海洋监测传感器网络海面闯入监测系统的设计Word文档下载推荐.docx
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题
目
题目名称
题目性质
1.理工类:
工程设计(√);
工程技术实验研究型();
理论研究型();
计算机软件型();
综合型()
2.文管理类();
3.外语类();
4.艺术类()
题目类型
1.毕业设计(√)2.论文()
题目来源
科研课题(√)生产实际()自选题目()
主
要
内
容
1、无线传感器节点的硬件设计,包括三轴加速度传感器、温度传感器、光传感器和4通道A/D转换器和无线通信电路;
2、闯入算法的研究。
基
本
求
设计一套基于无线传感器网络的海面闯入监测系统,完成硬件大图
1张。
参
考
资
料
1、传感器原理
2、无线传感网络原理
3、计算机学报、仪器仪表学报等相关杂志
周次
第1~4周
第5~8周
第9~12周
第13~15周
第16~17周
应
完
成
的
查阅资料熟悉课题
选择设计三轴加速度传感器、温度传感器、光传感器和4通道A/D转换器
无线通信电路,闯入算法的研究
撰写论文
撰写论文,准备答辩
指导教师:
胡春海
职称:
教授2013年11月11日
系级教学单位审批:
年月日
摘要
无线传感器网络海面闯入监测系统是海洋实时监测、安全防御的一个重要组成部分,本文主要介绍了海洋监测传感器网络海面闯入监测系统的硬件设计和闯入算法的研究。
1.无线传感器节点的硬件设计。
对于海面闯入系统,本文提出利用三轴加速度传感器(温度传感器、光传感器辅助测量)测量船行波的震动原理。
将带有三轴加速度传感器的传感器节点安装在浮标上,浮标随船行波震动,三轴加速度传感器便可以测量出此震动,进而监测闯入。
在能量供应模块,提出利用太阳能供电系统,可以很好地解决无线传感器节点在能量供应上的不足。
传感器模块测量到信号后,本文设计了放大、滤波等电路来处理传感器输出信号,并采用芯片CC2420构成了通信模块。
2.闯入算法的研究。
船行波和海浪具有不同的频谱特性,利用这些特性设计了具有三个监测层次的闯入监测算法。
根据船行波对海浪扰动的具体特点,在算法中提出临时簇和固定簇相结合的办法,从而可以较好地利用闯入监测的时空关联性特性。
关键词 无线传感器网络;
海面闯入监测;
节点硬件设计;
外围电路;
海面闯入算法
Abstract
Wirelesssensornetworksintrusionintotheoceanmonitoringsystemisanimportantpartofoceanreal-timemonitoringandsecuritydefense.Thispaperdescribesthestudyofmarinemonitoringsensornetworkthesurfaceoftheseaintrusionmonitoringsystemhardwaredesignandresearchofbrokeintothealgorithm.
1.Hardwaredesignofwirelesssensornodes.Forseaintrusionsystems,thispaperproposestheuseofthree-axisaccelerationsensor(temperaturesensorandlightsensorauxiliarymeasurement)tomeasurementvibrationprincipleofshiptravelingwave.Thesensornodeswiththethree-axisaccelerationsensorismountedonthebuoy,buoyshockwithshiptravelingwave,thisvibrationcanbemeasuredbythree-axisacceleration,andthenmonitoringintrusion.
Intheenergysupplymodule,cansolvethelackofwirelesssensornodesonenergysupply.Aftersensormodulemeasuringthesignal,thispaperdesignsamplifiercircuitandfiltercircuittoprocessofthesensoroutputsignal.AndusechipCC2420constituteacommunicationmodule.
2.Algorithminvasion.Shipwavesandwaveshavedifferentspectralcharacteristics,withthesefeatures,designedwiththreelevelsofmonitoringintrusionmonitoringalgorithm.Accordingtothespecificcharacteristicsofshipwavedisturbanceonthewaves,theprovisionalclustersandclustersoffixedcombinationofapproachesinthealgorithm.Thusabetteruseoftemporalcorrelationcharacteristicstointrusionmonitoring.
