无线传感器网络汇聚节点硬件设计与实现

论文摘要

无线传感器网络是当前国际上备受关注的一项新兴技术,是信息感知与采集的一场革命。及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究,对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物,在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域正被广泛地应用,已突显出巨大的应用价值。相信随着嵌入式技术、无线通信技术、半导体技术的飞速发展,一个无所不在的无线网络的出现将不再是梦。本课题致力于探索无线传感器网络技术在环境监测系统中的应用,借鉴以往有线方式获取数据的经验,开发一种符合无线传感器网络体系结构模型,面向环境监测的新型低功耗无线网络汇聚节点。作为以数据为中心、面向应用的网络系统,要求汇聚节点自带的微处理器不仅要具备较强的数据处理能力、数据存储能力,而且还必须保证至上、至下通信链路的便利性与稳定性。本次系统的设计遵循嵌入式系统开发流程,选择符合实际要求的微处理器、射频芯片、无线通信模块,融入当前热门的无线通信技术(如通用无线分组服务技术、紫蜂技术),通过认真细致的分析、计算与仿真,在为期近一年的时间内完成了系统要求的传感器网络汇聚节点硬件平台的设计。在多次的室内、室外测试环境下,汇聚节点存在的设计弊端、功能缺陷被逐一加以改进。经多次系统联合测试,其工作的相对稳定性确保了测试对象(如土壤、空气温湿度等)顺利上传至服务器,服务器控制指令按时下达给监测区域采集节点。就本次系统设计,本文主要分为以下几部分:1.描述传感器网络通用模型中汇聚节点功能,就其技术路线可能涉及的无线通信技术优缺点做出简单的概述。2.遵循设计原则,按照相应设计指标,给出适合本次课题背景的汇聚节点总体方案的实现框图。3.采用模块化的体系结构、易于操作的通信接口实现总体方案,并就运用的关键器件相应外围电路给出具体的设计原理图。4.借助调试工具严格测试生成PCB,详细记录调试结果与发现的问题。5.参与传感器网络系统联合测试,验证汇聚节点实际环境中工作的稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络总体概述
• 1.2 无线传感器网络发展与国内外研究动态
• 1.3 无线传感器网络应用现状
• 1.4 课题背景与本文结构分布
• 第二章 无线传感器网络汇聚节点功能及通信方式概述
• 2.1 汇聚节点功能及组成结构简述
• 2.2 短距离无线通信技术分析与比较
• 2.2.1 短距离无线通信技术特征
• 2.2.2 主流短距离无线通信技术对比分析
• 2.3 汇聚节点与Internet 互联方案分析
• 2.3.1 汇聚节点与Internet 互联必要性
• 2.3.2 汇聚节点与Internet 互联方案概述
• 第三章 无线传感器网络汇聚节点硬件设计总体概述
• 3.1 汇聚节点嵌入式系统硬件设计概述
• 3.1.1 嵌入式系统特体系结构与开发流程
• 3.1.2 汇聚节点体系结构简述
• 3.1.3 汇聚节点设计指标评估
• 3.1.4 汇聚节点设计总体原则
• 3.2 汇聚节点器件选型标准与特性概述
• 3.2.1 微处理器选型
• 3.2.2 无线收发模块选型
• 3.2.3 射频收发器选型
• 3.2.4 外扩存储器选型
• 3.2.5 电池选型
• 3.2.6 无线传感器OS 选型
• 3.3 汇聚节点硬件设计方案提出与论证
• 3.3.1 汇聚节点硬件设计总体方案简述
• 3.3.2 汇聚节点硬件设计方案论证
• 第四章 无线传感器网络汇聚节点硬件电路原理图设计
• 4.1 汇聚节点硬件原理实现框图
• 4.2 电源模块分析与相关电路设计
• 4.2.1 汇聚节点电源网络分析与原理图设计
• 4.2.2 电源充放电电路分析与原理图设计
• 4.3 微处理器LPC2106 外围接口电路设计
• 4.3.1 微处理器LPC2106 复位电路与电源电路原理设计
• 4.3.2 JTAG 调试接口电路原理设计
• 4.3.3 时钟电路接口电路原理设计
• 4.4 GPRS 模块SIM300C 外围接口电路设计
• 4.5 射频芯片CC2430 外围接口电路设计
• 4.5.1 CC2430 与LPC2106 通信接口电路设计
• 4.5.2 CC2430 射频电路设计与天线选择
• 4.6 外扩存储器FM25H20 接口电路设计
• 第五章 无线传感器网络汇聚节点 PCB 设计与调试分析
• 5.1 PCB 设计总体概述
• 5.1.1 信号完整性简述
• 5.1.2 电磁兼容性简述
• 5.1.3 电源完整性简述
• 5.2 PCB 设计流程与规范概述
• 5.2.1 设计流程简述
• 5.2.2 设计规范简述
• 5.3 汇聚节点PCB 设计
• 5.4 汇聚节点PCB 分块调试分析与经验总结
• 5.4.1 电源模块调试与分析
• 5.4.2 复位电路与时钟电路调试分析
• 5.4.3 JTAG 调试接口调试分析
• 5.4.4 FM25H20 调试分析
• 5.4.5 SIM300C 与CC2430 调试分析
• 5.4.5.1 串行通信调试概述
• 5.4.5.2 SIM300C 调试分析与总结
• 第六章 无线传感器网络系统户外测试
• 6.1 测试原则与测试过程概述
• 6.2 传感器网络系统测试对象介绍
• 6.3 系统户外测试平台搭建
• 6.4 系统户外测试工作流程描述
• 6.5 系统低功耗测试结果统计
• 6.6 系统户外测试结果展示
• 6.7 测试问题记录与改进方案
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文与科研参与情况