以确保节点的长寿命和微型化。3.2.2无线传感器监测终端的构成无线传感器网络的监测终端负责发送查询命令、从网络中获取各个节点所采集发送出来的环境信息，并将所得到的信息进行处理、显示和存储。所以终端必须要有电源、数据发送接收单元、输入单元、显示单元和存储单元。各个单元由微控制器协调控制使硬件正常工作。3.2.3调制解调技术分析在无线电通讯和广播中，需要传送由语言、音乐、文字、图像等转换成的电信号。由于这些信号频率比较低，根据电磁理论，低频信号不能直接以电磁波的形式有效地从天线发射出去。因此，在发送端必须采用调制的方式，将低频信号加到高频信号之上，然后将这种带有低频信号的高频信号发射出去，在接收端则把这种带有低频信号的高频信号接收下来，经过频率变换和相应的解调方式“检出”原来的低频信号，从而达到通讯和广播的目的。调制可以分为模拟调制和数字调制，随着通信技术的发展，模拟调制将逐渐退出历史的舞台，取而代之的是具有更高性价比的数字调制技术。数字调制和模拟调制相比，其原理并没有什么本质的区别。不过模拟调制是对载波信号的参量进行连续的调制，在接收端则对载波信号的调制参量连续的进行估值；而数字调制都是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。和模拟调制一样，数字调制也有调频、调相、调幅三种基本形式，并可派生出很多种其他形式，给通信系统很大的补充和完善。数字调制信号，在二进制时有振幅键控（ASK），频移键控（FSK），移相键控（PSK）三种基本信号形式15。1. 振幅键控（ASK）数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。2ASK 是利用代表数字信息0或1的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送1，无载波输出时表示发送0，根据幅度调制的原理，2ASK 信号可表示为 (3-1)式中为载波角频率，为单极性NRZ 矩形脉冲序列 (3-2)其中，是持续时间为高度为1 的矩形脉冲，常称为门函数；为二进制数字 (3-3)2ASK 信号的产生方法（调制方法）有两种，如图3-1 所示。图（a）是一般的模拟幅度调制方法，不过这里的由式（3-2）规定；图（b）是一种键控方法，这里的开关电路受控制。图（c）给出了及的波形示例。二进制幅度键控信号，由于一个信号状态始终为0，相当于处于断开状态，故又常称为通断键控信号（OOK 信号）。图3-1 2ASK信号产生方法及波形示例2ASK 信号解调的常用方法主要有两种：包络检波法和相干检测法。包络检波法的原理方框图如图3-2 所示。带通滤波器（BPF）恰好使2ASK 信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。低通滤波器（LPF）的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。抽样判决器包括抽样、判决及码元形成器。定时抽样脉冲（位同步信号）是很窄的脉冲，通常位于每个码元的中央位置，其重复周期等于码元的宽度。不计噪声影响时，带通滤波器输出为2ASK 信号，即，包络检波器输出为。经抽样、判决后将码元再生，即可恢复出数字序列。原理方框图如下图3-2 所示。图3-2 2ASK信号包络解调相干检测就是同步解调，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。利用此载波与收到的已调信号相乘，输出为 （3-4）经低通滤波滤除第二项高频分量后，即可输出信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。图3-3 2ASK信号相干解调虽然2ASK 信号中确实存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接收设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调2ASK 信号。2. 频移键控（FSK）用基带数字信号控制载波频率，称为频移键控（FSK）。当传送1码时送出一个频率f1，传送0码时送出另一个频率f0，称为二元频移键控（2FSK）2FSK 信号可以利用一个矩形脉冲对一个载波进行调频而获得。这正是频率键控通信方式早期采用的实现方法，也是利用模拟调频法实现的数字调频的方法。2FSK 信号的另外一个实现方法便是使用键控法，即利用受矩形脉冲序列控制开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。二进制FSK 信号的常用解调方法是采用非相干检测法和相干检测法。这里的抽样判决器是判定哪一个输入样值大，此时可以不专门设置门限电平。二进制频移键控（2FSK）还有其他的解调方法，比如签频法，过零检测法以及差分检波法等。 过零检测大家都知道，数字调频波的过零点随不同载波频率而异，故检测出的过零点数可以得到关于频率的差异。这就是过零检测的基本思想，基本原理方框图如下图3-4 所示。2FSK 输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号1和0。图3-4 过零检测方框图 包络检波法2FSK信号解调可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK 信号带宽；中心频率不同，分别为（f1、f2）起分路作用，用以分开两路2ASK 信号，上支路对应，下支路对应，经包络检测后分别取出它们的包络及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路及的抽样值分别用v1、v2表示，则抽样判决器的判决准则为3. 移相键控（PSK）绝对相移是利用载波的相位（指初相）直接表示数字信号的相移方式。二进制移相键控中，通常用相位0 和来分别表示0或1。2PSK 已调信号的时域表达式为 （3-5）这里，与2ASK 及2FSK 时不同，为双极性数字基带信号，即 （3-6）式中，是高度为1，宽度为的门函数； （3-7）因此，在某一个码元持续时间内观察时，有 （3-8）当码元宽度为载波周期的整数倍时，2PSK 信号的典型波形如图3-5所示。图3-5 2PSK信号的典型波形2PSK 信号的调制方框图如图3-6示。图（a）是产生2PSK 信号的模拟调制法框图；图（b）是产生2PSK 信号的键控法框图。图3-6 2PSK调制器框图就模拟调制法而言，与产生2ASK 信号的方法比较，只是对要求不同，因此2PSK 信号可以看作是双极性基带信号作用下的DSB 调幅信号。而就键控法来说，用数字基带信号控制开关电路，选择不同相位的载波输出，这时为单极性NRZ 或双极性NRZ 脉冲序列信号均可。3.3系统软件分析无线传感器网络的软件部分包括节点的数据采集部分、监测终端的输入输出部分、节点和终端共有的数据发射和接收部分等。数据采集主要是单片机和传感器之间的通信；输入部分就是按键输入的处理；输出部分就是将接收到的信息进行处理后在LCD上显示出来；而数据的发射和接收涉及到通信协议，它必须保证数据在通信过程中的有效性和实时性，下面重点分析通信协议的设计。3.31无线通信协议的基本要求协议指规则，简单地说就是为了能相互理解，必须用同一种语言说话。在简单的数据传输中，通信只朝一个方向进行，从发送端到接收端，通信可能在发送端和接收端之间由于受到外界的干扰而使数据发生错误，因此需要协议来保证接收端能正确接收到从发送端发送来的数据，并确定所接收到的数据是不是实际数据。基本要求包括： 最小的杂项开销：无线数据传输协议应该是有效的，协议必须增加一些信息到主要信息中，包括包识别代码和错误检验等，增加信息的数量必须是所需信息中最少的。 有效性：协议必须能可靠地将有用数据从错误数据中分离出来，通常足在数据流中嵌入错误检验代码来实现的。奇偶校验和CRC等都是检错码常用的方法。 可靠性：一个协议如果能够纠正数据的错误，则认为该协议是可靠的。 优化的无线功能：一个无线协议应该以一种能充分利用发射机和接收机的方式工作。3.3.2打包和解包协议将主要数据分割成一定格式的数据，并增加一些额外的信息(用于纠错检错等)，这个过程叫打包。在接收端，协议要去掉这些额外信息，只留下初始信息，这个过程叫解包。3.3.3起始码和噪声协议的第一个任务就是要能够识别噪声和有效数椐。噪声是以随机字节出现的，没有明显的规律。一个理想的噪声源应该能够产生每一种可能字节信息的结合。噪声的这种特性使得找一个字