Keywords Wirelesssensornetworks;
Seaintrusionmonitoring;
Nodehardwaredesign;
Peripheralcircuits;
Seaintrusionalgorithm
第1章绪论
1.1课题背景
中国最伟大的航海家郑和曾指出:
欲国家富强,不可置海洋于不顾[1]。
由此可见海洋对国民经济发展所起的作用以及在国家安全方面的重要性,除此之外,海洋对全球生态环境也有着深远的影响。
随着世界各国对海洋权益的认识,各国都逐步加快开发和利用海洋的步伐。
因此,大量具有感知外部环境、计算和通信能力的水面传感器节点随之诞生,其构成的水面传感器网络对海洋环境的连续实时监测有着重要的意义。
海洋监测传感器网络是无线传感器网络在海洋中的延伸,它利用传感器网络的特点,针对海洋监测具体应用,结合无线通信技术、网络技术和信息处理技术,实现对海洋信息的实时监测。
海洋监测传感器网络能够为海洋环境管理、资源保护、灾害监测、海洋工程、海上生产作业和海洋军事等活动提供更好的技术设备和信息平台,因此得到了世界各国政府部门、工业界、学术界和科研机构的极大关注[2]。
闯入监测是安全防御的一个重要组成部分。
闯入监测在海上主要用于港口保护、海上边界保护和海上设施的保护,比如石油平台、渔业设施的保护等等。
海上闯入监测主要包括海下和海面两部分,海下的闯入者主要有潜艇、无人潜水器、潜水者等,而海面部分则主要是船只。
本文主要讨论海面闯入监测问题。
我国是一个海洋大国,海洋监测传感器网络在我国有着广阔的应用前景。
随着海洋监测传感器网络技术研究的继续深入,它一定能为我国经济的持续发展起到很好的支撑和促进作用。
1.1.1课题研究现状
海洋是人类维持生存繁衍和社会实现可持续发展的重要基地。
开发海洋、发展海洋经济是整个人类生存和社会发展极为现实的必由之路。
目前世界各国对海洋权益日益重视,开发利用海洋的热潮正在全球兴起,陆地无线传感器网络的研究也随之得到了飞速的发展[3]。
这些因素使得研制具有低成本、高可靠性能的海洋监测传感器网络正在成为一个新的研究热点。
我国主要研究海洋传感器系统的机构有中国科学院声学研究所、中国科学院海洋研究所、中国科学院自动化研究所、哈尔滨工程大学、厦门大学、中国船舶重工集团公司第七一五研究所和中国海洋大学等[4]。
其中中国海洋大学在水下传感器网络和海洋立体监测网络领域展开了研究,研制并在海上部署了水面传感器网络。
国外主要研究机构有:
康涅狄格州大学、佐治亚理工学院、南加州大学、麻省理工学院、美国的伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)和新加坡国立大学等[5]。
由美国海军研究局和空海战系统中心主要研究的海网Seaweb研究项目早在1998年就开始了实际组网实验[6];
而我国在“八五”期间就开始对水声通信进行研究[7]。
近几年国家开始重视海洋监测传感器网络方面的研究,并在“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)和国家自然科学基金中资助海洋监测传感器网络的研究。
文献[8]设计了一个轻载荷分层的分类器。
这种分类器把监测的目标任务分配给不同层次的节点。
实际上,这种任务的分配基于网络的层次性。
多个普通节点可能根据地理位置的的相近性形成一个固定的簇。
簇中的簇首负责管理本簇。
簇的上一级是普通的Sink节点,负责管理各个簇首,直接与它们联系。
比Sink更高一级的是决策中心,它掌握更多区域的信息,从而对目标闯入和移动有更好地监测。
这种分层的管理机制比较符合大规模网络的入侵监测。
另外,针对具体的试验要求和实际节点的性能限制,设计了轻量级的节点算法,不仅降低了耗能,而且缩短了网络闯入响应时间。
他们的算法在VigiNet网络中作了试验验证。
文献[9]在SensIT项目对车辆闯入监测上做了研究。
文献[10]针对动物的监测设计了ZebraNet,用来实现对动物习性的研究。
文献[11]设计了异构网实现异常闯入监测。
另外一些文献对水上闯入监测作了研究。
文献[12]研究了近岸闯入监测网络。
他们的网络分为两部分:
部署在海面的节点首先对闯入物体做粗略的监测,当发现异常时,利用部署在岸边的光学节点对闯入目标进一步追踪和分类。
文献[13]对船的闯入作了初步的研究。
他们在HudsonRiverEstuary设计了监测船只闯入的网络。
这种网络由水下声学节点和部署在河边的摄像设备组成。
水下声学节点根据噪音异常初步判定闯入,然后开启图像设备确定是否有船,并对船进行分类。
