基于龙芯和自主物联协议的物联网应用研究

发布时间：2017-08-01 14:09

  本文关键词：基于龙芯和自主物联协议的物联网应用研究

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【摘要】：本文提出了一种基于国产龙芯与自主物联协议的物联网应用系统解决方案。该系统的核心技术自主可控,对国家长远发展战略目标有着深远的意义。本文较为详细的介绍了以下三个模块的软硬件设计:模块一:基于龙芯处理器的嵌入式物联网网关。网关硬件主要由龙芯1B核心板与扩展板组成,龙芯1B核心板主要集成了龙芯1B处理器、FLASH、SDRAM;扩展板主要集成了无线通讯模块与扩展接口。网关软件搭载嵌入式Linux操作系统,本文对龙芯开发板的启动引导程序、系统内核、根文件系统进行了移植,并搭建了嵌入式web服务器与嵌入式数据库系统。模块二:基于SI4432的自主物联模块。本文对比了自主物联模块与主流的ZigBee模块,突出了自主物联模块的优势,同时介绍了自主物联模块的硬件组成与其所涉及的关键技术,叙述了自主物联协议栈物理层、MAC层、网络层、应用层的相关设计。本文在此基础上实现了MAC层基于802.15.4标准的CSMA/CA机制的退避算法,并对该算法进行了优化,将当前网络状态作为考虑因素添加到以上算法中,有概率的调整随机退避时间区间大小,可以有效的减少数据包冲突机率,从而降低功耗。模块三:无线传感器模块。本文给出了无线传感器节点的整体设计结构,根据网络拓扑结构区分节点类型,定义了协调器节点、路由节点、终端节点的软硬件资源。并且设计了四种传感器模块用于系统实验。本文主要创新点:一、搭建物联网系统时,使用龙芯处理器加自主物联模块的设计方案代替主流ARM处理器加ZigBee模块的设计方案。并且经过测试证实其可行性。二、通过分析IEEE802.15.4标准协议MAC层CSMA/CA机制的退避算法,结合自主物联模块硬件特性与当前网络状态提出了新的改进方案,并加以实现与测试,其结果表明能够有效的降低丢包率,同时达到降低功耗的目的。三、以理论公式为基础结合SI4432模块的特性提出了最优发射功率的计算方法,兼顾接收灵敏度与覆盖范围的选择,可以结合实际环境,灵活的选择最优发射功率,降低功耗。
【关键词】：龙芯 自主物联模块 CSMA/CA 退避算法 最优发射功率
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.44;TN929.5
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-12
• 第1章 绪论12-16
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状以及发展趋势13-14
• 1.3 论文内容安排14-16
• 第2章 系统整体概述与相关技术介绍16-21
• 2.1 系统需求分析16-17
• 2.2 系统主要功能模块17-18
• 2.2.1 基于龙芯处理器的嵌入式网关17
• 2.2.2 自主物联模块17-18
• 2.2.3 传感器节点模块18
• 2.3 系统整体架构设计18-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 基于龙芯处理器的物联网网关设计21-38
• 3.1 网关总体概述21-22
• 3.2 网关硬件平台设计22-26
• 3.2.1 龙芯网关整体硬件架构22-23
• 3.2.2 龙芯 1B处理器介绍23-24
• 3.2.3 龙芯 1B开发板硬件资源24-26
• 3.3 网关软件平台设计26-36
• 3.3.1 龙芯网关整体软件架构26-27
• 3.3.2 搭建嵌入式开发环境27-28
• 3.3.3 系统引导程序PMON移植28-29
• 3.3.4 Linux内核移植29-31
• 3.3.5 根文件系统制作31-33
• 3.3.6 系统镜像烧写33-34
• 3.3.7 嵌入式web服务器与数据库移植34-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 自主物联模块设计38-52
• 4.1 IEEE802.15.4 协议标准和Zig Bee规范38-39
• 4.1.1 IEEE802.15.4 协议标准简介38
• 4.1.2 ZigBee规范38-39
• 4.2 自主物联模块与Zig Bee模块对比39-40
• 4.3 自主物联模块的关键技术40-41
• 4.3.1 多级路由技术40
• 4.3.2 大规模组网技术40-41
• 4.3.3 双频自适应切换、抗干扰技术41
• 4.3.4 低功耗技术41
• 4.3.5 即插即用、自动配置41
• 4.3.6 高灵敏度射频模块PCB设计41
• 4.4 自主物联模块硬件设计41-43
• 4.4.1 SI4432无线射频模块41-42
• 4.4.2 STM8L处理器模块42
• 4.4.3 自主物联模块硬件结构42-43
• 4.5 自主物联协议栈设计43-49
• 4.5.1 协议栈模型分层43-44
• 4.5.2 物理层设计44-45
• 4.5.3 MAC层设计45-48
• 4.5.4 网络层设计48-49
• 4.5.5 应用层设计49
• 4.6 本章小结49-52
• 第5章 自主物联模块低功耗软件优化52-60
• 5.1 传感器节点的能量限制52
• 5.2 MAC层冲突避免算法的改进52-57
• 5.2.1 基于 802.15.4 的CSMA/CA机制的冲突避免退避算法52-54
• 5.2.2 改进的冲突避免退避算法54-55
• 5.2.3 丢包率测试55-57
• 5.3 最优发射功率的计算57-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第6章 无线传感器节点设计60-64
• 6.1 无线传感器节点结构设计60
• 6.2 无线传感器节点资源分配60-61
• 6.3 传感器模块设计61-63
• 6.3.1 温湿度模块设计61
• 6.3.2 光强检测模块设计61-62
• 6.3.3 空气质量模块设计62
• 6.3.4 亮度调制模块设计62-63
• 6.4 本章小结63-64
• 第7章 系统功能测试64-68
• 7.1 自主物联模块点对点极限距离测试64-66
• 7.2 基于龙芯和自主物联模块的物联应用测试66-67
• 7.3 本章小结67-68
• 第8章 总结与展望68-70
• 8.1 全文总结68
• 8.2 工作展望68-70
• 参考文献70-74
• 附录74-76
• 附录1 参与的科研项目74
• 附录2 攻读硕士学位期间发表的论文74-76
• 致谢76-77
• 大摘要77-81

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本文编号：604608