基于ZigBee协议的无线传感器网络节点设计

论文摘要

无线传感器网络节点的低成本、低功耗等特点使其在多个领域有着广泛的应用前景,成为近年来信息科学的一个研究热点。本文基于ZigBee协议,研究了体积小、功耗低、可组网的无线传感器网络节点设计方法,主要研究工作和成果有：对无线传感器网络ZigBee协议进行了研究,分析了ZigBee协议体系结构和组网形式,以及协议的各层的作用,提出了基于ZigBee协议的传感器节点设计方法。研究了无线传感器网络节点硬件设计方法,选择射频芯片CC2420和微处理器ATmega128L作为主芯片,论述了芯片的结构、性能和特点,研究了节点各模块电路设计方案。研究了TinyOS操作系统的移植方法。在比较自制节点和Micaz硬件平台的特点后,采用基于组件化编程的NesC语言,研究实现了将基于Micaz硬件平台的TinyOS系统移植到自制节点上研究了节点系统各模块功能以及节点间组网实现方法。利用移植的TinyOS操作系统编写了节点应用程序,实现了系统温度数据采集、无线通信等节点模块功能,完成了基于ZigBee协议的三个节点间星型网的组建。最后,对节点的性能和应用效果进行了测试分析。结果表明,自制节点通信效果好,抗干扰能力强,功耗低,组网稳定,证明了文中提出方案的先进性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与意义
• 1.2 本文研究内容及目标
• 1.3 无线传感器网络节点设计概述
• 1.3.1 WSN节点设计研究现状
• 1.3.2 WSN节点设计的关键技术
• 1.4 本文研究方法
• 1.5 章节安排
• 第2章 ZigBee协议分析
• 2.1 ZigBee协议特点
• 2.2 ZigBee协议体系结构
• 2.2.1 ZigBee协议分层结构
• 2.2.2 ZigBee网络拓扑结构
• 2.3 ZigBee协议各层的主要功能
• 2.3.1 物理层
• 2.3.2 MAC层
• 2.3.3 网络层
• 2.3.4 应用层
• 2.4 ZigBee节点设计方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 WSN节点硬件设计
• 3.1 节点硬件设计要求
• 3.2 WSN节点体系结构
• 3.3 节点电路模块化设计
• 3.3.1 微处理器模块
• 3.3.2 无线通信模块
• 3.3.3 传感器模块
• 3.3.4 电源模块
• 3.3.5 其它辅助电路设计
• 3.4 节点电路板制作
• 3.5 本章小结
• 第4章 TinyOS操作系统移植
• 4.1 NesC语言分析
• 4.1.1 接口部分
• 4.1.2 组件部分
• 4.1.3 其他重要部分
• 4.2 TinyOS工作原理
• 4.2.1 TinyOS基本结构
• 4.2.2 TinyOS任务调度机制
• 4.2.3 TinyOS事件驱动机制
• 4.2.4 TinyOS消息机制
• 4.3 TinyOS移植实现
• 4.3.1 TinyOS移植可行性分析
• 4.3.2 TinyOS移植底层代码修改
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于TinyOS与ZigBee节点功能实现
• 5.1 节点传感器温度采集
• 5.1.1 DS18B20读写时序
• 5.1.2 DS18B20的控制命令
• 5.1.3 温度采集程序设计实现
• 5.2 节点无线通信
• 5.2.1 CC2420的控制及访问
• 5.2.2 无线通信数据帧格式
• 5.2.3 无线通信程序设计实现
• 5.3 ZigBee节点星型网组网
• 5.3.1 ZigBee星型网组网设计
• 5.3.2 ZigBee星型网程序实现
• 5.4 节点性能及应用测试
• 5.4.1 节点性能测试
• 5.4.2 节点应用测试
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 作者简介