毕业设计--无线传感器网络路由协议及仿真

毕业设计（论文）

无线传感器网络路由协议及仿真

摘 要

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，具有许多传统网络无法比拟的优点，可广泛应用于军事、医疗、灾难救助等环境中，已经成为现代通信技术中的一个热点研究领域。由于无线传感器网络中的节点普遍能量受限，因而设计能量有效的无线传感器网络路由协议受到了学术界和工业界的高度重视。 本文在上述背景下概述了影响无线传感器网络路由协议设计的因素，指出了传感器网络路由协议的评价标准，介绍了几种主流的传感器网络路由协议，并选择典型的低能量自适应聚类层次结构(LEACH)协议进行了深入分析，着重描述了实现LEACH 协议的关键算法，分析了该协议存在的优势与不足，并给出了一些修改的建议。

在上述工作的基础上，本文利用网络仿真软件NS-2对其进行建模，重点实现了LEACH 协议、CSMA 协议、网关处理的有限状态机模型(FSM)，并结合节点模型和网络模型，在omnet 的虚拟无线环境下建立了LEACH 协议的仿真平台。 最后利用上述平台建立了两个包含不同数量节点的无线传感器网络，仿真了LEACH 协议的实际运行情况，并根据相关定义统计了网络的生命周期，节点能耗等参数，最终得出了LEACH 协议能够高效利用能量的结论。本文建立LEACH 协议仿真平台的相关工作，为针对该协议的后续改进研究作了铺垫，具有一定的应用价值。

关键词 无线传感器网络；路由协议；LEACH ；NS-2网络仿真

Abstract

Motivated by the advancement in sensor, embedded computing, networking and wireless communication technologies, wireless sensor network (WSN) is now regarded as a promising technology for pervasive information acquiring and processing. Since WSN could be deployed in diverse applications, such as military affairs, medical care, emergencies, and so on, it becomes a boosting research topic in modern wireless networking technology. Due to the limited power supply characteristics of individual sensor node, it is extensively desirable to find out ways to maximize the life time of WSN. Consequently, energy-efficient routing protocol has become a hotspot in both academic research and industrial practices.

This thesis firstly summarizes the factors which dominate the energy-consumption characteristics of routing protocol for WSN. Some criteria are then presented to evaluate the performance of a given routing protocol. Secondly, after introducing several mainstream routing protocols, the Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) will be addressed to elucidate its advantages and disadvantages. Some proposals are also discussed to improve the LEACH routing protocol.

In addition, by employing the network simulation tool—NS-2, this thesis lays emphasis on modeling the Finite State Machine of LEACH protocol, CSMA protocol. After that, based on the node and network model, LEACH protocol’s simulation platform will be presented using omnet’s virtual wireless environment.

Finally, by setting up two WSN application scenarios with different number of sensor nodes, the life-time of WSN and the node’s energy consumption of the WSN are collected and analyzed. It is validated that the LEACH protocol is energy-efficient, which is suitable for the requirement by practical WSN implementations. Moreover, the completed simulation platform offer a good beginning for the future studies on LEACH protocol and its improved variations.

Key words Wireless Sensor Network; Routing Protocol; LEACH; Network Simulation Using NS-2

目 录

1 引言 . ............................................................................................................................ 5 2 绪论 . ..............................................................................................................................

2.1 无线传感器网络简介 . ..........................................................................................

2.2 无线传感器网络体系结构 . ..................................................................................

2.2.1 传感器节点组成 . .......................................................................................

2.2.2 网络体系结构 . ...........................................................................................

2.2.3 协议体系结构 . ...........................................................................................

2.3 无线传感器网络的特点 . ......................................................................................

2.4 无线传感器网络的应用 . ......................................................................................

2.5 NS-2介绍

2.6 NS-2在不同环境下的安装

3 总体设计 . .................................................................................................................. 13

3.1 激光的检测 . .................................................................................................... 13

3.2 靶位的划分 . .................................................................................................... 13

3.3 编码标准 . ...................................................................................................... 14

3.4 成绩的传送和处理 . ........................................................................................ 14

3.5 其他说明 . ........................................................................................................ 14

4 硬件设计 . .................................................................................................................. 15

4.1 信号放大电路 . ................................................................................................ 15

4.2 整形电路 . ........................................................................................................ 17

4.3 编码电路 . ........................................................................................................ 18

4.4 串行传送 . ........................................................................................................ 20

4.5 电平转换 . ........................................................................................................ 22

5 软件设计 . .................................................................................................................. 23

5.1 总体方案 . ........................................................................................................ 23

5.2 程序流图 . ........................................................................................................ 23

5.3 模块说明 . ........................................................................................................ 24

6 制作与调试 . .............................................................................................................. 27

6.1 硬件电路的布线与焊接 . ................................................................................ 27

6.2 调试 . ................................................................................................................ 27

7 结论 . .......................................................................................................................... 29

致谢 . ................................................................................................................................ 30

参考文献 . ........................................................................................................................ 31

附录 . ................................................................................................................................ 32

1 引言

由于近年来传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通讯技术的发展，微型制造技术、通信技术及电池技术的改进，促使微小的传感器可具有感应、无线通信及处理信息的能力。此类传感器不仅能感应及监测环境，而且可处理收集到的数据．并将处理后的数据以无线的方式传送到基站。这些具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点协同组织就构成了无线传感器网络。以大量的具有微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络(WSN)逐渐成为学术界的研究热点问题。美国商业周刊和MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一。与传统无线通讯网络Ad Hoc网络相比，WSN 的自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点，使其可以应用到人员无法到达的地方，比如战场，沙漠等。因此，可以断定未来的无线传感器网络将有更为广泛的前景。 无线传感器网络的应用前景十分广泛，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

