基于TinyOS的无线电子鼻传感器网络节点研究

论文摘要

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,其目的就是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象,并发送给观察者。论文综述了无线传感器网络、电子鼻的国内外发展现状,讨论了无线传感器网络实现的相关理论及关键技术、传感器节点技术以及IEEE 802.15.4/ZigBee协议标准,主要对无线传感器网络节点在硬件、软件开发工具TinyOS以及具体的软件设计方面进行了深入研究,并完成基于气敏传感器的无线电子鼻传感器节点是实现。论文在传感器节点硬件设计上进行了模块化电路设计,重点讨论了基于MSP430F149、ATmega128L的处理器模块设计,CC2420的无线通信模块设计,详述了CC2420与各处理器之间接口引脚使用。针对于Sink传感器节点接入接口探讨了RS232和USB两种接口设计方案,其中通过FT2232C芯片实现串口到USB接口转换,简述了电源供应模块和传感器供电开关切换应用电路,最终以ATmega128L+CC2420进行了传感器节点PCB设计,完成传感器节点在硬件设计上的实现。论文在进行传感器节点的软件设计之前首先研究了源代码开放的专用于无线传感器网络开发的微型嵌入式操作系统TinyOS,探究了TinyOS操作系统组件模型、通信模型、事件驱动机制与并发模型以及内核的调度机制和策略以及不足。深入了解TinyOS操作系统是进行良好传感器节点程序设计的基础。针对具体的无线电子鼻程序设计详细分析了TinyOS程序设计mian函数入口、基于TinyOS的几种传感器节点消息数据包结构,具体的分析了传感器节点无线通信模块无线收发流程和串口通信模块、ADC模块程序实现过程。研究了基于TinyOS的多跳组件,详述了基于最小跳数的路由算法,分析了传感器节点在路由过程中链接质量估计、邻居节点数据表管理的实现和问题,以及具体实现多跳通信协议执行框架中父节点选择、循环回路探测、重复数据包剔除等问题,并在此基础上实现基于最小跳数算法的节点多跳通信。论文最后完成了基于气敏传感器的无线电子鼻传感器节点实现,并对测试结果进行了分析。通过测试表明,传感器节点在硬件方面、软件方面各个模块工作稳定,电子鼻节点功能正常。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 无线传感器网络研究综述
• 1.2.1 无线传感器网络概述
• 1.2.2 无线传感器网络节点
• 1.2.3 IEEE802.15.4/ZigBee 协议标准
• 1.3 无线传感器网络与电子鼻研究现状
• 1.3.1 无线传感器网络研究现状
• 1.3.2 电子鼻研究现状
• 1.4 本文的主要工作和章节安排
• 1.4.1 本文的主要工作
• 1.4.2 本文的章节
• 1.5 本章小结
• 2 微型嵌入式TinyOS 操作系统
• 2.1 TinyOS 操作系统简介
• 2.2 TinyOS 组件模型
• 2.2.1 TinyOS 组件类型
• 2.2.2 硬件/软件边界
• 2.2.3 TinyOS 组件示例
• 2.2.4 TinyOS 组件组合
• 2.3 TinyOS 通信模型
• 2.3.1 主动消息概述
• 2.3.2 主动消息的设计与实现
• 2.3.3 主动通信的缓存管理机制
• 2.3.4 主动消息的显式确认消息机制
• 2.4 TinyOS 任务事件驱动与并发模型
• 2.5 TinyOS 内核调度机制与策略分析
• 2.5.1 TinyOS 的调度机制
• 2.5.2 TinyOS 的调度机制不足
• 2.6 本章小结
• 3 无线传感器网络节点硬件设计和实现
• 3.1 处理器模块设计
• 3.1.1 处理器选型
• 3.1.2 基于MSP430f149 处理器模块电路设计
• 3.1.3 基于ATmega128L 处理器模块电路设计
• 3.2 无线通信模块设计
• 3.2.1 CC2420 芯片
• 3.2.2 CC2420 与处理器模块的硬件接口
• 3.3 能量供应模块设计
• 3.4 Sink 节点串口接口设计
• 3.4.1 R5232 接口设计
• 3.4.2 USB 接口设计
• 3.5 其他外围电路
• 3.6 节点电路板设计
• 3.7 本章小结
• 4 无线电子鼻传感器网络节点程序设计
• 4.1 nesC 语言
• 4.2 电子鼻传感器节点程序框架流程
• 4.3 TinyOS 程序main 函数入口
• 4.4 TinyOS 数据包解析
• 4.4.1 原始数据包
• 4.4.2 TinyOS 信息数据包
• 4.4.3 传感器节点多跳信息包
• 4.4.4 电子鼻消息数据包
• 4.4.5 采样数据包消息示例分析
• 4.5 基于CC2420 无线通信模块程序设计
• 4.5.1 初始化
• 4.5.2 CC2420 发送/接收子程序
• 4.6 传感器节点串口通信
• 4.7 传感器节点ADC 模块
• 4.8 传感器节点多跳通信
• 4.8.1 TinyOS 的Multi-Hop 组件
• 4.8.2 最小跳数的路由协议
• 4.8.3 链路质量估计
• 4.8.4 邻居节点数据表管理
• 4.8.5 协议执行框架
• 4.9 本章小结
• 5 无线电子鼻传感器网络节点实现
• 5.1 无线电子鼻传感器模块设计
• 5.2 无线电子鼻传感器节点实现
• 5.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录