基于IEEE802.15.4的无线传感监测系统的研究与实现

论文摘要

随着嵌入式技术以及无线通信技术的飞速发展,无线传感器网络在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域具有越来越广阔的应用前景,是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点之一。无线传感器网络由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的自组织网络系统。其综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息技术和无线通信技术,能够实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的信息。无线传感器网络节点具有小尺寸和低功耗、多样化的设计和使用、有限的控制层次、健壮的运行要求和并发密集型操作等基本特性,这使得其上的系统软件设计颇具挑战性。传统的操作系统和编程模式并不能直接应用于无线网络传感器网络系统,因此,一些新的开发方法,如构件化开发方法,开始引入无线传感器网络软件开发之中。本课题通过采用MSP430单片机和无线收发模块CC2420搭建了传感器网络的终端节点和采用先进的嵌入式技术以SAMSUNG公司的ARM 9处理器S3C2410为硬件系统核心的上位机网关基站。阐述了无线传感监测采集系统硬件设计思想,利用Altium Designer 6.6EDA软件进行原理图设计、PCB板布线和高速信号线的信号完整性仿真并完成了相关驱动程序的开发;介绍了嵌入式操作系统TinyOS,并在此基础上开发良好稳定的通讯协议用来保证数据传输的稳定性,还根据系统的需要开发了电源管理驱动程序、SD卡存储驱动程序、低功耗驱动程序等。这种架构的传感器网络成本低,工作稳定,可以用于一些小型任务中。为了进一步提高节点的处理能力和通信能力,未来还将做进一步改进。本系统已经试运行了较长的时间,稳定性良好。系统的进一步完善包括降低整个系统功耗和增强软件功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题开发背景以及国内外研究现状
• 1.1.1 课题开发背景
• 1.1.2 国外无线传感器网络研究现状
• 1.1.3 国内无线传感器网络研究现状
• 1.2 无线传感器网络特点
• 1.2.1 传感器网络体系结构
• 1.2.2 传感器网络的特点
• 1.3 课题研究的内容与意义
• 1.4 论文结构
• 第二章 系统需求及技术分析
• 2.1 系统需求分析
• 2.2 多种无线通信技术的分析比较
• 2.3 小结
• 第三章 系统总体设计方案
• 3.1 无线通信网络设计
• 3.2 无线采集网络的构建
• 3.3 系统功能模块划分及系统整体功能设计
• 3.4 小结
• 第四章 节点硬件设计与实现
• 4.1 传感节点系统总体设计
• 4.2 基于MSP430 的母板结构及模块测试
• 4.2.1 MSP430 母板结构框图
• 4.2.2 MSP430 核心板各模块设计
• 4.2.3 MSP430 核心板相关模块调试
• 4.3 基于CC2420 的射频模块卡结构设计
• 4.4 数据采集终端的设计与实现
• 4.4.1 传感器国内外发展现状
• 4.4.2 采集系统传感器接口设计
• 4.4.3 采集电路设计
• 4.5 小结
• 第五章 基站硬件设计与实现
• 5.1 系统核心电路板的设计与实现
• 5.1.1 核心处理器部分设计
• 5.1.2 SDRAM 存储器接口电路设计
• 5.1.3 Flash 模块电路设计
• 5.1.4 辅助电路设计
• 5.2 基站功能扩展电路的设计与实现
• 5.2.1 LCD 显示器以及触摸屏接口设计
• 5.2.2 串行接口设计
• 5.2.3 SD 卡接口设计
• 5.2.4 以太网接口设计
• 5.2.5 JATG 的设计
• 5.3 基站PCB 电路板的设计与实现
• 5.4 小结
• 第六章 IEEE802.15.4 标准及软件系统构件化的设计与实现
• 6.1 ZIGBEE 协议概述
• 6.1.1 Zigbee 协议概述
• 6.1.2 IEEE 802. 15.4
• 6.1.3 网络配置及关联
• 6.2 ZIGBEE 协议栈架构
• 6.3 无线传感器网络基本网络拓扑结构
• 6.4 IEEE802.15.4 软件设计与实现
• 6.4.1 物理层设计方案
• 6.4.2 MAC 设计方案
• 6.5 无线传感网络系统软件构件化设计
• 6.5.1 软件系统构件设计可行性
• 6.5.2 软件系统构件化设计
• 6.5.3 节点软件系统程序构件化开发的机理
• 6.5.4 后台监控程序的实现
• 6.6 小结
• 第七章 系统测试
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 附件 相关PCB 板设计线路图
• 一 传感节点PCB 板线路图
• 二 CC2420 射频模块PCB 板线路图
• 三 温湿度及光照PCB 板线路图
• 四 气体传感采集PCB 板线路图
• 五 基站PCB 板线路图