基于TinyOS系统的IEEE 802.15.4MAC协议的实现及关键技术研究

论文摘要

随着传感器技术、无线通信技术和嵌入式计算机技术的迅速发展,无线传感器网络已经逐步成为当前无线网络界关注的新兴前沿科技研究热点之一,在众多领域具有十分广阔的应用前景。IEEE 802.15.4作为一种专为低速率无线个人区域网络而设计的短距离无线通信标准,制定了物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)规范,为无线传感器网络提供了一种很好的解决方案。由于现行的IEEE 802.15.4研究环境大多是以各个芯片厂商提供的非开源函数库为平台,研究者很难了解其协议细节以及工作流程。为此,加州大学伯克利分校提出了无线传感器网络的开发性研究计划,并设计了无线传感器网络的硬件平台、操作系统TinyOS以及网络协议。同时,随着无线传感器节点向小型化、低成本方向的发展,芯片厂商开始提供基于SoC技术的IEEE 802.15.4射频芯片,如文中选用的CC2430芯片,集2.4GHz射频与增强型8051内核于一体,但由于MCU 8051的体系结构限制,导致TinyOS系统不能运行于该平台。本文首先在深入研究无线传感器网络体系结构和IEEE 802.15.4标准协议的基础上,设计了基于CC2430芯片的无线传感器硬件研究平台,继而在该平台上移植了TinyOS操作系统,为后续协议研究建立了开发环境。然后,根据TinyOS和IEEE 802.15.4的体系结构与工作机制,设计了IEEE 802.15.4在TinyOS上实现的框架,以及按照模块化设计的思路实现了底层系统软件、物理层与MAC子层的协议。最后,测试本课题实现的协议栈,并与非开源协议栈性能进行比较。基于TinyOS系统的IEEE 802.15.4协议栈的实现,有助于研究者在开源环境下研究适用于CC2430的IEEE 802.15.4协议栈,摆脱芯片厂商协议栈库的束缚,为后续高层协议和应用程序的开发提供平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 本文主要工作和内容安排
• 第二章 无线传感器网络介绍
• 2.1 无线传感器网络
• 2.1.1 传感器网络体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络特点
• 2.2 基于IEEE 802.15.4 的无线传感器网络
• 2.2.1 IEEE 802.15.4 概述
• 2.2.2 IEEE 802.15.4 网络拓扑
• 2.2.3 IEEE 802.15.4 体系结构
• 2.3 IEEE 802.15.4 协议栈分析
• 2.3.1 物理层
• 2.3.2 MAC 子层
• 第三章 无线传感器网络硬件平台设计
• 3.1 无线传感器网络硬件平台设计指标
• 3.2 无线传感器网络硬件选型
• 3.3 无线传感器网络硬件平台电路设计
• 3.3.1 CC2430 电路设计
• 3.3.2 UART/USB 接口电路
• 3.3.3 传感器电路
• 3.3.4 电源电路
• 3.4 无线传感器网络硬件平台PCB 设计
• 3.4.1 倒F 天线实现
• 3.4.2 微带巴伦实现
• 3.4.3 硬件PCB 布局
• 3.4.4 层堆栈设置
• 3.4.5 硬件PCB 布线
• 3.5 无线传感器硬件平台实物
• 第四章 TinyOS 在基于8051 内核的CC2430 上的移植
• 4.1 无线传感器网络操作系统TinyOS
• 4.1.1 TinyOS 特点
• 4.1.2 TinyOS 调度机制
• 4.2 TinyOS 在CC2430 上的移植
• 4.2.1 开发环境及工具链
• 4.2.2 TinyOS 的修改
• 4.2.3 定制硬件抽象层
• 4.3 系统移植测试
• 4.3.1 开发环境测试
• 4.3.2 硬件节点与PC 串行通信测试
• 4.3.3 CC2430 射频收发测试
• 第五章 IEEE 802.15.4 MAC 协议的实现
• 5.1 IEEE 802.15.4 在TinyOS 上实现的构架设计
• 5.1.1 系统构架设计
• 5.1.2 协议栈实现方案
• 5.2 底层系统软件设计
• 5.2.1 定时模块
• 5.2.2 调试模块
• 5.2.3 随机数发生器
• 5.3 物理层协议的实现
• 5.3.1 物理层帧结构
• 5.3.2 物理层实现
• 5.4 MAC 子层协议的实现
• 5.4.1 MAC 层帧结构
• 5.4.2 核心MAC 层
• 5.4.3 核心MAC 虚拟层
• 5.4.4 MAC 命令控制层
• 第六章 IEEE 802.15.4 协议栈测试与性能分析
• 6.1 协议栈测试
• 6.1.1 测试环境
• 6.1.2 测试过程及结果
• 6.2 性能分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献