基于TinyOS的无线传感器网络节点物理层的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）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的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息,并传送给监测者,是现代社会信息获取的重要途径之一,在环境监测、医疗和军事等方面具有十分广泛的应用前景。本论文结合十一五期间国家发改委CNGI研究开发/产业化和试验/应用示范项目“IPv6无线传感器网络节点”的研发,根据自主研制的两种无线传感器网络节点的硬件特点,从项目实际需求出发,设计实现了基于这两种硬件平台的不同的物理层方案。由于两种方案都是从保证整个网络的可靠通信的角度作为出发点进行设计的,因而不仅实现了物理层的基本功能,而且为上层协议提供了可靠传输保障。本文的主要工作如下:■对无线传感器网络技术的发展进行了分析与总结,深入探讨了TinyOS嵌入式操作系统及其编程语言NesC在传感器节点开发中的优势,并对整个操作系统的运行机制进行了较为深入的剖析,从而为后续该操作系统的移植奠定了基础。■分析与总结出物理层能够提供的功能,包括对上层递交下来的分组进行发送,接收无线信道当中的分组并将其提交给上层,为MAC层提供载波侦听功能以及设置节点睡眠与唤醒的功能。在设计与实现物理层方案时,找到了合理有效的方法去支持物理层方案的最终实现,为整个操作系统的正常运行与网络的正常基本的通信提供了良好的保证。■分析了MSP430F1611-TR3000节点硬件平台的特点,针对TR3000通信芯片硬件功能的单一性与局限性,给出了一种用软件弥补硬件不足的物理层设计方案。该方案有效解决了包括分组同步、位同步、解调方法造成的提取定时信息困难,以及分组在无线环境下受到电磁干扰等难题,测试结果表明,该物理层方案能够为整个网络的通信提供良好的通信保障。■分析了MSP430F1611-CC1100节点硬件平台的特点,针对CC1100通信芯片能够提供丰富并且功能强大的配置寄存器这一特点,在设计该平台的物理层方案时,主要侧重于构建出一个物理层组件结构及其实现上,从而有利于程序的设计与实现。■基于全面地测试物理层各个功能并找出问题的基本思想,给出了一套系统的物理层测试方案,该方案对物理层的各个功能模块进行了全面的测试。针对测试过程中出现的异常,不断地对物理层设计方案进行调整与完善,从而保证了物理层能够提供可靠的服务,为全网的通信提供了良好的保障。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络的结构
• 1.1.2 无线传感器网络节点的结构及其发展状况
• 1.1.3 无线传感器网络的特点
• 1.2 课题背景与论文的主要内容
• 1.3 论文组织结构
• 第二章 软件平台TinyOS操作系统
• 2.1 概述
• 2.2 TinyOS的执行模型
• 2.2.1 基于事件的执行模型
• 2.2.2 并发模型和任务
• 2.2.3 原子性
• 2.3 TinyOS的组件模型
• 2.3.1 组件的类型
• 2.3.2 硬件/软件边界
• 2.4 主动消息模式
• 2.5 NesC语言
• 2.5.1 NesC语言的概述
• 2.5.2 NesC语言的设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于MSP430F1611-TR3000无线传感器节点物理层设计方案及其实现
• 3.1 物理层基本功能分析
• 3.1.1 物理层的功能需求分析
• 3.1.2 硬件平台的局限性以及解决方法
• 3.2 物理层设计策略
• 3.2.1 位同步的设计策略分析
• 3.2.2 分组同步的设计
• 3.2.3 差分曼彻斯特编码与信道编码
• 3.2.4 载波侦听的设计策略分析
• 3.2.5 休眠与唤醒功能
• 3.2.6 小结
• 3.3 物理层的实现
• 3.3.1 物理层总体结构分析
• 3.3.2 物理层发送与接收功能的总体分析
• 3.3.3 载波侦听功能的实现
• 3.3.4 休眠功能的实现
• 3.3.5 状态机
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于MSP430F1611-CC1100的物理层设计方案与实现
• 4.1 物理层功能总体分析及节点硬件平台的特点
• 4.2 物理层方案设计过程中采用的关键技术
• 4.2.1 MSP430F1611处理器串行通信概述
• 4.2.2 CC1100的同步通信接口SPI的工作原理
• 4.2.3 CC1100无线通信协议分析
• 4.3 在TinyOS中的实现
• 4.3.1 整体结构中各模块及接口的分析
• 4.3.2 物理层功能实现
• 4.3.3 状态机
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于无线传感器网络节点硬件平台上的物理层功能的测试
• 5.1 开发及调试环境的建立
• 5.2 基于MSP430F1611-TR3000节点硬件平台的各功能模块的测试
• 5.2.1 单字节的发送与接收
• 5.2.2 分组的发送与接收
• 5.2.3 节点状态转换的测试
• 5.2.4 载波侦听功能的测试
• 5.2.5 休眠功能的测试
• 5.3 基于MSP430F1611-CC1100节点硬件平台的各功能模块的测试
• 5.3.1 对寄存器进行单字节读/写操作的测试
• 5.3.2 对接收与发送FIFO进行读/写操作的测试
• 5.3.3 分组发送与接收功能的测试
• 5.3.4 状态转换的测试
• 5.3.5 载波侦听功能的测试
• 5.3.6 休眠与唤醒功能的测试
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