基于nRF905的无线传感网络硬件平台的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络是一种通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,它集嵌入式、分布式处理、传感器、无线通信等技术于一体,是未来移动通信技术的核心组成部分,现已应用于工业自动化、农业、交通、智能监控等领域,具有广阔的发展前景。传感器节点是无线传感器网络的基础性硬件平台,是一个具有信号采集、数据处理、无线通信等功能的微型嵌入式系统。目前针对各个领域已经出现多种传感器节点的产品,但是大多数的传感器节点价格还是比较高昂,不适合大规模的铺设,而且传感器节点都已经集成协议栈,对实验室相关研究有一定的局限性。因此针对实际工程应用的要求以及为实验室研究人员提供硬件平台,设计了一种以STC12系列单片机和nRF905射频收发器为核心的传感器节点,并且设计了基于这种节点的自组织通信协议。首先,在对无线传感器网络深入研究的基础上,给出了传感器节点的硬件设计方案及通信协议的设计准则;其次完成了节点各个模块的选型、电路设计以及底层驱动程序的设计;然后在典型按需路由协议DSR(Dynamic Source Routing,动态源路由协议)的基础上设计了一种无线自组织通信协议,给出通信协议实现中关键问题的解决方法,并给出了通信协议中每个过程的软件设计流程图,实现了整个通信协议的软件设计;最后对设计出的传感器节点及通信协议进行试验测试,包括传输距离测试,自组织测试、路由维护测试、吞吐率测试等。试验数据结果表明该节点实现了自组织和多跳数传,并且通信稳定可靠,网络吞吐率达到无线传感器网络的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.1.1 无线传感器网络概念与特点
• 1.1.2 无线传感器网络的应用
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要内容与结构
• 第2章 无线传感器网络节点总体设计
• 2.1 节点设计要求
• 2.2 节点总体架构设计
• 2.3 节点器件选型
• 2.3.1 无线收发模块
• 2.3.2 微控制器模块
• 2.3.3 传感器模块
• 2.3.4 其它模块
• 2.4 通信协议
• 2.4.1 协议设计要求
• 2.4.2 无线网络拓扑结构
• 2.4.3 路由协议
• 2.5 本章小结
• 第3章 无线传感器节点的硬件设计
• 3.1 核心器件介绍
• 3.1.1 nRF905
• 3.1.2 STC12LE5410AD
• 3.2 节点硬件电路设计
• 3.2.1 节点硬件框图
• 3.2.2 MCU 硬件电路设计
• 3.2.3 nRF905 硬件电路设计
• 3.2.4 模块间通信电路设计
• 3.3 硬件调试
• 3.4 本章小结
• 第4章 无线传感器网络节点的软件设计
• 4.1 软件编写环境及调试软件
• 4.2 无线收发器件驱动软件设计
• 4.2.1 nRF905 初始化配置
• 4.2.2 nRF905 工作模式配置
• 4.2.3 SPI 通信程序设计
• 4.2.4 nRF905 的工作流程
• 4.2.5 串口通信程序设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 无线传感器网络系统的设计和实现
• 5.1 通信协议总体设计
• 5.2 DSR 路由协议
• 5.2.1 DSR 协议实现过程
• 5.2.2 DSR 协议的改进
• 5.3 协议具体实现中的关键技术
• 5.3.1 广播机制
• 5.3.2 退避算法
• 5.3.3 请求发送/清除发送（RTS/CTS）
• 5.4 数据帧格式定义
• 5.5 通信协议的软件实现
• 5.5.1 广播
• 5.5.2 数据传输
• 5.5.3 路由修复
• 5.6 试验测试
• 5.6.1 节点有效通信距离测试
• 5.6.2 自组网测试
• 5.6.3 路由维护测试
• 5.6.4 吞吐率测试
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介