网络仿真, 就是运用仿真软件对通信网络进行模型化, 通过程序的运行模仿通信网络的运过程。目前, 已获得广泛应用的各种通用、专用的仿真软件覆盖了几乎所有硬件平台, 其中多平台适用的NS(Network Simulator)仿真器是最常见的基于事件的网络仿真软件之一, 它是美国DARPA 支持的项目VINT 开发的通用多协议网络仿真软件, 在设计思路上试图满足网络研究界在网络仿真方面的抽象、仿真、场景生成、可视化、可扩充性等多方面需求, 能够应用于无线环境, 支持纯无线局域网、有线无线混合网络等的仿真。该仿真器属于自由软件、提供源代码, 可以为低成本的研究、实验提供一套良好的仿真工具。NS 是在网上分开发布的, 并且已被网络研究者广泛使用。NS 仿真器是一个基于Unix/ linux平台的软件包, 包括Tcl/ tk 、NS 、Otcl 、Tclcl 等。其中, Tcl 是一个开放脚本语言, 用来对NS 进行编程; tk 是Tcl 的图形界面开发工具, 用于X 环境的图形界面开发; Otcl 是基于Tcl/ tk 的面向对象扩展, 有自己的类层次结构; NS是面向对象的仿真器, 用C+ + 编写, 以Otcl 解释器作为前端; Tclcl则提供NS 和Otcl 的接口, 使对象和变量出现在两种语言中。早期的NS 就是对一个基本的Tcl 解释器进行扩展, 加入了网络仿真的一些命令而形成的。随着版本的更新,NS 完全运用面向对象的软件设计思想, 使用

OTcl 和C+ +语言混合编程, 利用TclcL 机制, 通过两个C+ + 类即TclObject 和TclClass 将OTcl 类和C+ +类关联起来, 使得在C+ +中能直接调用OTcl 解释器的功能,OTcl 和C+ +能够互相直接操作对方定义的数据。

针对网络仿真, NS 已经预先做了大量的模型化工作, 它对网络系统中一些通用的实体已经进行了建模, 如链路、队列、分组、节点等, 并用对象来实现了这些实体的特性和功能, 这就是NS 的构件库, 而且这些对象易于组合, 易于扩展, 用户可以充分利用这些已有的对象, 进行少量的扩展, 组合出新的具备研究的网络系统

的模型, 然后进行仿真, 这样就大大减轻了进行网络仿真的工作量, 提高了效率。扩充nS 的主要方法就是使用OTcl 或C+ +语言, 继承ns 已实现的类, 增添自己的功能, 再与原有的源文件一起重新编译、运行。由于ns 已实现的类丰富、可靠和易于重用性, 使二次开发人员可以将精力集中于欲实现的新模块, 大大提高了工作效率, 而且基于NS 这个广泛采用的框架, 使每次开发的成果都可以为更多研究项目共享, 有利于成果的积累。

2 概述

2.5 NS-2介绍

NS是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含的模块已经非常丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，NS 成了目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。在每年国内外发表的有关网络技术的学术论文中，利用NS 给出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是被学术界所普遍认可的，此外，NS 也可作为一种辅助教学的工具，已被广泛应用在了网络技术的教学方面。因此，目前在学术界和教育界，有大量的人正在使用或试图使用NS 。

1、NS2简介

NS2（Network Simulator, version 2）是一种面向对象的网络仿真器，由UC Berkeley 开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前NS2可以用于仿真各种不同的IP 网，已经实现的一些仿真有：网络传输协议，比如TCP 和UDP ；业务源流量产生器，比如FTP ，Telnet,Web CBR和VBR ；路由队列管理机制，比如Droptail,RED 和CBQ ；路由算法，比如Dijkstra 等。NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC 子层协议。NS2 使用C++和Otcl 作为开发语言。 NS可以说是Otcl 的脚本解释器，它包含仿真事件调度器、网络组件对象库以及网络构建模型库等。事件调度器计算仿真时间，并且激活事件队列中的当前事件，执行一些相关的事件，网络组件通过传递分组来相互通信，但这并不耗费仿真时间。所有需要花费的仿真时间来处理分组的网络组件都必须要使用事件调度器。它先为这个分组发出一个事件，然后等待这个事件被调度回来之后，才能做下一步的处理工作。事件调度器的另一个用处就是计时。NS 是用Otcl 和C++编写的。由于效率的原因，NS 将数据通道和控制通道的实现相分离。为了减少分组和事件的处理时间，事件调度器和数据通道上的基本网络组件对象都使用 C++写出并编译的，这些对象通过映射对Otcl 解释器可见。

当仿真完成以后，NS 将会产生一个或多个基于文本的跟踪文件。只要在Tcl 脚本中加入一些简单的语句，这些文件中就会包含详细的跟踪信息。这些数据可以用于下一步的分析处理，也可以使用NAM 将整个仿真过程展示出来。

2、使用NS 进行网络仿真的方法和一般过程

进行网络仿真前，首先分析仿真涉及哪个层次，NS 仿真分两个层次：一个是基于OTcl 编程的层次。利用NS 已有的网络元素实现仿真，无需修改NS 本身，只需编写OTcl 脚本。另一个是基于C++和OTcl 编程的层次。如果NS 中没有所需的

