可充电无线传感器网络汇聚节点设计(附件)
采用无线通信技术实现可充电无线传感器网络汇聚节点设计，用于汇聚网络中各个节点的信息和提供节点运动的接口。系统主要由电源模块、主控模块、驱动模块、2.4G无线通信模块和电机模块组成。主控模块通过IO端口模拟串口程序，接收ZigBee协调器端的数据，通过nRF24L01无线通信芯片接收无线充电电池节点的电量信息；在使用算法进行电量比较之后，等待上位机算法规划路径，并通过串口程序接收上位机动作信号，调用驱动接口，驱动电机驱动模块TB6612FNG，实现了小车的运动控制。系统能够实现预期的设计目标，接收了各个节点的数据，实现了ARM无人车的差分运动，解决了汇聚节点的热点效应问题，延长了无线传感网网络的寿命。关键词 移动汇聚节点，无线通信，串口程序，电机驱动，ARM无人车
目 录
1 引言 2
1.1 研究背景及意义 2
1.2 国内外研究与发展现状 2
1.3 课题设计目的 4
1.4 课题主要研究内容 5
2 系统总体设计 5
2.1 需求分析 5
2.2 方案设计 6
3 硬件设计方案 8
3.1 硬件总体设计 8
3.2 模块设计 8
3.3 本章小结 14
4 软件程序设计方案 14
4.1 软件程序结构设计 14
4.2 汇聚节点设计方案 15
4.3 本章小结 19
5 主控模块实验测试 19
5.1 串口程序接收数据测试 19
5.2 无线模块接收数据测试 20
5.3 电机驱动测试 20
5.4 汇聚节点测试 22
5.5 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
附 录 29
引言
研究背景及意义
随着无线通信技术、微电子技术和传感器技术的日渐成熟[1]，无线传感器网络技术已经广泛应用于多个领域，如环境[2]、人体的追踪和监控[3]以及智能家居等。多领域的运用，也使得人们对无线传感器网络提出了更高的要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
求，尤其要求网络能够持续、稳定的工作。而在一些特殊的领域，节点部署难度大，很难实现节点更换。而且，由于受限于传感器节点所占空间小的要求，能够携带的电池能量较少，这就从根本上限制了网络的寿命。
除了优化网络结构以外，能量补充也是延长网络寿命的方法之一。传感器可以通过模块将自然中的能量转化为自身的能量，如太阳能[4]、风能[5]、震动能[6]等。但这些设备体积过大且能量来源不稳定，实际实用性不高。
针对以上问题，结合现今机器人技术的飞速发展，人们又提出了移动汇聚节点的概念，减小了网络延迟的同时[7]，也解决了静态汇聚节点中常见的热点效应[8]。本文采用移动汇聚节点方案，通过传感网络实时感知各个节点的电量信息，并按照上位机规划的指定路径运动，确保感知节点的电池能够及时接收充能，实现无线传感器网络的长时间、稳定运行，且有效降低个别节点的能耗。
国内外研究与发展现状
短距离无线通信技术
随着网络的飞速发展，人们对无线通信技术提出了更高的要求，在某些应用领域，短距离的无线通信技术能够更好的满足需求。短距离无线通信技术有很多类型，本文主要讨论蓝牙、ZigBee以及nRF24L01无线通信技术。
蓝牙技术
1994年，爱立信公司研究可与手机无线通信的技术，并在4年后正式推出蓝牙技术[9]。经过多年的发展，蓝牙规范4.0被推出，传输速度达到了1M/s，可以稳定传输音视频等文件；传输的能耗也进一步降低，使得蓝牙技术也在更多领域得以应用。2017年，Armis公司发表了蓝牙漏洞技术报告，蓝牙技术的安全问题被提出，其安全性较低。在2.4GHz通信技术中，其传输性能优秀，但是距离过短。
ZigBee技术
ZigBee技术采用IEEE 802.15.4通信协议标准[10]。其功耗非常小，能够连续工作多个月，相应的，传输效率较低，只有50kB/s。ZigBee最显著的优点是组网技术，理论上最大连接数可达到255个节点，且相互间干扰较小，能够满足节点较多的应用。ZigBee能够在30米以内稳定传输，但随着距离变大，信号衰减严重。
nRF24L01无线通信技术
nRF24L01是由Nordic公司发明的工作在2.4GHz~2.5GHz频段的短距离无线通信芯片[11]。其传输速度最高可达8M/s，平均速度2M/s，传速速度快；2种传输模式可供选择，且功耗很低，能够满足多种用户需求；传输距离在30米以内，传输稳定；拥有宽广的通信频段，不受其他频段干扰，抗干扰能力较强。其组网能力较差，多点通信能力较弱，不适合节点过多的情况。
