基于ARM的无线传感器网络节点的设计与实现

论文摘要

近几年随着无线通信技术、传感器技术、信息采集和处理技术的飞速发展,出现了低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器节点。无线传感器网络是随着传感器节点的发展而兴起的计算机科学和通信技术的一个新的研究领域,它是由一组无线传感器节点通过自组织的方式构成的无线网络,综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,并传送到需要这些信息的用户处。本文以无线传感器网络对节点的一般要求为依据,开发出一款基于ARM的无线传感器网络节点。基于其小型化要求,本节点采用的芯片面积较小且电路简单;基于其可扩展性要求,在控制芯片ARM的选择上,本文采用管脚资源丰富的Stm32F103芯片,为将来添加功能预留资源;基于其低功耗的要求,针对射频模块的能量消耗很大状况,选用ADI的低功耗无线射频芯片ADF7xxx,且其在不工作的时候处于休眠状态;基于其低成本和适应性强的要求,节点工作在全球免费开放的工业频段433M,并针对这个频段干扰严重的问题通过信道编码提高数据传输的抗干扰性能。依据OSI标准分层模型和无线传感器网络的特点提出本系统的分层模型,共分为四层结构:物理层,采用GFSK信号调制方式和信道编码确保无线数据传输质量;MAC层,由于所有的无线传感器网络节点都工作在同一频段上,本系统采用时分加随机避让的方式来占用信道,具有较强的稳定性;网络层,本系统采用比较简单的两层星状结构,主节点以轮询的方式依次呼叫从节点入网,网拓扑简单组网快;在应用层,为管理软件平台提供了简便的数据接口。本文设计的节点可以广泛应用于大型仓库、商场、停车场等场所,具有装配方便,安装破坏性小,使用周期长,维护方便的优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景以及研究意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外无线传感器网络的发展状况
• 1.2.2 我国无线传感器网络研究应用现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.4 本文结构
• 第2章 无线传感器网络的关键技术分析
• 2.1 无线传感器网络的拓扑结构
• 2.1.1 平面网络结构
• 2.1.2 星状网络结构
• 2.1.3 层次网络结构
• 2.1.4 混合网络结构
• 2.2 温度传感器的基本原理
• 2.2.1 热电偶
• 2.2.2 测温电阻
• 2.2.3 PN结温度计
• 2.2.4 谐振型温度计
• 2.2.5 热噪声温度计
• 2.2.6 光纤温度传感器
• 2.3 网络节点数据的传输方式
• 2.4 本章小结
• 第3章 无线传感器网络节点的设计
• 3.1 无线传感器网络节点的总体设计方案
• 3.1.1 无线传感器网络节点的设计要求
• 3.1.2 无线传感器网络节点的框图
• 3.2 传感器模块的设计
• 3.2.1 SHT11 的结构与工作原理
• 3.2.2 温度传感器的输出数据的处理
• 3.2.3 SHT11 的控制与数据的读取
• 3.3 无线数据传输模块的设计
• 3.3.1 射频模块使用频率的选择
• 3.3.2 射频芯片的选择和应用
• 3.3.3 ADF7xxx工作模式的选择
• 3.4 处理器模块
• 3.4.1 处理器模块
• 3.4.2 传感器模块接口
• 3.4.3 射频模块接口
• 3.4.4 主节点串口设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 无线传感器网络节点的软件开发实现
• 4.1 系统通信协议的设计
• 4.1.1 系统通信协议的功能和要求
• 4.1.2 通信协议参考模型
• 4.1.3 无线传感器网络通信协议栈的设计
• 4.2 物理层
• 4.2.1 信道编码原理
• 4.2.2 系统编码实现
• 4.3 MAC层协议设计
• 4.4 网络层协议设计
• 4.5 应用层协议设计
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