网络元素，则需要对NS 进行扩展，添加所需网络元素，即添加新的C++和OTcl 类，编写新的OTcl 脚本。整个仿真的过程简图如图2所示：

假设用户已经完成了对NS 的扩展，或者NS 所包含的构件已经满足了要求，那么进行一次仿真的步骤大致如下：

（1） 开始编写OTcl 脚本。首先配置模拟网络拓扑结构，此时可以确定链路的基本特性，如延迟、带宽和丢失策略等。

（2） 建立协议代理，包括端设备的协议邦定和通信业务量模型的建立。

（3） 配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。

（4） 设置Trace 对象。NS 通过Trace 文件来保存整个模拟过程。仿真完后，用户可以对Trace 文件进行分析研究。

（5） 编写其他的辅助过程，设定模拟结束时间，至此OTcl 脚本编写完成。

（6） 用NS 解释执行刚才编写的OTcl 脚本。

（7） 对Trace 文件进行分析，得出有用的数据。

（8） 调整配置拓扑结构和业务量模型，重新进行上述模拟过程。

NS2采用两级体系结构，为了提高代码的执行效率，NS2 将数据操作与控制部分的实现相分离，事件调度器和大部分基本的网络组件对象后台使用C++实现和编译，称为编译层，主要功能是实现对数据包的处理；NS2的前端是一个OTcl 解释器，称为解释层，主要功能是对模拟环境的配置、建立。从用户角度看，NS2 是一个具有仿真事件驱动、网络构件对象库和网络配置模块库的OTcl 脚本解释器。NS2中编译类对象通过OTcl 连接建立了与之对应的解释类对象，这样用户间能够方便地对C++对象的函数进行修改与配置，充分体现了仿真器的一致性和灵活性。

2、NS2的功能模块

NS2仿真器封装了许多功能模块，最基本的是节点、链路、代理、数据包格式等等，下面分别来介绍一下各个模块。

⑴事件调度器：目前NS2提供了四种具有不同数据结构的调度器，分别是链表、堆、日历表和实时调度器。

（2）节点（node ）:是由TclObject 对象组成的复合组件，在NS2中可以表示端节点和路由器。

（3）链路（link ）:由多个组件复合而成，用来连接网络节点。所有的链路都是以队列的形式来管理分组的到达、离开和丢弃。

（4）理（agent ）:负责网络层分组的产生和接收，也可以用在各个层次的协议实现中。每个agent 连接到一个网络节点上，由该节点给它分配一个端口号。

（5）（packet ）:由头部和数据两部分组成。一般情况下，packet 只有头部、没有数据部分。

3、NS2的软件构成

NS2包含Tcl/Tk,OTcl,NS，Tclcl 。其中Tcl 是一个开放脚本语言，用来对NS2进行编程；Tk 是Tcl 的图形界面开发工具，可帮助用户在图形环境下开发图形界面；OTcl 是基于Tcl/Tk的面向对象扩展，有自己的类层次结构；NS2为本软件包的核心，是面向对象的仿真器，用C++编写，以OTcl 解释器作为前端；Tclcl 则提供NSh 和OTcl 的接口，使对象和变量出现在两种语言中。为了直观的观察和分析仿真结果，NS2 提供了可选的Xgraphy 、可选件Nam 。

4、NS 现有的仿真元素

从网络拓扑仿真、协议仿真和通信量仿真等方面介绍NS 的相应元素：

⑴网络拓扑主要包括节点、链路。NS 的节点由一系列的分类器（Classifier ，如地址分类器等）组成，而链路由一系列的连接器（Connector ）组成。

⑵在节点上，配置不同的代理可以实现相应的协议或其它模型仿真。如NS 的TCP 代理，发送代理有：TCP ，TCP/Reno，TCP/Vegas，TCP/Sack1，TCP/FACK，TCP/FULLTCP等，接收代理有：TCPSINK ，TCPSINK/DELACK。TCPSINK/SACK1，

TCPSINK/SACK1/DELACK等。此外，还提供有UDP 代理及接收代理Null （负责通信量接收）、Loss Monitor（通信量接收并维护一些接收数据的统计）。

⑶网络的路由配置通过对节点附加路由协议而实现。NS 中有三种单播路由策略：静态、会话、动态。

⑷在链路上，可以配置带宽、时延和丢弃模型。NS 支持：Drop-tail(FIFO)队列、RED 缓冲管、CBO （包括优先权和Round-robin 调度）。各种公平队列包括：FQ ，SFQ ，DRR 等。

⑸通信量仿真方面，NS 提供了许多通信应用，如FTP ，它产生较大的峰值数据传输；Telnet 则根据相应文件随机选取传输数据的大小。此外，NS 提供了四种类型的通信量产生器：①EXPOO ，根据指数分布（On/Off）产生通信量，在On 阶段分组以固定速率发送，Off 阶段不发送分组，On/Off的分布符合指数分布，分组尺寸固定；②POO ，根据Pareto 分布（On/Off）产生通信量，它能用来产生长范围相关的急剧通信量；③CBR ，以确定的速率产生通信量，分组尺寸固定，可在分组间隔之间产生随机抖动；④Traffic Trace，根据追踪文件产生通信量。

