农业环境参数远程检测WSN网关的研究与设计

论文摘要

实时、有效地采集农业环境参数是实现精细农业的重要基础。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）的出现,为解决精细农业中环境参数检测这一关键技术问题提供了途径。在WSN系统中,网关节点负责组建、管理传感器布署区域子网,并将该子网与监控中心连接。针对现有网关节点仅能实现数据传输基本功能的实际,本文以提高网关节点的硬件性能,实现动态网络配置与管理、数据远程传输为目标,研究适合农业环境参数检测的WSN网关节点的设计与实现方法。论文主要研究工作和结论如下:（1）在分析农业环境参数远程采集系统结构的基础上,从低功耗和可靠性出发,网关节点的EMPU采用S3C2410A、ZigBee通信模块采用CC2430。硬件设计采用核心板加底板及模块化接口的设计思路,提高了网关节点的抗电磁干扰能力。（2）为提高设计的可靠性、效率及降低开发成本,核心板采用深圳优龙公司FS2410;设计开发了底板电路,主要包括电源电路、上电复位电路、实时时钟电路、基于ZigBee技术的射频单元电路、LCD驱动电路、触摸屏控制电路、USB通信接口、UART通信接口及以太网通信接口。（3）分析、比较常用嵌入式操作系统特点,根据其特性选定本网关节点的操作系统,根据硬件特性修改和定制出本网关节点的操作系统和BootLoader程序,并进行移植,构建出网关节点系统软件。分析ZigBee协议栈（TI公司ZStack-1.4.3-1.2.1版本）程序运行结构并在其中添加CC2430串口驱动程序。（4）从WSN系统实际应用和网关节点功能出发,采用串口编程、线程通信、网络套接字等策略设计实现了网关节点4个应用程序:动态配置ZigBee网络应用程序;基于以太网方式数据传输应用程序;基于SMS方式数据传输应用程序及在CC2430上实现基于ZigBee协议栈的串口通信应用程序。（5）测试结果表明,设计的WSN网关,能动态、灵活地配置ZigBee网络,能成功将协调器收集到的数据以以太网的方式转发给PC机服务器,以SMS的方式发送到用户手机上。整个系统具有实时、可靠、低功耗、检测范围广等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 WSN 研究应用现状
• 1.2.1 WSN 国外研究应用现状
• 1.2.2 WSN 国内研究应用现状
• 1.3 研究内容与论文结构
• 第二章 WSN 系统分析及网关节点设计方案
• 2.1 WSN 技术特点
• 2.2 ZigBee 简介及技术特点
• 2.3 基于ZigBee 技术的WSN 远程采集系统拓扑结构
• 2.4 网关节点设计方案
• 2.4.1 从接口的角度分析
• 2.4.2 从协议转换的角度分析
• 2.4.3 从功能实现的角度分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 网关节点硬件设计
• 3.1 主要芯片组选择分析
• 3.2 网关节点硬件构架
• 3.3 核心板选型分析
• 3.4 底板设计与实现
• 3.4.1 电源电路
• 3.4.2 上电复位电路
• 3.4.3 实时实钟电路
• 3.4.4 基于ZigBee 技术的射频单元电路
• 3.4.5 LCD 驱动电路
• 3.4.6 触摸屏控制电路
• 3.4.7 USB 通信接口
• 3.4.8 UART 通信接口
• 3.4.9 以太网通信接口
• 3.5 GPRS 通信模块
• 3.6 本章小结
• 第四章 网关节点软件设计
• 4.1 嵌入式操作系统选型分析及WinCE5.0 操作系统定制
• 4.1.1 嵌入式操作系统选型分析
• 4.1.2 嵌入式操作系统WinCE5.0 定制
• 4.1.2.1 Platform Builder 简介
• 4.1.2.2 BSP 设计
• 4.1.2.3 WinCE5.0 定制的具体实现及网关 SDK 的导出
• 4.2 BootLoader 设计
• 4.2.1 Bootloader 功能分析
• 4.2.2 BootLoader 设计
• 4.2.2.1 BootLoader 开发工具AD51.2
• 4.2.2.2 BootLoader 实现
• 4.3 嵌入式操作系统的移植
• 4.3.1 WinCE5.0 的移植
• 4.3.2 BootLoader 的移植
• 4.4 ZigBee 协议栈实现及串口通信程序编写
• 4.4.1 ZigBee 协议栈选型分析
• 4.4.2 ZigBee 协议栈的实现
• 4.4.2.1 开发工具选择
• 4.4.2.2 ZStack-1.4.3-1.2.1 版本协议栈结构分析
• 4.4.2.3 协议栈的编译连接及下载
• 4.4.3 基于ZigBee 协议栈的串口通信程序编写
• 4.4.3.1 串口驱动程序在协议栈中的实现
• 4.4.3.2 基于ZStack-1.4.3-1.2.1 串口通信程序的实现
• 4.5 WinCE5.0 应用程序开发软件EVC4.2
• 4.6 动态配置ZigBee 网络应程序分析及设计与实现
• 4.6.1 ZigBee 网络动态配置分析
• 4.6.2 动态配置 ZigBee 网络程序设计及实现
• 4.7 基于以太网方式数据传输应用程序分析及设计与实现
• 4.7.1 基于以太网方式数据传输应用程序分析
• 4.7.2 基于以太网方式数据传输应用程序设计与实现
• 4.8 基于SMS 方式数据传输应用程序设计
• 4.8.1 SMS
• 4.8.2 基于SMS 方式数据传输应用程序设计与实现
• 4.9 嵌入式文件操作
• 4.10 本章小结
• 第五章 系统测试与分析
• 5.1 系统测试
• 5.1.1 测试条件
• 5.1.2 测试方法
• 5.1.2.1 ZigBee 网络配置测试
• 5.1.2.2 基于以太网方式数据传输测试
• 5.1.2.3 基于SMS 方式数据传输测试
• 5.2 测试结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介