本文關(guān)鍵詞：用于環(huán)境監(jiān)測的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) Zigbee 低功耗 通用性 環(huán)境監(jiān)測

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)作為21世紀(jì)的通信網(wǎng)絡(luò),高度集成了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及無線通信技術(shù)等多領(lǐng)學(xué)科,具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和重要的研究意義。大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過快速部署,以自組織方式形成網(wǎng)絡(luò),執(zhí)行無人值守任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)相對位置的變化以及部分節(jié)點(diǎn)失效等問題不對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成毀滅性影響,非常適用于環(huán)境監(jiān)測、國防軍事、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。然而,目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也面臨很多問題,如能源受限、傳輸距離有限、通用性弱等。目前,能源問題已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一,該問題涉及能源供給和能源消耗兩個(gè)方面。隨著傳感器節(jié)點(diǎn)的小型化和功能復(fù)雜化,傳統(tǒng)的能源供給模式越來越不能滿足使用者的應(yīng)用需求。本文在深入研究傳感器節(jié)點(diǎn)能源供給和系統(tǒng)低功耗理論后,改進(jìn)了低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型,該模型以低功耗作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,從節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)都把節(jié)能作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在硬件設(shè)計(jì)過程中,利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片對整個(gè)系統(tǒng)供電電路進(jìn)行管理,并采用開關(guān)電路控制傳感器接口。在軟件設(shè)計(jì)過程中,運(yùn)用了時(shí)間同步機(jī)制、休眠機(jī)制以及最小發(fā)射功率機(jī)制。因此,節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)功耗大幅度降低,同時(shí)延長了傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命,增加了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用教研室基于Zigbee協(xié)議自主研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。同時(shí),利用太陽能電池最大功率跟蹤技術(shù),對鋰電池充電,解決了節(jié)點(diǎn)的能源持續(xù)供給問題。與傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)相比,本文采用了通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制電源通斷實(shí)現(xiàn)低功耗技術(shù)的設(shè)計(jì)方案,使傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠功耗降到uA量級,最大程度上解決了傳感器節(jié)點(diǎn)的能源消耗問題。同時(shí),本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器接口具有通用性,非常適用于環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用。最后,經(jīng)過系統(tǒng)化測試,驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠滿足在野外長期執(zhí)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集任務(wù)的要求。
【關(guān)鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) Zigbee 低功耗 通用性 環(huán)境監(jiān)測
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究背景11
• 1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用11-12
• 1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)12-13
• 1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和研究重點(diǎn)13-15
• 1.4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)13-14
• 1.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)14-15
• 1.5 本文研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)15-17
• 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綜述17-25
• 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)綜述17-19
• 2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)19-20
• 2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自供能技術(shù)20-21
• 2.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已有成果21-22
• 2.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案22-24
• 2.5.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)22-23
• 2.5.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖23-24
• 2.6 本章小結(jié)24-25
• 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)25-48
• 3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各功能設(shè)計(jì)論證與芯片選型25-32
• 3.1.1 微處理器25-26
• 3.1.2 電源網(wǎng)絡(luò)26-28
• 3.1.3 太陽能電池28-29
• 3.1.4 存儲功能29
• 3.1.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘29-30
• 3.1.6 IO擴(kuò)展30-31
• 3.1.7 模擬開關(guān)31
• 3.1.8 運(yùn)算放大器31-32
• 3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)32-36
• 3.2.1 微處理器模塊硬件設(shè)計(jì)33-34
• 3.2.2 電源模塊硬件設(shè)計(jì)34
• 3.2.3 采集模塊硬件設(shè)計(jì)34-36
• 3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理器模塊電路實(shí)現(xiàn)36-39
• 3.3.1 CC2530核心電路36
• 3.3.2 電源與復(fù)位36-37
• 3.3.3 存儲器電路和Debug接口37-38
• 3.3.4 巴倫電路38-39
• 3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源模塊電路實(shí)現(xiàn)39-41
• 3.4.1 太陽能電池電路39-40
• 3.4.2 鋰電池管理電路40
• 3.4.3 DC-DC電路40-41
• 3.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集模塊電路實(shí)現(xiàn)41-45
• 3.5.1 模擬開關(guān)電路41-42
• 3.5.2 傳感器接口42-43
• 3.5.3 電阻型傳感器檢測電路43-44
• 3.5.4 IO擴(kuò)展電路44-45
• 3.6 硬件低功耗設(shè)計(jì)45-46
• 3.6.1 鋰電池開關(guān)設(shè)計(jì)45-46
• 3.6.2 電源網(wǎng)絡(luò)和傳感器接口開關(guān)設(shè)計(jì)46
• 3.7 本章小結(jié)46-48
• 第四章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)與調(diào)試48-58
• 4.1 PCB硬件設(shè)計(jì)48-50
• 4.1.1 頂層板設(shè)計(jì)48-49
• 4.1.2 底層板設(shè)計(jì)49-50
• 4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)50-52
• 4.2.1 防水器件選型51
• 4.2.2 模擬安裝51-52
• 4.3 PCB板調(diào)試52-57
• 4.3.1 電源網(wǎng)絡(luò)測試52-53
• 4.3.2 太陽能電池電路測試53-56
• 4.3.3 微處理器電路測試56-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 第五章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)58-67
• 5.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件流程58-59
• 5.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信流程59-60
• 5.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序60-63
• 5.3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集60-61
• 5.3.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷輸出功能61-62
• 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)62-63
• 5.4 軟件低功耗設(shè)計(jì)63-65
• 5.4.1 時(shí)間同步機(jī)制63-64
• 5.4.2 休眠機(jī)制64-65
• 5.4.3 最小發(fā)射功率機(jī)制65
• 5.5 本章小結(jié)65-67
• 第六章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)測試67-79
• 6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)測試工具67
• 6.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信距離測試67-70
• 6.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗測試70-72
• 6.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電流測試70-71
• 6.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓測試71-72
• 6.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集精度測試72-74
• 6.4.1 溫度傳感器測試72-73
• 6.4.2 土壤水分傳感器測試73
• 6.4.3 空氣濕度傳感器測試73-74
• 6.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)防水測試74
• 6.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)野外測試74-78
• 6.7 本章小結(jié)78-79
• 第七章 總結(jié)與展望79-80
• 致謝80-81
• 參考文獻(xiàn)81-83

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本文編號：858400