2.6 NS-2在不同环境下的安装

NS2的安装方式有：Windows 下安装NS2，但需要VC 环境，而且要手工安装每一个包，比较繁琐，不常使用；allinone 安装，也就是 all in one ，把所有的包都放到了一起，只要执行install 就可以一步到底，需要Linux 环境，这种方式比较常用，主要有3种方法。

① RedHat下的allinone 安装

最早使用NS2时是这种方式，安装和使用时比较麻烦，Linux 下操作界面的友好程度远不如Windows 的好，但是仿真的运行效率很高。Linux 系统提供的gcc 编译器也很方便使用，这种方式比较适合于C++层的功能扩展。

② 虚拟机下的allinone 安装通过虚拟机安装Linux 环境，通常是VMware 和Virtual PC这两款。装完虚拟机后，在上面安装一个Linux 的操作系统，再利用第一种方法安装NS2。这种方法的最大特点是非常占系统资源，尤其是内存资源，如果系统配置不高，不建议使用这个方法。

③ Windows+Cygwin+allinone安装

RedHat下的allinone 安装需要专门安装操作系统，Cygwin 是一种虚拟平台，在Windows 上虚拟Linux 环境，可以为用户提供一种Linux 命令行界面，这对于使用NS2来说已经足够了。安装完成Cygwin 后，可以直接安装allinone 版本。这种方式结合了Window 的友好操作界面（很多操作不需要在虚拟系统上操作，在Windows 下就可以直接完成）和Linux 的gcc 环境，但执行效率比较低。

2.1 激光打靶系统概述

激光打靶系统[1-3]的工作原理是采用激光脉冲来模拟枪弹的射击，该系统一般包括激光发射部分、激光信号检测模块、打靶成绩处理和显示部分。如图2-1所示，当射手瞄准完毕扣动扳机时，半导体激光器会发出激光脉冲，射向目标上的光电探测器，如果击中目标，则激光脉冲被光电探测器接收并转换为电信号，经电路处理能识别射击的弹着点，信号经处理编码后传输到计算机。

图2-1 激光打靶系统原理图

半导体激光器[4,5]一般平行地安装在武器装备的枪管、炮管或导弹发射架上，它可以发射一束与武器射击方向一致的激光脉冲。目前的激光器一般都采用半导体激光器，因为这种激光器的输出功率低，不会伤害眼睛，而且效率高、功耗小，不但可以摆脱大而重的电源设备，激光器本身也可以制作得很小、很轻。光电探测器[6]具有射击靶的形状，可以是点探测器和面探测器，通常数量较多，构成多个信号检测通路。根据光电探测器的响应位置来判断激光射击击中的靶位。

激光打靶采用以光代弹的形式进行射击训练，是激光武器模拟器中最常见的一种。最初的激光打靶系统只能进行瞄准射击训练，随着计算机和微处理器技术的发展，其用途扩大到可进行多种武器的模拟训练。随着研究和探索的深入，激光打靶系统的功能将进一步完善，能够更接近于武器装备在实际使用中的表现，

增强真实感。同时，通过与电子技术相结合，进一步提高激光模拟的自动化、智能化水平。

激光武器模拟器有以下几个方面的发展趋势：

（1）可以模拟的武器越来越多，激光武器模拟器正朝着系列化、组件化的方向发展，一个基本的激光射击模拟器只要稍加改动就可适用于其他武器系统。系列化、组件化的好处是便于使用、更换和维修，同时价格也便宜。

（2）从激光射击模拟器向激光交战模拟器发展，先进的激光交战模拟器能使坦克、战斗车辆、反坦克武器等有机的结合在一起进行训练，每部兵器既是攻击者，又是被攻击者，完全模仿实战中的作战环境，不仅能提高战士使用武器的技能，还可以教会他们如何在战争中保护自己。

（3）采用各种新技术增加模拟的逼真性，例如用计算机来记录、控制整个训练演习的进程，评定战士在演习中的表现等。

2.2 本设计方案思路

本设计以实现信号的良好检测和数据转换、传输为主要目的；以信号检测，信号编码和数据传输为主要设计内容。

在信号检测方面设计单脉冲小信号的放大电路和信号整形电路；在信号编码方面，要解决多路信号的编码问题，还要考虑到编码的优先选择问题；在脱靶问题的处理方法上，对打靶和信号采集传送进行同步化处理（详见第二章的硬件设计部分），把脱靶的情况与中靶的情况归为一类处理；数据传输采用UART 串口通信。

2.3 研发方向和技术关键

（1）合理划分激光靶的光电探测器，提高系统的精度；

（2）单脉冲小信号的放大和整形；

（3）多路优先编码器的扩展；

（4）与微机进行数据传输，方便成绩的统计、保存、显示和查询。

2.4 主要技术指标

（1）激光脉宽： 大于1ms

（2）激光脉冲响应幅度：约10 mv

（3）打靶距离： 30米

（4）串行输出帧格式： 射击次数 ＋ 所击中的光电探测器的编号

3 总体设计

激光打靶系统是一种集光、电于一体的系统，其工作原理是激光枪发出的激光束，打到光电传感器上，经光电传感器将光信号转换为电信号，电信号经过信号处理后由单片机发送到计算机的串行口，然后在计算机上完成成绩显示、查询和保存等功能。

激光打靶系统结构的组成框图如图3-1所示。该系统包括半导体激光枪、模块式探测器、数字信号处理和发送电路、计算机数据处理程序等四部分。

图3-1 系统总体结构框图

3.1 激光的检测[7,8]

