基于TinyOS的无线传感器网络环境参数采集系统设计与实现

论文摘要

无线传感器网络是众多传感器通过无线通信方式,相互联系、处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,可以实时感知和采集网络分布区域内的各种环境对象的信息,并对这些信息进行处理,传送给所需用户。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,比如军事侦测、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等。而环境应用是无线传感网络的典型应用。本文以Crossbow公司的IRIS新型节点为硬件平台,研究了一种基于TinyOS的无线传感器网络环境采集系统。针对环境的特点,系统分为传感器节点-网关节点-监控终端的三层结构。首先对现有的无线传感器网络操作系统进行了分类总结,重点介绍了无线传感器网络中经典的操作系统TinyOS,包括组件模型、调度机制、通信模型,详细阐述了支持组件化编程的nesC语言的接口、模块等,并采用简单实例在TinyOS操作系统下进行程序验证开发。然后研究了系统的无线通信模块AT86RF230驱动程序,实现了传感器节点无线发送与接收的功能,并设计了SHT71传感器的采集程序,实现了传感器的温湿度采集功能,通过修改XServe数据解析软件程序使得原始数据能通过Cygwin显示并转化成温湿度数据。最后对系统性能进行测试,包括功耗和通信距离,网络自组织自愈，mesh网络部署和温湿度测量等。测试结果表明系统具有低功耗、远距离传输、网络自组织自愈、测量准确性等优点。同时,网络节点体积小,安装和拆卸方便灵活。节点功能扩展性强,可通过增加相关的传感器实现其他采集功能。本系统能产生一定的经济和社会效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 无线传感器网络环境应用概述
• 1.3 无线传感器网络环境应用国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容及结构
• 第二章 TinyOS操作系统与nesC语言分析
• 2.1 无线传感网络操作系统设计要求
• 2.2 TinyOS操作系统
• 2.2.1 典型无线传感器网络操作系统对比
• 2.2.2 组件模型
• 2.2.3 调度机制
• 2.2.4 通信模型
• 2.3 nesC语言
• 2.3.1 接口
• 2.3.2 组件
• 2.3.3 并发模型（Concurrency Model）
• 2.4 TinyOS程序开发基本步骤
• 2.4.1 应用程序加载步骤
• 2.4.2 应用程序的编译和下载
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络的硬件平台设计
• 3.1 系统硬件方案
• 3.2 IRIS传感节点结构
• 3.2.1 处理器模块---Atmega1281
• 3.2.2 无线通信模块---AT86RF230
• 3.2.3 AT86RF230的调制方式
• 3.2.4 AT86RF230与处理器的接口电路
• 3.2.5 传感器模块
• 3.2.6 电源部分
• 3.3 本章小结
• 第四章 无线传感器网络系统软件设计与实现
• 4.1 传感器节点软件总体设计
• 4.2 TinyOS程序入口函数
• 4.3 温湿度采集单元程序设计
• 4.3.1 SHT71协议设计
• 4.3.2 温湿度采集单元的nesC设计与实现
• 4.4 无线通信模块AT86RF230的驱动程序设计
• 4.5 TinyOS上层应用程序设计
• 4.5.1 sampleC程序设计
• 4.5.2 发送/接收子程序
• 4.6 XServe数据解析软件设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 系统性能测试和分析
• 5.1 节点功耗的设计和测试
• 5.2 传输距离测试
• 5.3 点对点频率采样测试
• 5.4 网络自组织自愈测试
• 5.5 无线传感器mesh网络部署和温湿度的测量
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果