移动汇聚节点
2000年，新加坡学者通过比较基于移动汇聚节点、固定汇聚节点以及移动中继节点的三种不同无线传感器网络的路由协议优劣性，发现基于移动汇聚节点的无线传感器网络在通过路由协议进行数据收集时，使用寿命最长[11]。
2007年，Ma等研究者提出了一种Sen Car的移动型无线传感器网络，就此展开了关于移动型无线传感器网络的研究热潮[12]。感知节点实现环境监测、数据采集和数据发送等功能，采用外部电池进行供电，并且部署在固定位置；移动汇聚节点，即Sen Car，是一种可进行无线数据收发的移动机器人，通过控制移动方向和速度来实现机器人的运动控制。Sen Car采用周期性循环的方式进行数据采集，它从起点出发，并按照规划的路线，对所有感知节点进行访问，获取感知节点的数据，并回到起点，将采集到的数据进行卸载，准备新一轮的循环。这种方法能良好的接收数据并减少各个节点的能耗，图13为Sen Car的运动实验图。但是这种方法有一定的难度，其数学模型可归纳为旅行商问题或是完全NP问题，很难得到精确的解；数学模型较为复杂，计算量大，短时间内实现难度大。
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图13 Sen Car运动实验
在基于移动汇聚节点的无线传感器网络中，通过移动汇聚节点数据采集方式的不同，可分为停止等待数据采集模式和移动数据采集模式。停止等待数据采集模式，即当机器人运动到规定位置后，停止运动，开始对感知节点进行数据的采集，采集结束后才能开始运动到下一节点。这种方法过程简单，且传输速率稳定，但并不适合数据量较大的情况。移动数据采集模式，即机器人运动到感知节点的传输范围内就开始接收数据，直达数据传输结束，机器人都处在运动状态。这种方法，可以有效降低数据采集的事件，减少数据传输的延迟。由于系统需要在感知节点处停留并收集电池，本文采用停止等待数据采集模式。
在基于移动汇聚节点的无线传感器网络中，根据生成路径方法的不同，可将无线传感器网络分为随机路径、可控路径和可预测路径的移动汇聚节点设计三种类型。类似私人交通工具这种随机选择路径来实现小车运动的设计方法，称为随机路径的汇聚节点设计；类似Sen Car这种可通过控制运动方向和速度来实现小车运动的设计方法，称为可控路径的汇聚节点设计；类似地铁和公交车，通过固定路线来实现小车运动的设计方法，称为可预测路径的汇聚节点设计。本系统参考Sen Car设计，采用可控路径的汇聚节点设计；路径选择上，系统则是采用算法判断，而不是固定顺序。
目 录
1 引言 2
1.1 研究背景及意义 2
1.2 国内外研究与发展现状 2
1.3 课题设计目的 4
1.4 课题主要研究内容 5
2 系统总体设计 5
2.1 需求分析 5
2.2 方案设计 6
3 硬件设计方案 8
3.1 硬件总体设计 8
3.2 模块设计 8
3.3 本章小结 14
4 软件程序设计方案 14
4.1 软件程序结构设计 14
4.2 汇聚节点设计方案 15
4.3 本章小结 19
5 主控模块实验测试 19
5.1 串口程序接收数据测试 19
5.2 无线模块接收数据测试 20
5.3 电机驱动测试 20
5.4 汇聚节点测试 22
5.5 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
附 录 29
引言
研究背景及意义
随着无线通信技术、微电子技术和传感器技术的日渐成熟[1]，无线传感器网络技术已经广泛应用于多个领域，如环境[2]、人体的追踪和监控[3]以及智能家居等。多领域的运用，也使得人们对无线传感器网络提出了更高的要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
求，尤其要求网络能够持续、稳定的工作。而在一些特殊的领域，节点部署难度大，很难实现节点更换。而且，由于受限于传感器节点所占空间小的要求，能够携带的电池能量较少，这就从根本上限制了网络的寿命。
除了优化网络结构以外，能量补充也是延长网络寿命的方法之一。传感器可以通过模块将自然中的能量转化为自身的能量，如太阳能[4]、风能[5]、震动能[6]等。但这些设备体积过大且能量来源不稳定，实际实用性不高。