每次打靶，激光枪发出一个激光脉冲。如果激光脉冲击中光电靶，利用光生伏特效应，光电靶上的探测器把光信号转换成电信号，因此激光的检测就是对探测器响应电信号的检测。光电探测器的响应是一个单脉冲小信号，整个检测过程包括：信号放大、波形整形，检测输出是标准的脉冲数字信号。

3.2 靶位的划分

把一个激光靶划分为38块探测器，中心10环为一块探测器；9.8.7.6环分别有8块探测器；5环有5块探测器。根据不同靶位上的探测器来判断所击中的位置，包括环数：10.9.8.7.6.5；偏离方向：上. 下

. 左. 右. 左上. 左下. 右上. 右下。

若信号击中两块或四块探测器的交界，则只取其中一块为有效，记为有效的探测器满足以下条件：

（1）环数高；

（2）偏离方向为斜向（例如：上和右上两方向，选择右上）。

根据上述要求，以及硬件电路设计的需要，对不同的探测器进行编码，见图3-2（右）。

图3-2 靶位划分与编号

3.3 编码标准

对38路信号按以上原则编码，编码结果如表3-1。若脱靶无信号则记为0号。编码后，每一个号码对应了每一个探测器的位置信息，包括环数和偏移方向。对信号击中两块或四块探测器的交界的情况, 只需取码号大的探测器为有效。这样，打靶的结果在硬件电路上的实现便可由40－6线优先编码器完成。

3.4 成绩的传送和处理

信号经编码后发送到计算机，由计算机进行译码，在计算机上模拟显示出射击位置，对一组结果进行统计（包括环数和方向偏移），并进行储存。

3.5 其他说明

系统分为硬件部分和软件部分。本论文主要设计制作硬件部分以及与微机的通讯的2051单片机程序。微机软件部分，包括数据的处理和显示等有另外一名毕业设计同学实现。

4 硬件设计

4.1 信号放大电路

在光电探测系统中，探测器输出的电信号非常微弱，一般为毫伏级。为记录每一次打靶的结果，信号放大与处理电路是打靶系统中不可或缺的。在探测器上直接进行信号处理十分困难，一种常用的解决办法是在探测器后接前置放大器，用来放大探测器的输出信号，然后成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，和较好的抗噪声能力。

在激光打靶系统中，对光电池产生的脉冲信号的具体大小值要求不高，只需检测出有效的脉冲信号，因此可选用集成运放来组成运算放大电路。

通过测试，得到光电探测器对的激光脉冲的响应幅度典型值约为5mv ，若激光击中在两块或多块探测器边界处，则任何一块光电探测器的响应幅度会减少，因此所检测的脉冲幅度范围大约是3～5mv 。为使每块光电探测器均能检测出信号，使之达到TTL 电平要求，实现信号检测，必须对信号放大约1000倍。单级运放难以达到这么高的放大倍数，因此采用二级运放进行放大，第一级为前置放大器。为减少前级放大器的偏移对后级放大器的影响，设计其放大倍数A 1=100；从而次级放大器的放大倍数A 2=10。

4.1.1 集成运算放大器（LM324）

集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件[9]，早期主要用来实现对模拟量进行数学运算的功能，目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件，应用范围非常广泛。

从电特性来看，集成运放接近理想的电压放大器件，它不仅有很大的输入电阻和很小的输出电阻，而且还有很高的电压增益，此外，静态工作时，它的输入和输出电位均为零，这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑它们之间的电平配置问题。

LM324 是四通道的低功耗运算放大器，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，其性能参数有以下几个方面：

（1）单电源工作方式，工作电平3V ～ 30V

（2）低消耗电流：约0.8 mA

（3）低输入偏移：输入电压偏移：3 mv （Typ ）；输入电流偏移：2 nA （Typ ）

（4）开环增益：100V/mv ＝ 100 dB （Typ ）

（5）宽响应频带

图4-1 LM324内部结构

4.1.2 放大电路图

图4-2 运算放大器电路图

放大器电路如图4-2所示。它由两级结构相同的同相放大器组成，集成放大器选用LM324（图4-1）。信号经隔直流电容C1从第一级放大器的正端“＋”输入，经过放大后输出，再经过级间耦合电容C2输入第二级放大器的正端。前级的放大倍数A 1=R 2R 1=100，后级的放大倍数A 2=R 6R 5=10，R 3和R 7为输入匹配电阻。

4.1.3 电路原理

（1）同相放大器[10]（图4-3）

集成运放是一种十分理想的增益器件，性能好，使用方便。该电路采用2级放大器级联，每级的放大器均采用同相放大。

由集成运放构成的同相放大器，其特点是输入信号加在同相输入端，而反馈信号加在反相端。根据理想化条件，由于v +=v s ，因而v -≈v s 。根据i →0（虚断），v -又是v 0在R 1上的分压值，即:

v -=v o

因而，放大器的增益： R 1 (4-1) R 1+R f

A Vf =R f v o R 1+R f (4-2) ==1+v S R 1R 1

A Vf >0，所以 v o 与v S 同相。

图4-3 同相放大器

（2）外围电路

光电传感器对外部光线也有响应，因此必须滤除这种干扰。由于背景光线是持续信号，其响应主要是直流量，在第一级放大器输入端的前面设计接入一个1uf 电容C1起到隔离直流作用，能起到很好的效果。第二级的1uf 电容C2用于两级放大器的耦合。

第一级放大器输入端和地之间接R3；第二级放大器输入端和地之间接R7。使得:

