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1、1/11 科技信息高校理科研究基于单恃和的无线传感器网络节点硬件设计公安海警高等专科学校嵇鼎毅陈君波摘要】传感器节点是无线传感器网络的基本组成元素。本文通过对传感器节点的特性分析，采用和为主要芯片设计了一种无线传感器网络节点。经测试可满足节点微型化、低功耗、实时处理能力强、高可靠性等要求。关键词】无线传感器网络节点单片机引言无线传感器网络是继之后，将对世纪人类生活方式产生重大影响的一种热点技术。年著名的荚禺商业周刊在其“未来技术专版”中发表文章指出。效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业。它们将掀起新的产业浪潮。年技术评论在预测未来技术发展的报告中认为，有十种
2、新兴技术在不远的将来将改变世界，其中无线传感器网络被列为首位。传感器节点 ”作为的最基本的元素同时也是一个很重要的元素。节点设计的好坏直接决定整个系统的功能能否实现、各项性能指标能否符合要求。因此对节点的设计、分析是设计的首要任务。本文设计了一种基于和的传感器节点，该节点具有高可靠性、低功耗、成本低的特点以及较好的容错性。一、硬件节点设计系列单片机具有丰富的片内外设，如看门狗，定时器、，比较器，串口、，硬件乘法器，液晶驱动，通用，以及基本定时器。系统工作稳定系统上电复位后，由作为系统时钟，保证了系统从正确的佗置开始执行。随后其灵活的时钟系统允许软件设置系统时钟，但是在晶振振荡器作为系统时钟发生
3、故障时，会自动作为系统时钟以保持系统的正常工作。、无线收发模块无线收发模块选用芯片。是挪威公司推出的单片无线收发器芯片，工作电压为，待机模式下状态仅为，收发模式切换时间，引脚封装），工作于个频道，个频道均可免费使用，有效传输距离达。可以自动完成处理字头和循环冗余码校验）的作，同时可使用接口与微控制器通信，配置非常方便。其功耗非常低。以的输出功率发射时电流只有，在接收模式时电流为传感器模块卜控制模块。传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的可以在需要时再到芯片中去取。一次的数据传输量最多为。其最高工作速率，高效调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，模
4、块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接与各种单片机连接图硬件节点框图无线传感器节点具有微型化、低功耗、实时处理能力强、高可靠性、高鲁棒性、高容错性等特点，因此在设计硬件节点时必须考虑诸多因素。本方案的硬件节点框图如图所示，包括节点必备的传感器模块、控制模块、无线收发模块，另外加了显示模块，警报装置。由传感器模块采集环境中的温度、湿度等信息，将信息传递给控制模块；控制模块对采集到的数据进行处理、判断是否存在安全隐患、发送、显示；模块实现数据的实时显示；警报装置在控制模块判断当前环境存在安全隐患时报警；无线收发模块负责数据的发送与接收。使用，软件编程非常方便。根据上述芯片的性能可看
5、出两种主芯片均可满足节点的微型化、低功耗实时处理能力强、高可靠性、高鲁棒性、高容错性等要求，在一定程度上保证了节点通信的实时性、可靠性。、传感器模块该模块芯片可根据实际需求的功能确定具体的传感器。三、硬件接口设计、通信接口简介与单片机的主要通口接口共个，具体说明见表。表 通信引脚功能说明该节点结构简单，可对环境中的温度、湿度等信息进行实时监控，序号名称管脚功能说明具有很强的可移植性，根据具体的需求改进后可用于工业生产、农业、科研基地等不同需要环境监测的领域，同时还可进一步推广运用于城电源电源市车流量监测、森林防火等多种需要监控的环境中。二、芯片选型、控制模块控制模块选用单片机，该系列单片机是德
6、州仪器）公司推出的一种超低功耗的位工业级混合信号微处理器。它所具有的鲜明特点使其在许多行业都得到了广泛的应用。其主要优数字输入数字输入数字输入为模式为模式使能芯片发射或接收芯片上电点具体体现在：低电压、超低功耗灵活的时钟系统具有种低功耗模式，可实现无可匹敌的超低功数字输出数字输出地址匹配接收或发射数据完成耗性能。系列单片机在功耗上可以达到；斗实时时钟模式；工作状态。在实时时钟处于工作状态时，该系统正常待机的耗流量可低至。由于其指令执行速度较快。因此总功2/11 耗比同类竞争器件低倍，并且它能够在不足的时间内从待机状态进行接口接口输出输入启动。强大的处理能力时钟时钟系列单片机是位单片机，采用）结
7、构，具有丰富的寻址方式。同时其处理速度快，当采用晶振时，指令周期为，。使能地使能接地高性能模拟技术位模数转换器）有很高的转换速率，最高可达。适用于大多数数据采集的场合。另外模拟比较器可以进行模拟电压的比较等。、硬件连接框图硬件框图如图所示，该设计采用通信方式。通信是一种主从模式的通信，时钟信号由单片机提供，单片机作为主机，作为从机。通信是全双工通信，数据可以在两个方向上传丰富的片内外设及其多样化的组合一一万方数据送。为实现程序的高移植性。用，口模拟。下转第页）文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1
