基于ZigBee和以太网的无线传感网络环境关键技术研究

论文摘要

本文基于ZigBee无线通信技术和以太网技术,研究并开发了无线传感器网络远程监控系统,从ZigBee组网技术、ZigBee网络节点软硬件开发、ZigBee网关开发、远程监控系统开发等四个方面展开研究。首先,研究并分析了ZigBee技术的起源和特点。详细分析了ZigBee通信模型、网络设备类型、网络拓扑类型,研究了ZigBee组网方法,为建立星形拓扑结构的无线网络奠定了理论基础。其次,以ZigBee无线微控制器模块为核心,结合传感器及其它外围电路构成了ZigBee网络节点的硬件平台。为迎合工业生产和农业控制对环境信息的需求,节点采用温湿度传感器和光照度传感器来采集温度、湿度、光照度等环境参数。在Codeblocks软件平台上,结合控制器和传感器的硬件电路,编写了驱动程序,设计并开发了ZigBee协调器和终端节点的应用程序,实现了无线传感器网络的创建和管理。在实际的应用系统中,装有传感器的终端节点可以独立采集和发送环境数据,实现了对目标环境的监控。再其次,以百兆以太网芯片为核心设计了以太网模块,完成了硬件的设计和驱动程序的编写。创新性的使用ZigBee网络协调器控制以太网模块,组建了ZigBee网关。网关实现了ZigBee协议和ARP、UDP协议之间的转换,使ZigBee网络与以太网相结合,进而拓宽了ZigBee技术的应用范围。最后,使用Visual C++实现上位机的实时监控软件。利用五个ZigBee节点组建了星形无线传感器网络,通过对环境的监测,得到了实时的环境信息,验证了该系统设计方案的可行性。监控软件实现了上位机和网关之间的通信,对传感器网络进行远程监控和数据管理。本文设计的基于ZigBee技术的无线传感器网络远程监控系统具有组网便捷、能耗低、成本低等特点,可以满足各种应用场合的需求,具有较高的实用价值。

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Abstract

符号说明

第1章绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究意义

1.4 本文主要研究内容

1.5 本文的组织与结构

第2章 ZigBee协议的研究与分析

2.1 ZigBee技术概述

2.2 ZigBee通信模型

2.2.1 物理层

2.2.2 媒体访问控制层

2.2.3 网络层

2.2.4 应用支持子层

2.2.5 应用层框架和ZigBee设备对象

2.3 ZigBee网络设备类型

2.3.1 逻辑设备类型

2.3.2 物理设备类型

2.4 ZigBee网络拓扑类型

2.4.1 星形拓扑

2.4.2 树形拓扑

2.4.3 网形拓扑

2.5 ZigBee原语

2.6 ZigBee设备组网

2.6.1 设备建立网络

2.6.2 设备加入网络

2.7 本章小结

第3章 ZigBee网络节点的硬件和软件设计

3.1 ZigBee网络系统设计

3.2 ZigBee节点硬件设计

3.2.1 通讯模块选择

3.2.2 电源模块设计

3.2.3 UART模块设计

3.2.4 复位和看门狗模块设计

3.2.5 Flash写入控制电路

3.2.6 温湿度传感器模块

3.2.7 光照度传感器模块

3.2.8 其他接口电路设计

3.3 ZigBee节点软件设计

3.3.1 ZigBee设备程序架构

3.3.2 用户API函数

3.3.3 软件开发环境

3.3.4 ZigBee网络中数据的发送与接收

3.3.5 传感器驱动

3.3.7 协调器节点程序设计

3.3.8 终端节点程序设计

3.4 本章小结

第4章网关的硬件和软件设计

4.1 网关的整体设计

4.2 网关的硬件设计

4.2.1 以太网控制芯片的选择

4.2.2 以太网模块电路设计

4.2.3 以太网模块与控制器的连接方式

4.3 网关的软件设计

4.3.1 DM9000A寄存器简介

4.3.2 寄存器读写方法

4.3.3 DM9000A初始化

4.3.4 数据包传送工作原理

4.3.5 数据包接收送工作原理

4.3.6 ARP协议的实现

4.3.7 UDP协议的实现

4.3.8 UDP协议数据的校验

4.4 本章小结

第5章以太网监控平台设计

5.1 Windows Sockets规范

5.2 数据报套接字编程模型

5.3 上位机软件程序设计

5.4 上位机软件界面设计

5.5 本章小结

第6章工作总结与研究展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

附录A ZigBee节点PCB设计

附录B 以太网模块PCB设计

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术研究成果

致谢

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