⎧R 3≈R 1//R 2 (4-3) ⎨⎩R 7≈R 5//R 6

这样，运放的正、负输入端对地的等效电阻相等，从而降低运放的电压偏移。

4.1.4 电路参数

（1） 输入脉冲幅度： U i ≈3~5mv

（2） 输入电阻： R i ≈10k Ω

（3） 输出电阻： R o ≈1k Ω

（4） 放大倍数： A =A 1⋅A 2≈10⨯100=1000

（5） 放大器级数： 两级，前级A 1≈100；后级A 2≈10

（6） 耦合方法： 电容耦合

4.2 整形电路[11]

光电池的输出脉冲并不是规则的矩形脉冲信号，而是类似升余弦信号。再经放大后也会产生失真，因此必须对信号进行整形。采用常用的CD4093 施密特触发器便可实现整形功能，改善脉冲波形，确保后续编码器的正常编码。

施密特触发器不仅可以进行波形整形，它的迟滞特性还可以有效地克服噪声

和干扰的影响，只要噪声和干扰的大小处在迟滞宽度内，就不会有错误的输出。施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到阈值电压时，电路状态发生转换，通过电路内部的正反馈过程使得输出电压的波形的边沿变得很陡峭。利用施密特触发器可以实现有效脉冲的识别见图4-5。

图4-4 施密特触发器的电压传输特性 （a ）同相输出； （b ）反相输出

图4-5 利用施密特触发器实现有效脉冲的识别

4.3 编码电路[11]

对于38路信号通道，必须对其进行编码以便于信号识别和传输。38路信号按照设计方案编码为1－38号，脱靶无信号记为0号。对多个探测器同时接收到信号的情况，对应于探测器的码号就是取码号大的探测器为有效，采用优先编码器便可实现编码的优先选择。

商用的单个优先编码器的编码输入最多只有8路，要构成更多路的优先编码器，可以采用6片8－3优先编码器进行扩展为40－6优先编码器。

4.3.1 编码电路图

图4-6 40-6优先编码器电路图

4.3.2 电路原理

（1）优先编码器（74HC148）

8－3线优先编码器的功能表如图3-7。待编码的8条输入线 I 7~I 0采用8中取1码，逻辑0有效，编码后的输出A 2A 1A 0 用反码表示。可以看出，编码器是以输入为0的最高优先编码的，而低位若同时输入0，则是无意义的。此外，电路还设有选通输入，即使能端EI ，它也是逻辑0有效；输出还设有允许输出端Eo 及允许扩展端Gs ，利用它们可判断出A 2A 1A 0是否有效，以及是否允许扩展编码。 根据真值表，写出编码器的逻辑表达式如下：

A 2=EI ⋅I 7+EI ⋅I 7⋅I 6+EI ⋅I 7⋅I 6⋅I 5+EI ⋅I 7⋅I 6⋅I 5⋅I 4

=EI (I 7+I 7I 6+I 7I 6I 5+I 7I 6I 5I 4)

=EI (I 7+I 6+I 5+I 4) (4-3)

故： A 2=EI (I 7+I 6+I 5+I 4) (4-4) 同理： A 1=EI (I 7+I 6+I 5I 4I 3+I 5I 4I 2) (4-5)

A 0=EI (I 7+I 6I +I 6I 4I 3+I 6I 4I 2I 1) (4-6)

而允许输出为： Eo E 0=EI ⋅I 7I 6I 5I 4I 3I 2I 1I 0 (4-7) 允许扩展端是： Gs =EI +EI ⋅I 7I 6I 5I 4I 3I 2I 1I 0=EI ⋅Eo (4-8)

图4-7 8-3 线优先编码器真值表（74HC148）

（2）8-3线优先编码器扩展为40-6线优先编码器（图4-6）

5片74HC148并排用作输入，其输入从低位片到高位片排列为I 0 ～I 39。每一个高位片的输出允许端Eo 接其相对低位片的使能端EI 。这样，当总使能EI ＝0时，允许电路进行编码工作，若高位片的诸输入中有一个为0时，该片的Eo ＝1，Gs ＝0，这样就禁止了低位片的编码，以此类推，5片74HC148的输入端编码便具有了优先性。

5片74HC148的允许扩展端Gs 按低位片至高位片的顺序分别接到第六片74HC148的I 0、I 1、I 2、I 3、I 4输入端，而I 5、I 6、I 7端则接高电平（表示无输入）。这样第六片74HC148的三位输出便表示整个40-6线优先编码器的高三位A 5、

A 4、A 3。而40-6线优先编码器的低三位输出A 2、A 1、A 0与前5片74HC148的输

出端一致。

由于74HC148的输出端不是三态门，不能直接连接在一起。而把5片74HC148的同名输出端接到74LS30（8输入的与非门）取与非便可以解决这个问题。同时输出取反，输出为逻辑1有效。为使高三位输出与低三位输出一致，用CD4049反相器对高三位取反。

40-6线优先编码器的六个输出均为逻辑1有效，可以接到后续的2051单片机进行串行传输。

4.4 串行传送

为实现将编码器输出的6位并行信号串行传送，同时实现数据发送和打靶射击的同步性。采用89C2051单片机便可实现要求。 4.4.1 单片机及外围电路图

图4-8 2051单片机及其外围电路图

4.4.2 电路原理

（1）编码器的输出通过2051 P1口的低6位（高2位接地为逻辑0）输入。 （2）选用11.0592 MHz的晶振构成单片机的时钟，这样在串口工作方式1下可得到准确的9600bps 的串行波特率，方便计算机的接收。

