多功能低功耗无线传感器网络系统的研究与设计

发布时间：2020-08-24 23:55

【摘要】：无线传感器网络是一种小型自组织低功耗的区域性数字化无线通信网络,具有低成本和易于维护等优点。但由于无线信道环境复杂,硬件设备供电受环境限制而采用电池供电,单一的通信频段和较高的设备功耗限制了这一技术的实际推广。同时目前常用无线传感器网络软件系统也存在如底层代码不开源,微型操作系统任务调度实时性差和目标硬件范围较小难以移植等问题。为解决上述问题,本文设计了一种新型多用低功耗无线传感器网络硬件平台,此平台可任意搭配使用目前主流的各种无线射频通信模块以适用于各种不同的无线信道环境；并针对该平台设计了相应的软件系统,将其设计为模块化开发组件模板程序,用户可根据实际需要添加自定义应用程序。硬件部分采用宏晶科技IAP15F(L)2K61S2系列高性能低功耗纯8051核心单片机作为主控单元,此芯片提供61KB程序存储空间和2KB静态SRAM数据存储空间以方便用户进行编程开发；同时具有ISP、IAP以及在线仿真等功能从而节约开发成本；软件编程可采用目前主流C51语言及8031汇编语言,程序编写方便。无线射频部分提供多用射频模块接口,可搭配引脚转接板任意连接使用目前主流的各种无线通信模块。此外,硬件部分还设计了各种扩展接口以备二次开发使用。硬件设计完成后经测试其无线通信距离可达150米,最大功率为280mw,完全满足实际应用要求。软件部分包括设备驱动、自主开发微型操作系统和通用协议栈程序。为实现硬件控制,移植了多种硬件设备驱动并集成到模块化开发组件中,上层程序可直接调用。自主开发的微型嵌入式操作系统包括任务存储栈、任务运行栈、任务调度器和任务调度控制器等几部分,内部采用了目前主流的实时任务调度法并包含了传统无线传感器网络操作系统常规的顺序任务调度法,通过函数代码为用户提供控制接口,可完成操作系统的初始化及任务调度等功能,程序开发较为方便。无线通信控制采用二层EZMac协议移植版本,该协议为64字节短数据帧通信协议,通过适当修改后可适用于多种射频前端。上述内容经实际设计完成后进行调试,各部分硬件及程序工作状态良好,无线数据通信可靠,设备功耗较低,当任务总运行时间较长时,微型操作系统部分的任务调度效率明显优于常规顺序任务调度方式且可进行复杂的算法程序调度,协议程序有效防止了数据包的碰撞并可使用配置文件实现无线组网功能。如连接相应传感器设备及上位机即可实现一套实用的无线传感器网络系统。
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9

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本文编号：2803002