基于Zigbee的塔机安全预警系统无线传感网络研究

论文摘要

塔式起重机安全预警系统可以有效防止塔机在工作过程中碰撞、倾覆等事故的发生。其中,数据传输网络是整个系统的重要组成部分,主要负责系统中各个节点间及网络与主机间的预警信息的传递,其性能决定了整个系统的实时性和实用性。本文在分析国内外现有塔机安全预警系统的数据传输方式特点和不足的基础上,利用短距离无线通信Zigbee技术,设计了适用于塔机安全预警系统信息传输的无线传感网络,并进行了相关试验。本文主要研究内容如下:(1)本课题的研究背景以及国内外研究现状。重点介绍了国内外主流塔机生产商以及研究机构开发的塔机预警系统中预警信息传输网络的发展现状,并介绍了无线通信技术在这一领域的应用。(2)无线传感网络总体设计。根据塔机的工作环境和安全预警系统对数据传输的各项性能要求,选用基于Zigbee协议的无线传感网络,设计了传输塔机失稳和碰撞两种信息的预警信息传输网络系统。本网络系统主要是由网关、路由器、终端三种设备组成,并对这三种设备在网络中所具备的功能进行了规划。(3)无线传感网络硬件设计。主要包括网关、路由器和终端节点三种类型模块的电路设计。文中具体研究了各模块芯片的选型,节点电源、USB控制器、信号收发以及相关接口的硬件电路设计。(4)无线传感网络软件设计。主要包括Zstack协议栈的移植和启动,系统底层硬件驱动程序的裁剪和加载,网关、路由器、终端节点模块的相关程序设计以及相关程序的源代码编写。(5)无线传感网络性能试验。主要包括无线传感网络的建立过程实验;无线传感网络的传输距离实验;模拟塔机高度进行网络节点布置,检测网络数据传输率实验;网络终端节点的电池功耗实验等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 综述
• 1.1 课题的应用背景
• 1.2 国内外发展现状及应用分析
• 1.2.1 短距无线通信技术应用分析
• 1.2.2 系统硬件选型方案
• 1.3 论文主要研究内容
• 2 无线传感网络系统及设计
• 2.1 系统功能及研究内容介绍
• 2.1.1 塔式起重机简介
• 2.1.2 塔机安全预警系统及无线数据传输网络布置
• 2.2 无线传感网络节点功能规划
• 2.2.1 网关节点功能规划
• 2.2.2 路由节点功能规划
• 2.2.3 终端节点功能规划
• 2.3 本章小结
• 3 无线传感网络硬件电路设计
• 3.1 系统硬件结构
• 3.2 电源模块电路设计
• 3.2.1 网关节点电源电路
• 3.2.2 终端节点电源电路
• 3.3 USB 控制器模块电路设计
• 3.3.1 USB 芯片特性
• 3.3.2 USB 控制器电路设计
• 3.4 无线收发模块电路设计
• 3.4.1 CC2530 芯片简介
• 3.4.2 系统外围电路设计
• 3.4.3 接口电路设计
• 3.4.4 JTAG 接口电路设计
• 3.5 本章小结
• 4 无线传感网络系统软件设计
• 4.1 ZigBee 协议构架
• 4.2 项目建立和Zstack 栈移植
• 4.3 系统底层硬件相关程序设计
• 4.3.1 系统底层硬件驱动程序的裁剪与加载
• 4.3.2 系统底层相关功能设置
• 4.3.3 物理层数据包收发
• 4.4 Zstack 协议栈的启动
• 4.4.1 OSAL 的启动流程
• 4.4.2 OSAL 的任务管理机制
• 4.5 网关节点程序设计
• 4.5.1 网关节点程序流程
• 4.5.2 节点设备类型定义
• 4.5.3 搜索信道
• 4.5.4 网络参数配置和网络地址分配
• 4.5.5 网络的建立过程
• 4.6 路由节点程序设计
• 4.7 终端节点程序设计
• 4.7.1 应用层程序设计
• 4.8 终端节点能量低功耗程序设计
• 4.8.1 启动休眠模式PM2
• 4.8.2 运行和退出休眠模式
• 4.9 本章小结
• 5 无线传感网络试验分析
• 5.1 无线传感网络组网试验
• 5.2 无线传感网络节点距离试验
• 5.3 网络实际数据传输率测试试验
• 5.4 无线传感网络功耗试验
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文