基于ZigBee的无线传感器网络通信节点的软硬件设计

论文摘要

无线传感器网络是国内外传感器领域的热点研究课题,现已广泛应用于军事、环境监测和保护、医疗护理、智能家居等领域。项目攻关过程中,为解决目前石化行业泄漏监测与预警困难、系统实时性低、泄漏点方位确定困难等方面难题,创新地提出了基于无线传感器网络的泄漏监测方案,并开发出了用于石化业安全生产的基于无线传感器网络的泄漏监测与预警系统。系统借助无线传感器网络成本低、功耗低、部署简单、网状网络覆盖面积大及网络定位等特点,解决了检测响应实时性低和泄漏点定位困难等技术难点。课题主要针对无线传感器网络节点软硬件的设计展开研究。研究工作从无线传感器节点的硬件设计入手,分别对无线模块、电源模块、传感器模块等进行了硬件设计。无线收发部分基于ZigBee技术并选用了TI的CC2430芯片,综合考虑高频电路的设计原则及低成本原则,采用双层板设计,开发了符合该项目应用的无线模块,具有很强的抗干扰性能。电源模块以电池供电,以转换高效性为原则进行了电源转换电路设计,以单输入,双电压输出的形式分别为无线模块与传感器模块提供稳压电源。在实验室条件下,分别针对温度传感器、红外释热传感器及酒精传感器进行了信号处理电路的设计。在选型上综合考虑了功耗、成本、检测精度等各方面因素。硬件设计完成后,针对不同节点类型进行了协议栈应用程序开发,分别实现了点对点通信、星形传感器网络拓扑及Mesh网络拓扑形式;针对不同传感器类型进行了信号采集程序设计。通过对无线通信模块、电源模块、传感器模块以及相应节点程序的有序结合,完成了包括软硬件在内的整个节点的设计。并以应用实例验证了程序的可靠性以及各传感器节点硬件电路设计的稳定可靠性。另外,也分别对点对点通信及Mesh网状网络拓扑形式进行了测试。该课题方案是无线传感器网络在石化行业泄漏监测方面的一次创新性应用,具有开创性意义,课题中泄漏检测系统软硬件设计的完成为无线传感器网络在石化行业的进一步应用打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 课题研究背景
• §1-2 无线传感器网络的研究现状
• 1-2-1 国外研究现状
• 1-2-2 国内研究现状
• 1-2-3 发展趋势
• §1-3 石化行业泄漏监测及预警现状研究
• §1-4 本文主要研究内容及创新点
• 第二章 课题方案研究及关键技术
• §2-1 课题相关通信技术比较
• 2-1-1 蓝牙技术
• 2-1-2 无线保真技术
• 2-1-3 超宽带技术
• 2-1-4 近距离传输技术
• 2-1-5 ZigBee技术
• §2-2 无线传感器网络拓扑结构
• 2-2-1 星型网络
• 2-2-2 树型网络
• 2-2-3 网状网络
• §2-3 课题中通信方案选择
• §2-4 课题研究涉及的关键技术
• §2-5 本章小节
• 第三章 ZigBee通信节点硬件平台设计
• §3-1 无线通信芯片选型
• 3-1-1 芯片主要性能特点
• 3-1-2 芯片结构配置
• §3-2 ZigBee节点总体架构及设计
• 3-2-1 总体设计框图
• 3-2-2 CC2430 模块设计
• 3-2-3 扩展模块设计
• 3-2-4 电源模块设计
• 3-2-5 传感器模块设计
• §3-3 本章小节
• 第四章 ZigBee节点软件设计
• §4-1 开发环境IAR8051-EV介绍
• §4-2 无线传感器网络操作系统ZigBee2006 介绍
• 4-2-1 任务调度机制
• 4-2-2 时间管理
• 4-2-3 原语通信
• 4-2-4 地址分配机制
• §4-3 协议栈无线控制程序设计
• 4-3-1 点对点交互程序设计
• 4-3-2 星型拓扑交互程序的实现
• 4-3-3 网状网拓扑的实现
• §4-4 传感器子程序设计
• §4-5 本章小节
• 第五章 系统测试及总结
• §5-1 测试环境与条件
• §5-2 通信测试
• 5-2-1 硬件连接与软件下载
• 5-2-2 点对点通信测试
• 5-2-3 星型网络数据传输测试及传感器节点测试
• 5-2-4 网状网络测试实验
• 第六章 总结及展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果