本文關鍵詞：基于ZigBee的無線傳感器網絡通信協(xié)議棧設計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《電子科技大學》 2011年

基于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點管理器的硬件設計與實現(xiàn)

呂陽  

【摘要】：隨著計算機技術、通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的飛速發(fā)展,應用于環(huán)境監(jiān)測,公共安全,醫(yī)療及軍事領域的無線傳感器網絡(WSN)已經成為21世紀的一個新的研究熱點。本文提出了一種基于Zigbee協(xié)議,應用于環(huán)境監(jiān)測領域的無線傳感器網絡系統(tǒng)體系結構,包括若干采集節(jié)點,一個節(jié)點管理器以及遠程數(shù)據(jù)終端。傳感器采集節(jié)點將傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊集成在一塊很小的物理單元上,并將其大量部署在野外監(jiān)測區(qū)域,采集多種環(huán)境參數(shù),包括環(huán)境溫度、濕度、風速、風向、雨量等信息,最終將采集數(shù)據(jù)路由至節(jié)點管理器。節(jié)點管理器負責建立Zigbee網絡,管理采集節(jié)點,存儲及轉發(fā)數(shù)據(jù)并向采集節(jié)點下達數(shù)據(jù)終端的命令�？蛻魯�(shù)據(jù)終端為一臺具有固定IP地址的PC機,其安裝有系統(tǒng)運行軟件、數(shù)據(jù)庫。用戶可通過數(shù)據(jù)終端對所有節(jié)點進行管理和配置,查詢采集信息及網絡拓撲結構,下發(fā)任務。 本文著重研究了無線傳感器網絡節(jié)點管理器的硬件設計,其包括電源模塊,處理器模塊,無線通信模塊以及存儲與顯示模塊。電源模塊基于無線傳感器網絡低功耗的要求對系統(tǒng)的能量進行管理與分配,設計太陽能充電電路保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。節(jié)點管理器以ARM-LPC2148芯片為核心處理器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與命令解析、各模塊控制等功能。通信模塊實現(xiàn)Zigbee技術,GSM技術及以太網技術,CC2531子模塊負責與底層采集節(jié)點通信,同時GSM模塊與以太網模塊可以短信、GPRS及Internet等方式與遠程數(shù)據(jù)終端進行通信。最后,實時的監(jiān)測實驗證明本系統(tǒng)穩(wěn)定有效。本文提出的傳感器網絡的體系結構與設計方案為今后的進一步研究與應用提供了一定的實用參考價值。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【目錄】：

摘要4-5

ABSTRACT5-10

第一章 引言10-17

1.1 課題背景及意義10-11

1.2 無線傳感器網絡的特點11-12

1.3 無線傳感器網絡的應用及發(fā)展概況12-15

1.3.1 無線傳感器網絡的應用12-13

1.3.2 Zigbee 技術13-15

1.4 課題研究的主要內容15

1.5 本人工作及論文組織結構15-17

第二章 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網絡節(jié)點管理器的總體設計17-28

2.1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網絡的總體設計原則及設計方案17-20

2.1.1 總體設計原則17-18

2.1.2 系統(tǒng)工作原理及結構18-20

2.2 節(jié)點管理器的總體設計20-26

2.2.1 節(jié)點管理器設計的必要性20-21

2.2.2 節(jié)點管理器的功能21-22

2.2.3 節(jié)點管理器的總體結構及功能指標22-23

2.2.4 傳感器網絡協(xié)議棧系統(tǒng)實現(xiàn)23-25

2.2.5 傳感器網絡實現(xiàn)及建立過程25-26

2.3 本章小結26-28

第三章 節(jié)點管理器的硬件設計與實現(xiàn)28-60

3.1 節(jié)點管理器各功能設計論證及主要器件選型28-37

3.1.1 處理器模塊設計及選型28-29

3.1.2 Zigbee 網絡建立及相關器件選型29-30

3.1.3 遠程無線通信設計及相關器件選型30-31

3.1.4 遠程有線通信設計及相關器件選型31-32

3.1.5 現(xiàn)場配置與檢測設計32

3.1.6 數(shù)據(jù)存儲設計及相關器件選型32

3.1.7 能量供應與管理32-37

3.2 節(jié)點管理器硬件總體實現(xiàn)37-39

3.3 電源模塊電路實現(xiàn)39-46

3.3.1 太陽能充電電路39-40

3.3.2 雙電源切換電路40-41

3.3.3 開關電源41-45

3.3.4 其他電源網絡45-46

3.4 處理器模塊電路實現(xiàn)46-52

3.4.1 電源與復位電路46-48

3.4.2 系統(tǒng)時鐘電路48-49

3.4.3 JTAG 仿真接口49-50

3.4.4 USB 總線接口50-51

3.4.5 I/O 引腳配置及擴展接口51-52

3.5 通信模塊電路實現(xiàn)52-57

3.5.1 CC2531 子模塊電路實現(xiàn)52-53

3.5.2 GSM 模塊電路實現(xiàn)53-55

3.5.3 以太網模塊電路實現(xiàn)55-57

3.6 存儲與顯示模塊電路實現(xiàn)57-58

3.7 電源及地網絡劃分58-59

3.8 本章小結59-60

第四章 節(jié)點管理器功能調試及分析60-72

4.1 電源網絡調試60-62

4.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建62-63

4.3 LPC2148 系統(tǒng)實現(xiàn)及操作系統(tǒng)移植63-66

4.3.1 復位電路及JTAG 調試63

4.3.2 LPC2148 系統(tǒng)配置63-64

4.3.3 嵌入式操作系統(tǒng)移植64-66

4.4 GSM 模塊功能調試66-69

4.4.1 SIM300C 模塊啟動與入網66-67

4.4.2 UART1 接口通信及AT 指令實現(xiàn)67-69

4.5 SD 存儲卡初始化及文件系統(tǒng)實現(xiàn)69-71

4.6 本章小結71-72

第五章 系統(tǒng)參數(shù)測試及實驗72-79

5.1 節(jié)點管理實際功耗測試72-73

5.2 CC2531 模塊通信距離測試73

5.3 系統(tǒng)實驗73-78

5.3.1 傳感器采集節(jié)點73-75

5.3.2 實驗平臺搭建75

5.3.3 系統(tǒng)工作流程75-76

5.3.4 實驗結果76-78

5.4 本章小結78-79

第六章 總結與展望79-82

6.1 本人工作總結79-80

6.2 工作展望80-82

致謝82-83

參考文獻83-85

攻碩期間取得的研究成果85-86

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