用于环境监测的低功耗无线传感器网络最优化设计

发布时间：2017-09-15 19:19

  本文关键词：用于环境监测的低功耗无线传感器网络最优化设计

  更多相关文章： 无线传感器网络 Zigbee 低功耗 通用性 环境监测

【摘要】：无线传感器网络(WSN)作为21世纪的通信网络,高度集成了传感器技术、计算机技术以及无线通信技术等多领学科,具有巨大的应用价值和重要的研究意义。大量的网络节点可以通过快速部署,以自组织方式形成网络,执行无人值守任务。传感器节点相对位置的变化以及部分节点失效等问题不对整个网络造成毁灭性影响,非常适用于环境监测、国防军事、生物医疗等领域。然而,目前无线传感器网络也面临很多问题,如能源受限、传输距离有限、通用性弱等。目前,能源问题已经成为无线传感器网络研究的热点之一,该问题涉及能源供给和能源消耗两个方面。随着传感器节点的小型化和功能复杂化,传统的能源供给模式越来越不能满足使用者的应用需求。本文在深入研究传感器节点能源供给和系统低功耗理论后,改进了低功耗无线传感器网络节点模型,该模型以低功耗作为无线传感器网络节点设计准则,从节点的软硬件设计到实现都把节能作为设计的目标。在硬件设计过程中,利用实时时钟芯片对整个系统供电电路进行管理,并采用开关电路控制传感器接口。在软件设计过程中,运用了时间同步机制、休眠机制以及最小发射功率机制。因此,节点的系统功耗大幅度降低,同时延长了传感器节点的寿命,增加了网络的生存时间。网络通信协议采用教研室基于Zigbee协议自主研发的无线传感器网络通信协议。同时,利用太阳能电池最大功率跟踪技术,对锂电池充电,解决了节点的能源持续供给问题。与传统的传感器节点相比,本文采用了通过实时时钟控制电源通断实现低功耗技术的设计方案,使传感器节点的休眠功耗降到uA量级,最大程度上解决了传感器节点的能源消耗问题。同时,本文设计的传感器节点的传感器接口具有通用性,非常适用于环境监测应用。最后,经过系统化测试,验证了本文设计的无线传感器网络节点能够满足在野外长期执行环境数据采集任务的要求。
【关键词】：无线传感器网络 Zigbee 低功耗 通用性 环境监测
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 无线传感器网络的研究背景11
• 1.2 无线传感器网络的研究现状及应用11-12
• 1.3 无线传感器网络体系结构12-13
• 1.4 无线传感器网络的特点和研究重点13-15
• 1.4.1 无线传感器网络的特点13-14
• 1.4.2 无线传感器网络的研究重点14-15
• 1.5 本文研究内容和论文结构15-17
• 第二章 无线传感器网络节点综述17-25
• 2.1 无线传感器网络节点设计综述17-19
• 2.2 无线传感器网络节点设计目标19-20
• 2.3 无线传感器网络节点自供能技术20-21
• 2.4 无线传感器网络已有成果21-22
• 2.5 无线传感器网络节点设计方案22-24
• 2.5.1 无线传感器网络节点设计指标22-23
• 2.5.2 无线传感器网络节点设计框图23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第三章 无线传感器网络节点电路设计25-48
• 3.1 无线传感器网络节点各功能设计论证与芯片选型25-32
• 3.1.1 微处理器25-26
• 3.1.2 电源网络26-28
• 3.1.3 太阳能电池28-29
• 3.1.4 存储功能29
• 3.1.5 实时时钟29-30
• 3.1.6 IO扩展30-31
• 3.1.7 模拟开关31
• 3.1.8 运算放大器31-32
• 3.2 无线传感器网络节点硬件总体设计32-36
• 3.2.1 微处理器模块硬件设计33-34
• 3.2.2 电源模块硬件设计34
• 3.2.3 采集模块硬件设计34-36
• 3.3 无线传感器网络节点处理器模块电路实现36-39
• 3.3.1 CC2530核心电路36
• 3.3.2 电源与复位36-37
• 3.3.3 存储器电路和Debug接口37-38
• 3.3.4 巴伦电路38-39
• 3.4 无线传感器网络节点电源模块电路实现39-41
• 3.4.1 太阳能电池电路39-40
• 3.4.2 锂电池管理电路40
• 3.4.3 DC-DC电路40-41
• 3.5 无线传感器网络节点采集模块电路实现41-45
• 3.5.1 模拟开关电路41-42
• 3.5.2 传感器接口42-43
• 3.5.3 电阻型传感器检测电路43-44
• 3.5.4 IO扩展电路44-45
• 3.6 硬件低功耗设计45-46
• 3.6.1 锂电池开关设计45-46
• 3.6.2 电源网络和传感器接口开关设计46
• 3.7 本章小结46-48
• 第四章 无线传感器网络节点PCB设计与调试48-58
• 4.1 PCB硬件设计48-50
• 4.1.1 顶层板设计48-49
• 4.1.2 底层板设计49-50
• 4.2 机械结构设计50-52
• 4.2.1 防水器件选型51
• 4.2.2 模拟安装51-52
• 4.3 PCB板调试52-57
• 4.3.1 电源网络测试52-53
• 4.3.2 太阳能电池电路测试53-56
• 4.3.3 微处理器电路测试56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 无线传感器网络节点软件设计58-67
• 5.1 无线传感器网络节点软件流程58-59
• 5.2 无线传感器网络通信流程59-60
• 5.3 无线传感器网络节点应用程序60-63
• 5.3.1 传感器数据采集60-61
• 5.3.2 实时时钟中断输出功能61-62
• 5.3.3 数据存储设计62-63
• 5.4 软件低功耗设计63-65
• 5.4.1 时间同步机制63-64
• 5.4.2 休眠机制64-65
• 5.4.3 最小发射功率机制65
• 5.5 本章小结65-67
• 第六章 无线传感器网络节点系统测试67-79
• 6.1 无线传感器网络节点测试工具67
• 6.2 无线传感器网络节点通信距离测试67-70
• 6.3 无线传感器网络节点功耗测试70-72
• 6.3.1 无线传感器网络节点电流测试70-71
• 6.3.2 无线传感器网络节点电压测试71-72
• 6.4 无线传感器网络节点采集精度测试72-74
• 6.4.1 温度传感器测试72-73
• 6.4.2 土壤水分传感器测试73
• 6.4.3 空气湿度传感器测试73-74
• 6.5 无线传感器网络节点防水测试74
• 6.6 无线传感器网络野外测试74-78
• 6.7 本章小结78-79
• 第七章 总结与展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-83

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