2.4GHz无线传感器网络节点通信模块的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络(WSN)是当前信息技术领域的一个热点研究方向,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,是一种全新的信息获取、处理和传输技术,在军事、工业和人们的日常生活等领域具有广阔的应用前景和巨大的应用价值。传感器节点是构建无线传感器网络的基础平台,是一个具有信号采集、数据处理、无线通信等功能的微型嵌入式系统。用基于单片无线收发器的通信模块来实现无线传感器网络节点之间的数据传输,是一种比较理想的解决方案。针对基于单片无线收发器的通信模块的设计与实现问题,本文做了以下工作:1.在对业界相关领域的发展现状进行充分调研的基础上,本文提出了一种基于2.4GHz单片无线收发器nRF24L01和2.4GHz射频功率放大器UP2206的传感器节点通信模块的设计方案。该方案包括系统的总体框架设计,各功能模块的设计,以及各功能模块之间的互联。在此基础上设计了PCB板,完成了各器件和功能模块的焊接,并编写了用于两个模块之间点对点传输数据的程序。2.测试了通信模块的主要性能参数,并做了定量分析。测试结果表明,模块工作正常,传输距离达到了一定水平,在一定程度上扩展了无线传感器网络的覆盖范围。3.针对工作于2.4GHz频段的无线设备可能造成的干扰,本文对通信模块的抗干扰性能进行了初步研究,利用nRF24L01芯片的多频道特性设计了一个简单的频率捷变协议。该协议利用nRF24L01芯片的自动应答和自动重发功能,可以降低通信模块在数据传输过程中的丢包率,在对数据传输速率要求不高的应用中可以提高通信的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的概念、体系结构和特点
• 1.2.2 无线传感器网络的研究现状与发展趋势
• 1.3 论文的主要工作和结构安排
• 第二章 通信模块的设计
• 2.1 引言
• 2.2 总体设计
• 2.2.1 无线传感器网络节点的体系结构和设计原则
• 2.2.2 通信模块的设计需求分析
• 2.2.3 通信模块的设计方案和总体结构
• 2.2.4 合理选择节点使用的无线通信技术和频段
• 2.3 硬件原理设计
• 2.3.1 无线收发电路的设计
• 2.3.2 发射功率放大电路的设计
• 2.3.3 天线的选型
• 2.3.4 通信模块与微控制器的接口电路设计
• 2.3.5 电路原理图
• 2.4 PCB 的设计、实现与硬件调试
• 2.4.1 设计过程中的关键问题
• 2.4.2 PCB 图和实物图
• 2.4.3 硬件调试
• 2.5 软件的设计
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 各模块程序的实现
• 2.6 小结
• 第三章 通信模块的性能测试
• 3.1 引言
• 3.2 测试传输距离
• 3.3 测试丢包率
• 3.4 测试平均数据传输速率
• 3.5 测试功耗
• 3.6 小结
• 第四章 通信模块抗干扰性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 无线电波传播的特点
• 4.3 nRF24L01 的抗干扰机制
• 4.4 基于跳频技术的抗干扰方案
• 4.4.1 跳频技术概述
• 4.4.2 频率捷变协议及其实现
• 4.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果