（3）单片机接有复位开关按钮。

（4）实现打靶和信号采集传送的同步化。

由于采用单片机的外部中断0（INT 0）作为数据串行传送的使能端，且INT 0设为下降的跳变沿有效。使能开关（激光枪的开关）一端接地，另一端接INT 0，又经上拉电阻接到电源，这样当开关按下时，便有下降沿的跳变信号输入INT 0，产生中断。

同时，开关又要同步控制激光枪的发射。因此开关又接激光头的负端，从而控制激光头负端的接地，只有当开关按下时，激光头两端才有工作电压。

这样，同一个开关既控制单片机的中断，又同时控制激光枪的发射，从而达到打靶和信号采集传送这两个“动作”的同步化。 4.4.3 AT89C2051单片机[12]

AT89C2051单片机是AT89C51的简化型号，其指令系统和内部RAM 均与AT89C51相同。不同的是它的内部ROM 为2k ，而89C51为4k ，而且2051比89C51少了P0和P2输入/输出口以及外部ROM 、RAM 的扩展端，因此在引脚上2051只有20个脚。AT89C2051单片机主要适用于较为简单的微控制系统。在本系统中，用到AT89C2051的6个外部I/O口，一个外部中断和串行输出口。

图4-9 2051信号引脚图

4.5 电平转换

在不同的数字系统中，其电平标准是不同的。该系统中就包括了TTL 电平标准和RS-232电平标准，要实现两个标准的正常通信，必须进行电平转换。该系统采用使用简单的MAX232CPE 芯片。

一片MAX232CPE 芯片可完成2路TTL/CMOS ～ RS-232的电平转换和2路RS-232 ～ TTL/CMOS的电平转换。实际电路中只有一路单片机的TXD 串口输出，不进行RXD 串口输入。因此，选用引脚11接2051 TXD串口输出；而对应的14脚则接到计算机的串口输入端。

图4-10 MAX232CPE芯片内部结构

5 软件设计

5.1 总体方案

该系统的信号检测与数据传送部分，涉及的软件部分较少。主要是2051单片机数据串行通信及通信协议的程序设计。

对于2051的程序设计[12]，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用Keil 7.02b 。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C 语言编译。同时具有完善的调试功能。

5.2 程序流图

图5-1 串行发送流程图

5.3 模块说明

（1）主程序：

MAIN :

MOV SP,#0X60 ；堆栈初始化 CALL INIT ；各寄存器参数设置 MOV 40H,#0x01 ；打靶次数置1 AJMP $ ；等待中断 （2）初始化程序：

INIT :

MOV TMOD,#0X21；波特率发生器 MOV TL1,#0XFD ；波特率 9600bps MOV TH1,#0XFD

CLR ET1 ；禁止timer1

SETB PT1 ；时钟1 优先级:高 MOV SCON,#0x40；串口工作模式1,SM2=0,REN=0 MOV PCON,#0 ；波特率 9600bps SETB EA ；中断允许 CLR PS ；关闭串口中断 CLR ES ；串口优先级:低

SETB EX0 ；开外部中断INT0 SETB IT0 ；下降沿有效 CLR PX0 ；INT0 优先级:低 SETB TR1 ；时钟1 开始计数 RET

（3）中断服务程序：

_INT0: ；ISR 中断服务程序 NOP

CALL DELAY_2MS ；同步延时 MOV P1,#0xff ；读P1口前先置1 MOV A,P1 ；读P1口 CALL INT0_SEND RET

（4）数据帧传送子程序：

表5-1 数据帧格式

例：30 02 15 17 (十六进制)

表示第二次打靶，击中第21号（对应环数：7环 偏移方向：右上）。

INT0_SEND: ；数据帧传送子程序 PUSH ACC ；保护ACC CLR A

ADD A,#0X30

CALL UART_SEND ；发送标志位 MOV A,40H

CALL UART_SEND ；发送打靶次数 POP ACC

CALL UART_SEND ；发送打靶成绩 ADD A,#0X30 ADD A,0040H

CALL UART_SEND ；发送校验位 INC 0040H ；打靶次数累加1 CALL DELAY_200MS；延时200ms CLR EX0 ；关外部中断

CLR IE0 ；清 INT0 外部中断请求标志位――防止外部中断寄存而引起多次中断。

SETB EX0 ；开中断 RETI （5）串行发送字节

UART_SEND: ；串行发送一个字节 MOV SBUF,A

JNB TI,$ ；等待发送完毕 CLR TI ； RET （6）定时程序：

DELAY_2MS: ；用定时器延时2ms MOV R7,#21;21 DLY1:MOV R6,#42 DLY2:DJNZ R6,DLY2 DJNZ R7,DLY1 RET

DELAY_10MS: ；调用DELAY_2MS，实现延时10ms

MOV R5,#5

DL Y: CALL DELAY_2MS DJNZ R5,DLY RET

6 制作与调试

6.1 硬件电路的布线与焊接

6.1.1 总体特点

该系统所涉及的各部分硬件电路，总体的特点是： （1）电路原理简单，所用的器件均为常用器件。

（2）由于路数较多（38路），电路的规模较大，因此在制作中只做了8路。 因此，应合理布线，以降低焊接难度，降低出错率，同时防止干扰。 6.1.2 电路划分

为方便焊接与调试，把电路划分为两大块：

（1）探测器接收，放大电路和整形电路为一块电路板； （2）编码器、2051单片机和控制开关为一块电路板； 6.1.3 焊接

焊接前应熟悉各芯片的引脚，焊接时参照电路图，仔细地连接引脚。按照以下原则进行焊接：

（1）先焊接各芯片的电源线和地线，这样确保各芯片有正确的工作电压； （2）同类的芯片应顺序焊接，在一片焊接并检查好之后，其他的同类芯片便可以参照第一片进行焊接。这样便可大大节省时间，也可降低出错率。

