基于环境监测的无线传感器网络节点管理器的硬件设计与实现

发布时间：2016-07-11 10:17

  本文关键词：基于ZigBee的无线传感器网络通信协议栈设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

《电子科技大学》 2011年

基于环境监测的无线传感器网络节点管理器的硬件设计与实现

吕阳  

【摘要】：随着计算机技术、通信技术、嵌入式技术、传感器技术的飞速发展,应用于环境监测,公共安全,医疗及军事领域的无线传感器网络(WSN)已经成为21世纪的一个新的研究热点。本文提出了一种基于Zigbee协议,应用于环境监测领域的无线传感器网络系统体系结构,包括若干采集节点,一个节点管理器以及远程数据终端。传感器采集节点将传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上,并将其大量部署在野外监测区域,采集多种环境参数,包括环境温度、湿度、风速、风向、雨量等信息,最终将采集数据路由至节点管理器。节点管理器负责建立Zigbee网络,管理采集节点,存储及转发数据并向采集节点下达数据终端的命令。客户数据终端为一台具有固定IP地址的PC机,其安装有系统运行软件、数据库。用户可通过数据终端对所有节点进行管理和配置,查询采集信息及网络拓扑结构,下发任务。 本文着重研究了无线传感器网络节点管理器的硬件设计,其包括电源模块,处理器模块,无线通信模块以及存储与显示模块。电源模块基于无线传感器网络低功耗的要求对系统的能量进行管理与分配,设计太阳能充电电路保证系统长期稳定运行。节点管理器以ARM-LPC2148芯片为核心处理器,实现数据处理与命令解析、各模块控制等功能。通信模块实现Zigbee技术,GSM技术及以太网技术,CC2531子模块负责与底层采集节点通信,同时GSM模块与以太网模块可以短信、GPRS及Internet等方式与远程数据终端进行通信。最后,实时的监测实验证明本系统稳定有效。本文提出的传感器网络的体系结构与设计方案为今后的进一步研究与应用提供了一定的实用参考价值。

【关键词】：
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

摘要4-5

ABSTRACT5-10

第一章 引言10-17

1.1 课题背景及意义10-11

1.2 无线传感器网络的特点11-12

1.3 无线传感器网络的应用及发展概况12-15

1.3.1 无线传感器网络的应用12-13

1.3.2 Zigbee 技术13-15

1.4 课题研究的主要内容15

1.5 本人工作及论文组织结构15-17

第二章 环境监测系统无线传感器网络节点管理器的总体设计17-28

2.1 环境监测系统无线传感器网络的总体设计原则及设计方案17-20

2.1.1 总体设计原则17-18

2.1.2 系统工作原理及结构18-20

2.2 节点管理器的总体设计20-26

2.2.1 节点管理器设计的必要性20-21

2.2.2 节点管理器的功能21-22

2.2.3 节点管理器的总体结构及功能指标22-23

2.2.4 传感器网络协议栈系统实现23-25

2.2.5 传感器网络实现及建立过程25-26

2.3 本章小结26-28

第三章 节点管理器的硬件设计与实现28-60

3.1 节点管理器各功能设计论证及主要器件选型28-37

3.1.1 处理器模块设计及选型28-29

3.1.2 Zigbee 网络建立及相关器件选型29-30

3.1.3 远程无线通信设计及相关器件选型30-31

3.1.4 远程有线通信设计及相关器件选型31-32

3.1.5 现场配置与检测设计32

3.1.6 数据存储设计及相关器件选型32

3.1.7 能量供应与管理32-37

3.2 节点管理器硬件总体实现37-39

3.3 电源模块电路实现39-46

3.3.1 太阳能充电电路39-40

3.3.2 双电源切换电路40-41

3.3.3 开关电源41-45

3.3.4 其他电源网络45-46

3.4 处理器模块电路实现46-52

3.4.1 电源与复位电路46-48

3.4.2 系统时钟电路48-49

3.4.3 JTAG 仿真接口49-50

3.4.4 USB 总线接口50-51

3.4.5 I/O 引脚配置及扩展接口51-52

3.5 通信模块电路实现52-57

3.5.1 CC2531 子模块电路实现52-53

3.5.2 GSM 模块电路实现53-55

3.5.3 以太网模块电路实现55-57

3.6 存储与显示模块电路实现57-58

3.7 电源及地网络划分58-59

3.8 本章小结59-60

第四章 节点管理器功能调试及分析60-72

4.1 电源网络调试60-62

4.2 系统开发环境搭建62-63

4.3 LPC2148 系统实现及操作系统移植63-66

4.3.1 复位电路及JTAG 调试63

4.3.2 LPC2148 系统配置63-64

4.3.3 嵌入式操作系统移植64-66

4.4 GSM 模块功能调试66-69

4.4.1 SIM300C 模块启动与入网66-67

4.4.2 UART1 接口通信及AT 指令实现67-69

4.5 SD 存储卡初始化及文件系统实现69-71

4.6 本章小结71-72

第五章 系统参数测试及实验72-79

5.1 节点管理实际功耗测试72-73

5.2 CC2531 模块通信距离测试73

5.3 系统实验73-78

5.3.1 传感器采集节点73-75

5.3.2 实验平台搭建75

5.3.3 系统工作流程75-76

5.3.4 实验结果76-78

5.4 本章小结78-79

第六章 总结与展望79-82

6.1 本人工作总结79-80

6.2 工作展望80-82

致谢82-83

参考文献83-85

攻硕期间取得的研究成果85-86

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【引证文献】

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【同被引文献】

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  本文关键词：基于ZigBee的无线传感器网络通信协议栈设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：68863