1.2海面闯入监测系统概述
1.2.1主要研究内容
本文提出利用船行波和普通海浪具有不同的特点,实现船只的闯入监测。
传统的用于监测船只闯入的方法主要利用雷达和卫星,但是雷达和卫星都非常昂贵。
除了价格因素外,由于海面波动反射造成的噪音使得雷达对于小的船只监测效果较差。
另外,雷达的部署还需要依赖岸边、小岛或者船只等基础设施。
如果利用卫星的图像实现船的监测,其图像的获取会受到天气的影响,比如云层的影响,夜间的影响等等。
对于那些使用微波的卫星,尽管可以避开天气的影响,但体积小的船只仍然难以辨出。
此外,卫星监测的实时性也不太好。
综合而言,传统的方法具有价格昂贵,实时性不好,部署不灵活等缺点。
近期,随着微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的发展,具备感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器技术得到飞速发展。
利用具有多种能力的硬件节点可以自组织形成具有实时感知能力的无线传感器网络。
这种技术的使用,使得我们周围的世界变得更加智能化,从而使我们可以实现对外界的无间隙交互和控制。
同样,无线传感器网络可以应用到闯入监测中[14]。
这些无线传感器网络使用磁性传感器、热传感器、声传感器等等,将网络部署在保护的区域内[15]。
当闯入物体比如车辆、动物或者人员闯入保护区域时,车辆的金属具有磁性,从而可以使磁性传感器监测出来。
车辆对空气和大地造成震动,声传感器可以监测到。
对于动物和人而言,由于行动时会散发出热量,从而可以使用热传感器监测出来。
尽管这些网络在陆地上可以很好地工作,但如果部署在海面上监测船的闯入,却面临很多挑战性。
最主要的挑战来自于部署在海洋上面的节点。
当节点部署到海面上时,一般需要将节点部署到浮标上,因而这些节点就会随着海浪的波动而随机波动,而这些随机波动使得那些适用于陆地的节点不能有效地在海面上得以应用。
比如,节点的随机波动使得磁性传感器和热传感器等很难监测到闯入物体。
微型摄像头具有一定角度,通过部署多个摄像头可以覆盖所有方向,但部署这样的网络,除了成本问题,耗能会很大。
此外,由于同样原因,节点的随机波动也会使利用摄像头闯入监测变得更加困难。
另外一个问题是当节点部署在陆地无线传感器网络时,节点可以较高密度的部署,比如对车辆的监测可以将节点高密度部署在道路附近。
而对动物监测的部署可以将节点部署在动物活动频繁的地点。
陆地节点可以离监测物体更加接近,因此监测到闯入物体的可靠性会较高。
但当把节点部署到海洋中实现对船的闯入监测时,节点就很难和船离得很近:
船的行走路线比较随意,若发生碰撞会损坏节点或者船只。
另外部署网络后,网络不能影响正常船只的过往。
因此,相对于陆地而言,节点必须稀疏部署。
但稀疏部署降低了节点对闯入物体的监测能力。
在本文提出一种新的实现闯入监测的方法,这种方法利用了海洋的波动。
尽管海洋波动给陆地监测网络部署在海上带来不利,但却可以利用海洋的波动实现监测。
提出这种监测方法,正是基于船在海面上运动时带来的特殊现象:
当船在海面上航行时,会出现船行波。
船行波的产生在于船体往前运动时与海水相互作用而形成的。
根据仪器检测,船行波与海浪具有明显不同的特征,如果能够在海面上部署无线传感器节点将船行波监测出来,就可以把船监测到。
过去对船行波有所研究,但多数研究集中在船行波的危害上,比如它对港湾堤坝的影响、对河道的侵蚀、对建筑物和水中漂浮物体的影响等等。
过去的研究需要使用很复杂的仪器,并把仪器部署在海底固定。
如果使用同样的办法,显然是行不通的。
但无线传感器网络有一种测量震动的传感器,即加速度传感器已经出现。
过去这种传感器主要测量物体的震动,比如用于地震监测、桥梁震动、楼房震动、石油平台震动、机器震动等等。
在这里,通过部署这种带有加速度传感器的节点监测船行波,并根据它与海浪具有的不同特征,区分这两种波,从而实现对船只的闯入监测。
使用无线传感器网络实现闯入监测,具有容易部署,可实现快速部署,并且可以实现实时监测等优点。
1.2.2无线传感器节点的基本介绍
随着半导体技术、计算机技术、通讯技术等信息技术的飞速发展,融合了这些技术的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork)技术应运而生了。
传感器网络是集传感器、执行器、控制器和通信装置于一体,集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的设备。
