基于IEEE802.15.4协议的工业设备状态监测网络研究与开发

论文摘要

无线技术的快速发展使其在消费电子业、农业和医疗等多个领域得到了大量的应用。工业方面,在工厂自动化系统中,无线通讯和无线互联网服务已经在工厂企业级得到了广泛的使用,同时,射频识别技术（RFID）作为电子标签在工厂的财产跟踪和物体识别方面也有大量的使用。尽管如此,在工厂现场级,基础网络大多依然采用基于有线连接的现场总线技术。由于在工业现场使用有线技术会带来成本高,以及线缆老化等问题,自然提出了将无线技术应用于工业现场的需求。现有适合于工业环境下的主流无线通信技术主要包括有基于WIFI（IEEE802.11）标准的无线局域网技术,以及基于蓝牙（IEEE802.15.1）标准和IEEE802.15.4标准的无线个域网技术。在工业现场中信息具有周期性信息较多,非周期信息较少,信息长度较短等特点,而使用IEEE802.11标准和蓝牙标准进行此类信息的通信会存在有效率低和能耗过高等方面的问题,所以,在工业现场级大多选用低功耗的IEEE802.15.4标准作为无线通信协议。本文主要针对无线传感网络技术在工业领域的应用,特别是针对工业设备状态监测方面的应用,提出了构建基于IEEE802.15.4协议的工业设备状态监测网络,并围绕其进行了相关网络设备硬件和软件方面的研究。研究内容概括如下:1.讨论了无线技术应用于工业领域的优势和其面临的挑战,分析了工业设备状态监测系统的特点和功能需求,针对此应用,设计了基于无线传感网络和有线以太网的异构网络系统,并对其中网络设备进行了分类。2.设计并实现了基于单片机加射频芯片结构的现场级无线传感网络节点硬件平台,并在此基础上,完成其硬件抽象层软件和信道访问控制程序的设计开发。3.讨论了网关设备的ARM+Linux嵌入式系统架构,分析了以S3C2440处理器为核心构建的硬件平台结构。阐述了网关软件开发平台的搭建过程,介绍了网关软件结构和各软件模块的设计与实现。4.设计实验,对无线网络节点通信能力和能耗进行了相关测试,包括工作环境对节点间通信距离的影响,无线网络节点发送数据帧长度与所花费时间的关系,通信距离与接受信号强度关系,以及不同工作模式下无线网络节点的能耗等。并且对网关的通信延迟时间进行测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工业无线技术
• 1.1.1 工业无线技术概述
• 1.1.2 工业无线技术的优势
• 1.1.3 工业无线技术研究现状
• 1.1.4 工业无线技术面临的挑战
• 1.2 主要研究内容
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 工业设备状态监测的无线传感网络系统分析与设计
• 2.1 工业无线监测研究现状
• 2.2 工业设备状态监测系统
• 2.2.1 系统介绍
• 2.2.2 系统特点
• 2.3 网络系统设计
• 2.3.1 传统无线传感网络结构
• 2.3.2 系统结构设计
• 2.3.3 网络协议
• 2.4 节点的分类
• 2.4.1 现场级无线网络节点
• 2.4.2 网关
• 2.5 本章小结
• 第三章 现场级无线网络节点软硬件设计与实现
• 3.1 主体部分电路设计
• 3.1.1 微处理器模块设计
• 3.1.2 无线通信模块设计
• 3.1.3 电源模块设计
• 3.2 无线网络节点电路以及PCB 设计
• 3.2.1 簇成员节点
• 3.2.2 簇头节点
• 3.2.3 汇聚节点
• 3.3 无线传感网络软件部分设计与实现
• 3.3.1 软件开发平台（tinyOS）介绍
• 3.3.2 硬件抽象层软件设计
• 3.3.3 CSMA-CA 信道访问
• 3.4 本章小结
• 第四章 网关硬件和软件设计与实现
• 4.1 网关硬件平台结构
• 4.1.1 系统结构介绍
• 4.1.2 核心模块
• 4.1.3 外围扩展模块
• 4.2 软件开发平台搭建
• 4.2.1 建立交叉编译环境
• 4.2.2 Bootloader 的移植和编译
• 4.2.3 Linux 内核移植
• 4.2.4 根文件系统制作
• 4.3 网关软件设计与实现
• 4.3.1 软件整体结构设计
• 4.3.2 网关-汇聚节点数据通信部分
• 4.3.3 网关-以太网数据通信部分
• 4.3.4 数据处理部分
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验与数据分析
• 5.1 无线网络节点通信能力测试
• 5.1.1 通信环境对通信距离的影响
• 5.1.2 数据帧发送时间测试
• 5.1.3 通信距离与 RSSI
• 5.2 无线网络节点能耗测试
• 5.2.1 不同工作模式的能耗测试
• 5.2.2 信号发射功率与 RSSI
• 5.3 网关通信能力测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果