无线传感器网络硬件平台的研究与实现

论文摘要

无线传感器网络融合了传感器技术、通信技术和数据处理技术;无线传感器网络因其巨大的应用前景而受到学术界和工业界越来越广泛的重视。本文首先对无线传感器网络进行了概述,介绍了国内外无线传感器网络的研究现状、无线传感器网络体系结构和特点等;无线传感器网络的技术标准IEEE802.15.4把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点,为LR-WPAN（low-ratewireless personal area network）网络制定了物理层和MAC子层协议;ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准之上,ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化;在此基础上我们设计了基于CC2420射频芯片与ATmegal28单片机的无线传感器网络的硬件平台。在节点的硬件设计上重点阐述:ATmegal28L主要特点,管脚资源的使用,CC2420特性,工作模式,CC2420内部寄存器的构成,CC2420与处理器的接口,温度传感器DS1822和振动传感器ADXL202的特点和操作,节点的软件协议栈,Coordinator、RFD节点的软件协议栈的程序流程,以及软件协议栈中数据帧的结构的定义以及配置。利用设计讨论的硬件节点,基于ZigBee规范组建了线性多跳网络,深入讨论了在网络的运行过程中Coordinator、Router、End Device节点之间以及各个节点的应用层、网络层、媒体接入控制层之间消息的传送,对各种节点的主要程序进行了描述,针对网络的运行过程进行了讨论:节点短地址的分配、路由表及路由过程,最后截取了网络运行的结果进行分析。针对无线传感器网络后台管理:探讨了后台管理软件应提供的基本功能,重点论述了管理软件的模块化结构、串口通信过程中串口数据的处理、串口的初始化操作;就节点原始数据包数据进行可视化实现过程进行简要的概述,依据无线网络能量消耗模型和CC2420性能指标获取了网络运行过程中的能量消耗,在管理软件实现的可视化窗口的状态栏添加了显示网络能耗窗口,以此来实时获取网络运行中的能耗情况。以无线传感器网络单跳状态下的能量消耗模型为基础,进行分析推导得出等间距线性网络最优单跳距离与源节点和汇聚节点的距离无关,仅仅依赖于传输数据包的电路特性以及信道损耗;优化间距线性网络的优化间距,以此间距配置节点,网络运行过程中系统的能耗最低,并且能够均衡各个节点的能耗,从而避免了因某些节点能量消耗过多而过早死亡,从整体上延长了网络能耗。基于组建的线性多跳网络结合后台管理软件通过实验验证了上述结论的正确性。进而提出了一种低能耗的无线传感器网络节点的配置方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的研究现状
• 1.1.1 国外无线传感器网络研究进展
• 1.1.2 国内无线传感器网络研究进展
• 1.2 课题的提出和主要目标
• 1.3 论文结构
• 第2章 无线传感器网络的概述
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.1 传感器网络体系结构
• 2.1.2 传感器节点结构
• 2.2 WSN的技术规范
• 2.2.1 IEEE802.15.4标准
• 2.2.2 ZigBee技术
• 2.3 WSN的应用
• 第3章 无线传感器网络硬件的设计与研究
• 3.1 传感器节点总体设计
• 3.2 微处理器模块
• 3.2.1 ATmegal28主要特点
• 3.2.2 节点中ATmegal28L管脚资源的使用
• 3.3 CC2420模块
• 3.3.1 CC2420特性参数
• 3.3.2 CC2420的IEEE802.15.4工作模式
• 3.3.3 CC2420与处理器的接口
• 3.3.4 CC2420内部寄存器的构成
• 3.4 传感器模块
• 3.5 节点的软件协议栈
• 3.5.1 软件协议栈中Coordinator节点的程序流程
• 3.5.2 软件协议栈中RFD节点的程序流程
• 3.5.3 软件协议栈数据帧的初始化
• 第4章 基于ZigBee规范的多跳网络的实现
• 4.1 Coordinator建立一个新的网络
• 4.1.1 Coordinator网络层主要功能模块
• 4.1.2 Coordinator启动新网络的流程
• 4.1.3 Coordinator主程序描述
• 4.2 Router节点加入网络
• 4.2.1 Router节点网络层主要功能模块
• 4.2.2 Router加入网络的进程
• 4.2.3 Router主程序描述
• Device'>4.3 End_Device
• Device网络层主要功能模块'>4.3.1 End_Device网络层主要功能模块
• Device主程序描述'>4.3.2 End_Device主程序描述
• 4.4 网络实现的讨论
• 4.4.1 设备短地址分配
• 4.4.2 设备离开
• 4.4.3 邻居列表的维护
• 4.4.4 路由表
• 4.4.5 基本的选路算法
• 4.5 网络运行及结果分析
• 第5章 WSN可视化后台管理
• 5.1 可视化平台提供的功能
• 5.2 可视化管理软件的实现
• 5.2.1 串口数据的处理
• 5.2.2 串口通信
• 5.2.3 数据分发
• 5.2.4 可视化每个数据包原始数据
• 5.2.5 在管理软件中实现网络能耗的显示
• 5.3 数据查看视图显示说明
• 第6章 线性网络的最优配置
• 6.1 等间距线性网络
• 6.1.1 能量消耗模型
• 6.1.2 等间距的线性多跳模型
• 6.1.3 能耗分析
• 6.1.4 结论验证
• 6.1.5 最低能耗等间距线性网络的配置
• 6.2 优化间隔排列的线性网络
• 6.2.1 节点优化间隔排列时多跳能耗
• 6.2.2 结论验证
• 6.3 传感器网络一种节点配置方案
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表