6.2 调试

（1）在40－6线优先编码器，由于没有详细阅读优先编码器的真值表，我认为优先编码器为低位优先，因此所设计的编码标准（取小号有效）不符合标准。不过发现错误后，对硬件电路无需修改，只要修改编码标准为取大号有效，便可以解决问题。

（2）由于光电池的响应信号经放大、编码，到达单片机P1口时有一定的延时，为使单片机准确地通过外部中断进行有效数据的采集，应知道延时的大概范围。编写单片机程序时，编写了一个延时2ms 的子程序，可以调用进行一定的延时，通过延时时间不同的程序进行多次烧录并进行调试，然后比较所得的不同结果，这样便可以大概知道要采集正确的数所需的延时时间（最后程序采用的延时时间为2ms ）。

（3）电路中同时控制激光发射和单片机外部中断的开关为普通的按钮开关，因此在按下和弹起都有颤动，这样会引起单片机外部中断的多次响应，使一次“射击动作”引起多次响应，单片机输出多个值。通常的消颤方法有两种：硬消颤和软消颤。硬消颤指通过硬件上的消颤电路使开关的一次动作只能产生一个脉冲跳

变；而软消颤主要通过延时或对响应的屏蔽来实现。在该设计中采用较为简便的软消颤，具体的方案见第五章。

7 结论

本设计方案达到了任务书的要求，实现了激光信号的检测、编码和串行传输，实现了较为完整的激光打靶系统的信号处理：

（1）前端放大器的放大倍数适中，放大后，有效电压脉冲的幅度达到施密特触发器的上门限电压，背景干扰信号没有引起电路的误响应；

（2）经过调试，实现40－6优先编码器的扩展，编码值输出符合真值表，编码有效脉冲下降沿的波形正常；

（3）由开关按钮（模拟激光枪的扳机）控制的编码采集和串行传送也调试实现（通过与计算机的串口相连，用“串口调试程序”调试）；

（4）信号处理电路通过串口连接到计算机，应用张雪荣同学设计的“激光打靶成绩统计”软件进行总体调试，实现对打靶成绩的显示统计和储存。

由于时间、水平和经验有限，在信号的放大、编码及抗干扰等方面仍有不足之处，有改进的余地，比如电路规模的精简，其他的光干扰处理。另外在系统的调试方面，由于时间和设备的原因，只进行了短距离的调试，有待进一步的调试。

这次毕业设计对于我来说，既是一次机遇，又是一次挑战。通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，通过自己的实践，增强了动手能力。通过实际工程的设计也使我了解到书本知识和实际应用的差别。在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。

致谢

感谢我的指导老师仇建老师，够顺利完成毕业设计，离不开他的悉心指导，他对我的设计从确定题目、修改直到完成，给予了我许多的指点和帮助。感谢他在繁忙的工作之余，挤出时间对设计提出精辟的修改意见。在此，向仇老师致以最诚挚的谢意。

感谢林炳同学，在我前期学习omnet 的过程中给了我很大的帮助，正是他一次有一次的讲解，让我更快的掌握了omnet 的应用。

我也要感谢学校所有教育过我的老师！你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本设计的基础。

最后，我想要感谢的是这个伟大的校园：师者激情演讲、人文气息的熏陶、同学们风华正茂，条条绿荫、处处泛香。我明白，正是在他那温润宽厚的胸怀上，我成长起来的，我心我思永系长大。

参考文献

[2] 孙利民. 无线传感网络. [M] 北京 清华大学出版社，2005

[3] 曾鹏，智能无线传感网络系统[M]．北京：科学出版社，2006

[4] 李善仓，无线传感网络原理与应用[M]． 北京：机械工业出版社，2008

[5] 崔逊学．无线传感器网络的领域应用与设计技术[J]．北京 国防工业出版社, 2004

[6] 陈林星. 无线传感器网络技术与应用[J]．电子工业出版社，2009

[7] 左从菊. 无线传感器网络简明教程[J].北京 清华大学出版社，2003

[8] （德）卡勒，维里西 著，邱天爽 等译. 无线传感器网络协议与体系结构[J].电子工业出版社，2007

[9] Sensor Webs. http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/.

[10]Shih E, Cho S, Ickes N, Min R, Sinha A, Wang A, Chandrakasan A. Physical layer driven protocol and algorithm design for energy-efficient wireless sensor networks. In: Proceedings of the ACM MobiCom 2001. Rome: ACM Press, 2001. 272~286.

[11]Akyildiz I.F, Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E. Wireless sensor network:

A survey. Computer Networks, 2002,38(4): 393~422. [1] 林玉池. 现代传感技术与系统. [M] 北京 机械工业出版社

[12] Asada G, Dong M, Lin TS, Newberg F, Pottie G, Kaiser WJ, Marcy HO. Wireless integrated network sensors (WINS) for tactical information systems.

附录

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