基于环境监测的无线传感器网络节点管理器的硬件设计与实现

论文摘要

随着计算机技术、通信技术、嵌入式技术、传感器技术的飞速发展,应用于环境监测,公共安全,医疗及军事领域的无线传感器网络（WSN）已经成为21世纪的一个新的研究热点。本文提出了一种基于Zigbee协议,应用于环境监测领域的无线传感器网络系统体系结构,包括若干采集节点,一个节点管理器以及远程数据终端。传感器采集节点将传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上,并将其大量部署在野外监测区域,采集多种环境参数,包括环境温度、湿度、风速、风向、雨量等信息,最终将采集数据路由至节点管理器。节点管理器负责建立Zigbee网络,管理采集节点,存储及转发数据并向采集节点下达数据终端的命令。客户数据终端为一台具有固定IP地址的PC机,其安装有系统运行软件、数据库。用户可通过数据终端对所有节点进行管理和配置,查询采集信息及网络拓扑结构,下发任务。本文着重研究了无线传感器网络节点管理器的硬件设计,其包括电源模块,处理器模块,无线通信模块以及存储与显示模块。电源模块基于无线传感器网络低功耗的要求对系统的能量进行管理与分配,设计太阳能充电电路保证系统长期稳定运行。节点管理器以ARM-LPC2148芯片为核心处理器,实现数据处理与命令解析、各模块控制等功能。通信模块实现Zigbee技术,GSM技术及以太网技术,CC2531子模块负责与底层采集节点通信,同时GSM模块与以太网模块可以短信、GPRS及Internet等方式与远程数据终端进行通信。最后,实时的监测实验证明本系统稳定有效。本文提出的传感器网络的体系结构与设计方案为今后的进一步研究与应用提供了一定的实用参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的应用及发展概况
• 1.3.1 无线传感器网络的应用
• 1.3.2 Zigbee 技术
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 本人工作及论文组织结构
• 第二章 环境监测系统无线传感器网络节点管理器的总体设计
• 2.1 环境监测系统无线传感器网络的总体设计原则及设计方案
• 2.1.1 总体设计原则
• 2.1.2 系统工作原理及结构
• 2.2 节点管理器的总体设计
• 2.2.1 节点管理器设计的必要性
• 2.2.2 节点管理器的功能
• 2.2.3 节点管理器的总体结构及功能指标
• 2.2.4 传感器网络协议栈系统实现
• 2.2.5 传感器网络实现及建立过程
• 2.3 本章小结
• 第三章 节点管理器的硬件设计与实现
• 3.1 节点管理器各功能设计论证及主要器件选型
• 3.1.1 处理器模块设计及选型
• 3.1.2 Zigbee 网络建立及相关器件选型
• 3.1.3 远程无线通信设计及相关器件选型
• 3.1.4 远程有线通信设计及相关器件选型
• 3.1.5 现场配置与检测设计
• 3.1.6 数据存储设计及相关器件选型
• 3.1.7 能量供应与管理
• 3.2 节点管理器硬件总体实现
• 3.3 电源模块电路实现
• 3.3.1 太阳能充电电路
• 3.3.2 双电源切换电路
• 3.3.3 开关电源
• 3.3.4 其他电源网络
• 3.4 处理器模块电路实现
• 3.4.1 电源与复位电路
• 3.4.2 系统时钟电路
• 3.4.3 JTAG 仿真接口
• 3.4.4 USB 总线接口
• 3.4.5 I/O 引脚配置及扩展接口
• 3.5 通信模块电路实现
• 3.5.1 CC2531 子模块电路实现
• 3.5.2 GSM 模块电路实现
• 3.5.3 以太网模块电路实现
• 3.6 存储与显示模块电路实现
• 3.7 电源及地网络划分
• 3.8 本章小结
• 第四章 节点管理器功能调试及分析
• 4.1 电源网络调试
• 4.2 系统开发环境搭建
• 4.3 LPC2148 系统实现及操作系统移植
• 4.3.1 复位电路及JTAG 调试
• 4.3.2 LPC2148 系统配置
• 4.3.3 嵌入式操作系统移植
• 4.4 GSM 模块功能调试
• 4.4.1 SIM300C 模块启动与入网
• 4.4.2 UART1 接口通信及AT 指令实现
• 4.5 SD 存储卡初始化及文件系统实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统参数测试及实验
• 5.1 节点管理实际功耗测试
• 5.2 CC2531 模块通信距离测试
• 5.3 系统实验
• 5.3.1 传感器采集节点
• 5.3.2 实验平台搭建
• 5.3.3 系统工作流程
• 5.3.4 实验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本人工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果