由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息,并对这些信息进行处理,传送给需要这些信息的用户。
相对于传统无线网络节点,无线传感器网络节点具有明显的技术特点:
网络节点密度相对高,数量大;
节点的计算和存储能力有限;
节点体积微小,通常携带能量十分有限的电池,节点能量有限;
通信能力有限,传感器网络的通信带宽较窄,节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米,因此在有限的通信能力下如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题;
各传感器节点位置随机分布,具有自组织特性。
由于无线传感器网络节点具有以上特点,在节点的设计上,要求节点硬件成本较低、必须低能耗、必须支持多跳的路由协议。
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,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。
1.2.2.1供电模块选择
由于无线传感器节点作为一种微电子设备,一般采用电池供电方式,基于体积的要求,电池的容量不大,在一些具体应用中更换电池是不现实的,因此节点的工作时间严重依赖于电池的持续时间。
所以节点可持续工作时间成为无线传感器网络生命周期的一个重要制约条件。
因此,本论文提出了利用太阳能供电系统,为节点供电。
本文提出一种基于太阳能的能量供应模块,这种模块利用太阳能电池板、锂电池与智能充电芯片CN3063构成电源,利用升压电路为传感器提供5V电压。
1.2.2.2传感器模块选择
对于船行波的测量,首要明白的一点是船行波是由于船体向前运行时,与水体相互作用而形成的。
由此,我们采用加速度传感器来进行测量。
在加速度传感器中有一种是三轴加速度传感器,同样的它是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;
另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。
由前文所提到的,本次测量环境是水面,所以需要考虑的因素很多。
例如水面的温度、湿度、光照等对于测量准确性的干扰,对于测量仪器的损耗。
基于以上的考虑,本次设计选用了ST公司制造的三轴加速度传感器LIS3L06AL。
以及选用温度传感器PT100和光传感器CL9P4L进行辅助环境参数测量。
1.2.2.3处理器模块选择
本文选择MSP430处理器作为本次设计的CPU。
单片机MSP430具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富、方便高效的开发环境等特点,尤其是具有超低功耗的优势。
1.2.2.4无线通信电路
本次设计采用了CC2420无线收发芯片,设计无线通信模块。
CC2420[16]是Chipcon公司于2003年推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4标准的无线收发芯片。
该器件包括很多额外功能,是一款适用于ZigBee产品的RF器件。
它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18umCMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能很稳定且功耗极低。
可确保短距离通信的有效性和可靠性。
利用这种芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小,适于电池长期供电。
具有硬件加密、安全可靠、抗毁性强、组网灵活等特点,为工业监控、消费电子、智能玩具,尤其是传感网络提供了理想的解决方案。
1.2.3海面闯入监测算法概述
设计一个可靠的闯入监测系统,其它的问题也需要考虑进来,比如网络体系结构、协同信号处理等等。
本次设计首先描述分布式闯入系统的特征,然后讨论节点层面闯入监测、簇层面闯入监测和基站层面闯入监测。
最后提出闯入监测的算法流程图。
第2章无线传感器节点的硬件设计
本次设计的无线传感器节点是由电源模块、传感器模块、处理模块、通信模块组成。
如图2-1所示。
图2-1传感器网络节点组成
传感器节点需要部署在海面,因此,利用浮标,将传感器节点固定在浮标上,浮标可以感受到海浪或者船行波,带动三轴加速度传感器一起运动,从而进行测量。
本文所设计的海面闯入监测系统采用Tmote无线节点模型,如图2-2所示。