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14、 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N63/11 燃怠高校理科研究关于一个级数问题的砷究浙江财经学院数学与统计学院陈晓雷【摘要本文指出了一个抽象的级数问题的几种错误解法。并给出了相应的严谨而详尽的证明。关键词】级数极限证明在某校的一次本科生期末考试中，出过这样一个难度系数较大的关于级数问题的考题：命题：设墼“），证明级数萎如收敛。又由，。“）一生可十。曾见过如下两种证法：考虑正项级数萋三的彳敛散性。为此来证，即证证法一：?上 了 ）万而萋收敛，所以由正项级数比较判别法知级数萋收敛。分析：此证法是错误的，作者把这个问题想得太简单了。
15、错误的根上源在于极限式）中，作者将一部分享量先取了极限：撕 产，完了之后再对另一部分变量取极限：导一。其实在一个极限式中各变量取极限的过程应是同步的，绝不能将其割裂开来，一部分先取极限，另一部分后取极限。这是一个典型的概念性错误。证法二：“收敛。分析：此证法也是错误的，错误在于不等式士 兰不成立。下面给出该命题严谨而详尽的证明：咖上考察函数）曼在?詈止的单调性，?铲 丁 型等幽心：；似詈止单减，孚：宴：詈百当。就有车拿：丁?只要鲁即只要时，就有上手，三丐七而级数为睾的一数，是收敛的，据正项级数的比较判别法知：萋 三干是收敛的正项级数。再据比较判别法的极限形式知：正项级数 收敛。注：此处：孑、与
16、专。证明：。撕。“）而保号性知：衅加，故为正项级数。?当充分大时，据极限的嚣泰泰。傅沛仁数学分析讲义北京：高等教育出版社，襞礼文数学分析中的典型问题与方法北京：高等教育出上接第页）两次拉高间隔为，即发射时间间隔为。说明该节点能满足实时性的要求。、有效传输距离：经测试在范围内数据可有效传递。综上，该节点可有效采集、传递所需的测量值，满足了微型化、低功耗、实时处理能力强等要求，具有较高的可靠性和容错性。参考文搬惦咒啪邮 羽：。吲【吏采彬，叶潮滨基于的无线传感器网络设计专题论述。，：魏小龙系列单片机接口技术及系统设计实例北图硬件连接框图四、测试结果及分析、精确度：传感器采用采集环境中的温度，经与 文
17、档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H
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24、k modeling using modified recurrent neuralnetworks:application to fault detection 2007 3.史永彬.叶湘滨 基于MSP430的无线传感器网络设计 2006 4.魏小龙 MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例 2002 5.李虹.温秀梅.高振天 基于MSP430单片机和 DS18B20的小型测温系统 期刊论文-微计算机信息 2006(20 6.吴新峰.杨瑞峰 基于MSP430与CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计期刊论文-电子设计应用 2007(7 1.学位论文 蒋杰 无线传感器网络覆盖控制研究 2
25、005 无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络。网络覆盖和能量消耗是无线传感器网络的两个核心问题。网络覆盖决定了无线传感器网络对物理世界的监测能力，能量消耗则决定了无线传感器网络的生存时间。网络覆盖与能量消耗密切相关，节点部署则是影响网络覆盖的重要因素。本文主要针对无线传感器网络的能量高效覆盖控制问题和传感器节点的自部署问题进行了深入研究。本文首先提出了一种能够保持网络覆盖质量的分布式节点调度机制CPNSS。CPNSS机制通过减少任意时刻网络中的活跃节点数来降低网络覆盖冗余，可以有效地减少冗余数据传输导致的能量消耗，延长
26、无线传感器网络的生存时间。结合基于(，-边界覆盖的冗余节点判别方法和基于节点优先级的循环依赖解读方法，CPNSS 机制能够在关闭部分冗余节点后保持网络的覆盖质量。仿真实验表明，CPNSS机制不但性能优于 PEAS协议，而且能比 SITE算法更有效地延长无线传感器网络的FDL生存时间和 -CL生存时间。本文接着讨论了无线传感器网络的能量高效自组织问题。状态查询是无线传感器网络中一类非常重要而又频繁的操作。使用尽可能少的活跃节点来响应用户的查询请求，可以有效地延长无线传感器网络的生存时间。本文将计算能够完全覆盖目标区域并保证网络连通性的最小节点集的问题归结为MCCS问题，并提出了一种求解 MCCS