针对以上问题，结合现今机器人技术的飞速发展，人们又提出了移动汇聚节点的概念，减小了网络延迟的同时[7]，也解决了静态汇聚节点中常见的热点效应[8]。本文采用移动汇聚节点方案，通过传感网络实时感知各个节点的电量信息，并按照上位机规划的指定路径运动，确保感知节点的电池能够及时接收充能，实现无线传感器网络的长时间、稳定运行，且有效降低个别节点的能耗。
国内外研究与发展现状
短距离无线通信技术
随着网络的飞速发展，人们对无线通信技术提出了更高的要求，在某些应用领域，短距离的无线通信技术能够更好的满足需求。短距离无线通信技术有很多类型，本文主要讨论蓝牙、ZigBee以及nRF24L01无线通信技术。
蓝牙技术
1994年，爱立信公司研究可与手机无线通信的技术，并在4年后正式推出蓝牙技术[9]。经过多年的发展，蓝牙规范4.0被推出，传输速度达到了1M/s，可以稳定传输音视频等文件；传输的能耗也进一步降低，使得蓝牙技术也在更多领域得以应用。2017年，Armis公司发表了蓝牙漏洞技术报告，蓝牙技术的安全问题被提出，其安全性较低。在2.4GHz通信技术中，其传输性能优秀，但是距离过短。
ZigBee技术
ZigBee技术采用IEEE 802.15.4通信协议标准[10]。其功耗非常小，能够连续工作多个月，相应的，传输效率较低，只有50kB/s。ZigBee最显著的优点是组网技术，理论上最大连接数可达到255个节点，且相互间干扰较小，能够满足节点较多的应用。ZigBee能够在30米以内稳定传输，但随着距离变大，信号衰减严重。
nRF24L01无线通信技术
nRF24L01是由Nordic公司发明的工作在2.4GHz~2.5GHz频段的短距离无线通信芯片[11]。其传输速度最高可达8M/s，平均速度2M/s，传速速度快；2种传输模式可供选择，且功耗很低，能够满足多种用户需求；传输距离在30米以内，传输稳定；拥有宽广的通信频段，不受其他频段干扰，抗干扰能力较强。其组网能力较差，多点通信能力较弱，不适合节点过多的情况。
移动汇聚节点
2000年，新加坡学者通过比较基于移动汇聚节点、固定汇聚节点以及移动中继节点的三种不同无线传感器网络的路由协议优劣性，发现基于移动汇聚节点的无线传感器网络在通过路由协议进行数据收集时，使用寿命最长[11]。
2007年，Ma等研究者提出了一种Sen Car的移动型无线传感器网络，就此展开了关于移动型无线传感器网络的研究热潮[12]。感知节点实现环境监测、数据采集和数据发送等功能，采用外部电池进行供电，并且部署在固定位置；移动汇聚节点，即Sen Car，是一种可进行无线数据收发的移动机器人，通过控制移动方向和速度来实现机器人的运动控制。Sen Car采用周期性循环的方式进行数据采集，它从起点出发，并按照规划的路线，对所有感知节点进行访问，获取感知节点的数据，并回到起点，将采集到的数据进行卸载，准备新一轮的循环。这种方法能良好的接收数据并减少各个节点的能耗，图13为Sen Car的运动实验图。但是这种方法有一定的难度，其数学模型可归纳为旅行商问题或是完全NP问题，很难得到精确的解；数学模型较为复杂，计算量大，短时间内实现难度大。
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图13 Sen Car运动实验
在基于移动汇聚节点的无线传感器网络中，通过移动汇聚节点数据采集方式的不同，可分为停止等待数据采集模式和移动数据采集模式。停止等待数据采集模式，即当机器人运动到规定位置后，停止运动，开始对感知节点进行数据的采集，采集结束后才能开始运动到下一节点。这种方法过程简单，且传输速率稳定，但并不适合数据量较大的情况。移动数据采集模式，即机器人运动到感知节点的传输范围内就开始接收数据，直达数据传输结束，机器人都处在运动状态。这种方法，可以有效降低数据采集的事件，减少数据传输的延迟。由于系统需要在感知节点处停留并收集电池，本文采用停止等待数据采集模式。
在基于移动汇聚节点的无线传感器网络中，根据生成路径方法的不同，可将无线传感器网络分为随机路径、可控路径和可预测路径的移动汇聚节点设计三种类型。类似私人交通工具这种随机选择路径来实现小车运动的设计方法，称为随机路径的汇聚节点设计；类似Sen Car这种可通过控制运动方向和速度来实现小车运动的设计方法，称为可控路径的汇聚节点设计；类似地铁和公交车，通过固定路线来实现小车运动的设计方法，称为可预测路径的汇聚节点设计。本系统参考Sen Car设计，采用可控路径的汇聚节点设计；路径选择上，系统则是采用算法判断，而不是固定顺序。
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