节点的电源模块采用CN3063构成的太阳能充电电池,为节点供能;
传感器模块包括了光传感器CL9P4L和温度传感器PT100以及三轴加速度传感器选择LIS3L06AL;
通信模块采用CC2420芯片;
处理器采用MSP430系列。
图2-2无线传感器节点Tmote
2.1能量供应模块
太阳能,自地球形成以来,生物就主要以太阳提供的热和光生存,而自古人类也懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。
在化石燃料日趋减少的情况下,太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分,并不断得到发展。
太阳能既是一次能源,又是可再生能源。
它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。
为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。
随着社会的进步,科技的发展,太阳能电池管理芯片应运而生。
本次设计所采用的CN3063是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。
该器件内部包括功率晶体管,应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。
内部的8位模拟-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流,用户不需要考虑最坏情况,可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力,非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。
CN3063性能参数:
(1)内部集成有8位模拟-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流
输出能力自动调整充电电流;
(2)可利用太阳能电池等输出电流能力有限的电压源供电的锂电池充
电应用;
(3)输入电压范围:
4.35V到6V;
(4)恒压充电电压4.2V,也可通过一个外部电阻调节;
(5)为了激活深度放电的电池和减小功耗,在电池电压较低时采用涓
流充电模式;
(6)采用恒流/恒压/恒温模式充电,既可以使充电电流最大化,又可
以防止芯片过热;
(7)电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式。
2.1.1电能采集与存储模块
本模块采用如韵电子公司的充电智能管理芯片CN3063。
CN3063是利用太阳能电池供电的单节锂电池管理芯片。
太阳能电池板选择一块80mm*50mm的电池板[17],锂电池容量为1300mA,电压为3.7V。
内部的8位模拟/数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流,可最大限度的利用输入电压源的电流输入能力。
热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候讲芯片温度控制在安全范围内。
内部固定的恒压充电电压为4.2V,也可以通过一个外部电阻进行调节,充电电流通过一个外部电阻设置。
当输入电压掉电时,CN3063自动进入低功耗的睡眠模式。
其他功能包括输入电压过低锁存,自动再充电,电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。
CN3063只需要极少的外围元器件,充电原理图如图2-3
图2-3CN3063充电原理图
太阳能电池板输出电压4.5V,电流100mA效率15%。
对于芯片CN3063。
管脚TEMP是电池温度检测输入端,如果电池温度过高或者过低,充电将被暂停。
温度正常之后,充电将继续。
如果此管脚接地,电池温度检测功能将被禁止。
ISET是恒流充电电流设置和充电电流监测端,一般外接一个电阻后接地。
在恒流充电阶段,此管脚的电压被调制在2V。
监测充电电流I的公式为:
管脚BAT是电池连接端,提供充电电流,和恒压充电电压。
CHRG是漏极开路输出的充电状态指示端,当充电器向电池充电时,此管脚被内部开关拉到低电平,表示充电正在进行。
DONE是漏极开路输出的充电结束状态指示端,当充电结束时,此
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