27、问题的集中式近似算法。该近似算法分两个阶段构造近似最小连通覆盖集。首先使用CVT算法构造目标区域的近似最小覆盖集。当节点通信半径大于等于2倍感知半径时，CVT算法构造的覆盖集是连通的。针对通信半径小于2倍感知半径的情况，本文提出了一种基于最小生成树(MST的连通算法，以确保覆盖集的连通性。理论分析和仿真实验表明，CVT(+MST 算法在时间复杂性以及连通覆盖集的大小等方面均优于已有的Greedy 算法。考虑到微型传感器节点固有的易失效以及能量有限等特性，本文进一步讨论了无线传感器网络具有容错特性的能量高效自组织问题。如何使用尽可能少的活跃节点来保证目标区域的-覆盖以及通信网络的-连通是一个 N
28、P难问题。本文将上述问题归结为MKCCS问题，并提出了一种基于自剪枝思想的算法框架。在该算法框架中，可以根据应用需要分别指定连通度要求和覆盖度要求。任意能够检测-连通冗余或 -覆盖冗余节点的分布式算法均可应用在该自剪枝框架中。同时，本文提出了一种基于-阶Voronoi划分的 -覆盖冗余节点检测算法。并在此基础上，提出了求解MKCCS 问题的分布式近似算法 DSPA。仿真实验表明，DSPA算法能够可靠地构造-连通 -覆盖集。由于 MCCS问题是 MKCCS问题在=1 时的特例，DSPA算法同时为 MCCS问题提供了一种分布式近似求解算法。当前大部分能量高效覆盖控制措施都依赖于传感器节点的精确位置
29、信息，但在大规模无线传感器网络中实现节点的精确定位在目前还是非常困难的事情。为此，本文针对节点分布服从 Poisson 点过程的随机无线传感器网络，提出了一种无需位置信息的分布式节点调度算法DLNS，分析了 DLNS算法中网络覆盖强度、预期网络生存时间与节点部署密度之间的内在联系，讨论了均匀分布和正态分布的节点时钟异步对网络覆盖性能的影响。理论分析和仿真实验表明，DLNS算法对节点时钟异步具有较好的鲁棒性。DLNS算法计算简单，可扩展性强，不依赖任何位置信息，并且不要求严格的节点时钟同步，适合在随机部署的大规模无线传感器网络中应用。最后，本文研究了如何通过节点移动改善随机部署的无线传感器网络的
30、覆盖质量。提出了一种能够扩大网络覆盖面积的节点移动控制算法，并分别针对层次网络结构和平坦网络结构提出了该算法的不同实现，即基于分簇的CBAH 算法和完全分布式 DLBAH 算法。仿真实验表明，CBAH算法和 DLBAH 算法不但能够有效改善随机部署的无线传感器网络的覆盖质量，而且与VOR算法相比，能用更小的节点平均移动距离获得更大的网络覆盖面积。2.学位论文 王帅 分簇的无线传感器网络中瓶颈节点问题研究 2006 集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，它是一种新型的无基础设施的无线网络，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测
31、对象的信息，并对其进行处理，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。无线传感器网络作为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首，具有巨大的应用价值。以“数据为中心”的传感器网络只具有有限的计算能力、有限的存储能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应能力。如何在这样有限的资源环境下获取尽可能多的、有效的感知对象的特征信息，并传输到用户节点进行处，是目前研究的重点问题，这些问题都可以归结为传感器网络的路由问题和能量管理问题。本文的研究重点在于分簇的无线传感器网络中的瓶颈节点问题。通过分析无线传感器网络中
32、瓶颈节点的特点、分簇路由协议机制以及瓶颈节点对分簇路由协议的影响，求得分簇的无线传感器网络中瓶颈节点的解决办法。最后，给出了瓶颈节点的标记算法和一个以该算法为基础的分簇路由协议。传感器节点一般由电池供电，且不易更换，所以无线传感器网络最关注的问题是如何高效利用有限的能量。本文首先对无线传感器网络的能量管理作了全面介绍，系统地分析了传感器节点各个部分的能量消耗情况和节能策略。在分析了无线传感器网络能量管理策略的基础上，提出了无线传感器网络中的瓶颈节点问题，分析了瓶颈节点的特点，并给出了一个瓶颈节点标记算法，该算法可用于标记无线传感器网络中的瓶颈节点。在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术至
