网络节点传感器研究与实现

论文摘要

传感器是控制系统中的一个重要组成部分。随着控制系统结构的变化,传感器也跟着同步的发展和变化。控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)和总线控制系统(FCS)后,将朝着网络化控制的方向发展,相应的传感器也在经历了基本传感器、智能传感器后、向网络传感器的方向发展。特别是无线传感器的出现,导致了无线传感器网络的产生,引起数据采集和测控系统结构的巨大变革。无线传感器网络(WSN:Wireless Sensor Network)是由大量无线网络节点传感器构成,它集信息采集、处理、传输于一体,具有广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视,科学家们从基础理论和工程技术两个层面进行大量的挑战性研究工作,但目前在国内有关应用的报道少见。由于无线传感器网络走向实用化的关键是节点传感器的设计与实现。为此,本文主要研究了一种无线网络节点传感器的实现技术,主要的研究工作如下:1.论述了无线传感器网络的研究现状,在研究其体系结构和特点的基础上,得出了一种实现传感器网络节点的体系结构和实现方案,并根据设计方案研制出了满足应用的网络节点传感器;2.研究了无线网络传感器的通信协议Zigbee在分析通信体系结构的基础上,根据实际应用的要求,将其移植到了本文研究的节点传感器上;3.传感器操作系统的研究移植。为了高效地组织和管理硬件资源,在深入分析和研究新兴的传感器网络操作系统Tiny0S的基础上,文章设计了将TinyOS应用到节点微处理器的移植方案,并实现操作系统的移植;4.针对传感器节点的能量有限,通过改进LEACH路由协议实现传感器节点的节能机制,有效延长了传感器网络生命周期。在上述工作的基础上,开发研制出无线网络节点传感器,通过测试能够满足实际的工程要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络概述与发展趋势
• 1.3 无线传感器网络操作系统
• 1.4 研究内容和论文组织
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络节点传感器设计
• 2.1 引言
• 2.2 无线传感器网络节点及体系结构
• 2.2.1 无线传感器网络体系结构
• 2.2.2 网络传感器节点的体系结构
• 2.2.3 网络节点传感器系统硬件结构
• 2.2.4 网络节点传感器系统软件结构
• 2.3 无线网络传感器的特征
• 2.3.1 传感器网络的特点
• 2.3.2 传感器节点的限制和设计目标
• 2.4 无线传感器网络的关键技术
• 2.4.1 传感器网络节点的能量与效率
• 2.4.2 网络协议
• 2.4.3 数据管理
• 2.4.4 嵌入式操作系统
• 2.5 无线传感器网络节点操作系统及其设计目标
• 2.6 小结
• 第三章 无线网络传感器节点硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 传感器节点总体设计原则及节点硬件设计方案
• 3.2.1 传感器节点硬件设计方案
• 3.3 无线传感器节点微处理器及射频模块设计
• 3.3.1 CC2431 特点:
• 3.3.2 CC2431 的外部接口电路设计
• 3.4 传感器模块电路设计
• 3.5 电源管理模块设计
• 3.6 其它外围电路的设计
• 3.7 小结
• 第四章 无线传感器网络相关协议-ZIGBEE
• 4.1 引言
• 4.2 ZIGBEE协议概述
• 4.2.1 ZigBee 与IEEE802.15.4 的区别
• 4.2.2 距离通信协议比较
• 4.3 ZIGBEE 协议栈
• 4.3.1 物理层
• 4.3.2 数据链路层
• 4.3.3 网络层
• 4.3.4 应用层框架
• 4.4 ZIGBEE 协议栈中数据流
• 4.4.1 zigbee 网络协议数据帧结构
• 4.4.2 设备入网
• 4.4.3 设备绑定
• 4.4.4 数据收发操作
• 4.5 ZIGBEE协议栈移植
• 4.6 小结
• 第五章 无线传感器节点操作系统-TINYOS
• 5.1 引言
• 5.2 TINYOS 编程语言NESC
• 5.2.1 Nesc 程序设计基本思想
• 5.2.2 nesc 语言的一般应用程序框架
• 5.2.3 组件
• 5.2.4 接口
• 5.2.5 模块及任务
• 5.2.6 配件
• 5.3 TINYOS 组件模型
• 5.3.1 Tinyos 的组件组合
• 5.4 TINYOS 通信模型
• 5.4.1 主动消息概述
• 5.4.2 主动消息的设计实现
• 5.4.3 主动通信的缓存管理机制
• 5.4.4 主动消息的显式确认消息机制
• 5.5 TINYOS 的调度机制及其改进措施和能量管理机制
• 5.5.1 Tinyos 的调度机制
• 5.5.2 TinyOS 内核调度策略的改进
• 5.5.3 tinyos 的能量管理机制
• 5.6 TINYOS 的移植
• 5.6.1 硬件抽象描述层的设计原则
• 5.6.2 处理器的选择
• 5.6.3 Tinyos 在51 单片机上的移植与应用
• 5.7 小结
• 第六章 无线传感器网络的节能与仿真技术
• 6.1 引言
• 6.2 无线传感器网络节能
• 6.2.1 单个节点的节能优化
• 6.2.2 无线通信的节能优化
• 6.2.3 整个网络的节能优化
• 6.3 网络仿真环境搭建
• 6.3.1 网络仿真环境概述
• 6.3.2 truetime 工具箱结构与功能
• 6.3.3 系统仿真环境的构建
• 6.4 传感器网络节能仿真实验
• 6.4.1 节能路由协议
• 6.4.2 基于LEACH 路由算法的仿真
• 6.5 小结
• 第七章 总结
• 7.1 论文完成的主要工作
• 7.2 研究的关键技术和创新点
• 7.3 今后需要进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果
• 附录A TINYOS 的移植具体代码
• 附录B 传感器节点测试页面
• 附录C 传感器节点硬件及实物图