无线传感器网络节点物理平台的开发与实现

论文摘要

无线传感器网络(WSN)是当前信息技术领域的一个热点研究方向,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,是一种全新的信息获取、处理和传输技术。在工业控制、军事、社会生活等实际领域中具有广泛的应用前景和巨大的应用价值。本文结合国家发改委“IPv6无线传感器网络节点”项目需求,主要围绕传感器网络节点物理平台的开发和实现来展开。根据实际需求自主设计和开发了可分别用于环境监测的传感器节点和可用于军事训练的传感器节点以及适用于两种传感器节点的辅助编程调试工具。其中环境监测传感器节点可对温湿度、光强等数据进行精确采集;军事训练传感器节点不仅具有环境监测的功能,同时还可以通过GPS定位模块精确定位已装备上传感器节点士兵的行踪。深入分析了项目应用需求,在提出了两种传感器节点硬件平台的总体设计方案的基础上,主要完成了节点硬件平台各模块的芯片选型及电路设计;在掌握了MSP430F1611开发技术的基础上,完成了节点外围模块驱动程序设计以及测量结果计算。重点实现了两种设计方案下节点的无线通信模块通信协议程序设计,从而通过传感器节点构建了点到点的无线通信链路。针对传感器网络在军事上的应用,设计了一种适用于该通信系统的跳频通信协议,使用军事训练节点实现了跳频通信。最后在分析了传感器网络节点能耗的基础上,对能源管理技术进行了一定的研究工作,给出了两种节点不同工作模式下的功耗测量结果。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.1.3 无线传感器网络节点的体系结构
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的应用及当前研究现状
• 1.3.1 无线传感器网络的应用
• 1.3.2 无线传感器网络当前研究现状
• 1.3.3 国外无线传感器网络节点介绍
• 1.4 课题背景及本文的主要工作
• 1.4.1 课题背景介绍
• 1.4.2 本文的主要工作及论文结构
• 第二章 无线传感器网络节点硬件平台的设计与实现
• 2.1 无线传感器网络节点硬件平台的基本要求
• 2.2 总体设计方案
• 2.2.1 可用于环境监测的无线传感器网络节点
• 2.2.2 可用于军事训练的无线传感器网络节点
• 2.3 无线传感器网络节点各主要功能模块芯片选型及设计
• 2.3.1 数据处理模块
• 2.3.2 无线通信模块
• 2.3.3 数据采集模块
• 2.3.4 电源模块
• 2.4 无线传感器网络节点其它外围模块选型及设计
• 2.4.1 硬件节点物理索引电路设计
• 2.4.2 串口通信模块
• 2.4.3 GPS定位模块
• 2.5 辅助编程调试工具的设计
• 2.5.1 用于环境监测传感器节点的辅助编程调试工具设计
• 2.5.2 用于军事训练传感器节点的辅助编程调试工具设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 无线传感器网络节点物理平台外围模块驱动程序设计
• 3.1 调试环境介绍
• 3.2 微处理器初始化
• 3.2.1 时钟模块初始化
• 3.2.2 MSP430F1611端口寄存器初始化
• 3.3 数据采集模块驱动程序设计
• 3.3.1 温湿度传感器驱动程序设计
• 3.3.2 用微控制器的A/D转换通道实现模拟量的采集
• 3.4 硬件物理索引号驱动程序设计
• 3.4.1 1-Wire信令
• 3.4.2 1-Wire传输时序
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线传感器网络节点通信协议程序设计与实现
• 4.1 无线通信协议的基本要求
• 4.2 MSP430+TR3000通信系统程序设计
• 4.2.1 微控制器初始化
• 4.2.2 TR3000基带编码码型分析
• 4.2.3 无线发送程序设计
• 4.2.4 无线接收程序设计
• 4.3 MSP430+TRF6903通信协议程序设计
• 4.3.1 微控制器初始化
• 4.3.2 TRF6903初始化及寄存器配置
• 4.3.3 无线通信协议定义
• 4.3.4 无线发送程序设计
• 4.3.5 无线接收程序设计
• 4.4 节点无线通信性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 跳频通信在无线传感器网络中的应用
• 5.1 基于TRF6903的跳频通信系统概述
• 5.1.1 跳频通信系统概述
• 5.1.2 基于TRF6903的跳频通信系统
• 5.2 跳频通信关键技术
• 5.2.1 跳频频率合成技术
• 5.2.2 跳频同步技术
• 5.3 使用MSP430F1611+TRF6903实现跳频通信
• 5.3.1 跳频发送/接收协议定义
• 5.3.2 使用伪随机序列产生跳频表
• 5.3.3 跳频通信协议的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 硬件调试及无线传感器网络节点功耗分析
• 6.1 无线传感器网络节点的硬件调试
• 6.1.1 MSP430F1611硬件调试
• 6.1.2 无线通信模块的硬件调试
• 6.1.3 调试中遇到的问题及解决办法
• 6.2 无线传感器网络节点的能源管理技术
• 6.2.1 处理器模块的节能策略
• 6.2.2 无线通信模块的节能策略
• 6.2.3 节点功耗的测量结果
• 6.3 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 附 录 传感器网络节点硬件平台无线通信模块原理图
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