33、关重要。分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，成为当前重点研究的路由技术。所以本文随之分析了无线传感器网络分簇路由机制，着重从簇首的产生、簇的形成和簇的路由角度系统地对当前典型的分簇路由算法进行比较和分析，并结合瓶颈节点特点和分簇路由机制，总结了瓶颈节点对分簇路由的影响。最后文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI
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39、1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N66/11，本文给出了一个分簇路由协议的设计。该协议包括动态簇组
40、织算法和簇间路由算法，其能够较好的避免瓶颈节点能量过快消耗问题，有效的延长无线传感器网络的生存期限。3.学位论文 张瑞华 基于能量效率的无线传感器网络关键技术研究 2007文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2
41、S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4
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44、A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2
45、S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4
46、A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N6文档编码:CI9V7O1W2S6 HZ8H1H4X3H1 ZI6U4A7O5N67/11 无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络。无线传感器节点作为微小器件，只能配备有限的电源，在有些应用场合下
47、，更换电源是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计首要考虑的问题。网络分层机制、网络覆盖与能量消耗密切相关，分簇算法在网络分层机制中起决定性作用；节点配置方式、冗余节点查找则是影响网络覆盖的重要因素。本文主要针对无线传感器网络的分簇算法、传感器节点配置和冗余节点查找等问题从能耗效率方面进行深入研究。主要研究内容和成果如下：1、提出了一个能量高效的最大选票和负载平衡的传感器网络分簇算法(anmaximum-Votes and Load-balanee Clustering Algorithm，VLCA，并把该算法应用在实
48、际场景中对能耗进行验证。在大规模的无线传感器网络中，每个节点采集的数据最终都要传输到网关节点，可以直接单跳传输到网关，也可以通过多跳传输到网关。研究表明，将传感器节点组织成簇的形式可以有效地减少网络的能量消耗，延长网络的生命周期。许多能量有效的路由协议都是在簇结构的基础上进行设计的。在分级结构的网络中，簇头节点可以收集成员节点的数据并执行数据融合，将传感器感测的大量数据组合成少量有效的信息集合经多跳路由发送到网关节点。簇头利用TDMA 方式管理簇成员，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，大大减少了网络中路由控制消息的数量，具有很好的可扩充性。由于簇头节点可以随时选举产生，分级结构也
49、具有很强的抗毁性。在分析已有的无线传感器网络分簇算法的基础上，本文设计了一种最大选票和负载平衡的高能效的传感器网络分簇算法(VLCA。传感器节点的重要性应该由其所有邻居(包括自己 反映出来，而不仅仅是由其局部属性决定。传感器节点收集它们邻居的选票并且计算收到的所有选票。传感器节点积累的选票越多，它在整个网络中就越重要。每个节点分发给邻居的选票取决于该节点以及所有邻居节点的剩余能量。本文给出了VLCA算法的伪代码，对其性能进行了理论分析，并和其它经典的分簇算法对比验证。该算法是完全分布的，不依赖网络特定区域、大小和其拓扑结构，模拟结果显示它能减少簇的数量20到 50。进一步把该算法应用在实际场景
50、中，和其它能量效率的分簇算法相比，结果显示能延长传感器网络的生命周期。2、提出了两种有效可行的无线传感器网络节点配置机制，并进一步把两种线性网络模型推广至大规模网络，设计实现了一种基于非均匀分簇的路由机制，并从能耗角度加以验证。无线传感器网络节点的配置和定位、跟踪一样，是无线传感器网络的一个基本问题，因为它反映了无线传感器网络的成本和监视能力。节点配置策略很大程度上可增强网络检测质量，减少能耗最终延长节点的寿命。本文通过对传感器节点无线通信能耗模型的扩展，在两种线性网络模型下，分析并仿真实现了多数据源负载时，传输信息的能耗、能量效率；通过对比分析，在无线传感器网络节点配置时，提出了两种有效可行