一种工业无线网络嵌入式网关的研究与实现

发布时间：2017-09-16 00:26

  本文关键词：一种工业无线网络嵌入式网关的研究与实现

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【摘要】：工业无线网络技术是具有高实时性、高可靠性的一类无线传感器网络技术,能以较低的投资成本获取工业现场的重要控制参数和实时数据,从而实现对工业生产流程进行监控和管理。工业无线网络在降低生产成本的同时极大地提高了生产效率,将工业领域带入了全新发展阶段。而工业无线网络网关作为无线网络与外部网络(如以太网)之间的中枢,负责工业现场数据采集和处理。随着研究的深入,网络协议、网络拓扑控制、时间同步、定位技术、资源分配等核心问题都处在研究热潮中。本文通过对一种系统的研究,设计实现了一种具有节点自动定位功能的低成本、低功耗工业无线网络网关。此外,网关还具有资源分配、拓扑生成以及时间同步等核心功能,资源分配功能可以提高无线网络通信和数据传输效率;拓扑生成功能可以形成不同路由信息,改善链路质量;时间同步功能是保证无线网络正常工作的前提。论文首先根据项目需求,针对无线网络、网关以及远程监控中心三部分,对工业无线网络进行了整体的功能研究,明确了该工业无线网络网关总体方案,实现了数据通信、协议转换以及定位功能为主的网络管理功能,此外搭建嵌入式网关开发平台。然后对网关和传感器节点的硬件进行设计和选取。网关硬件采用了基于Cortex-A8核心处理器的REAL210 V6.2嵌入式开发板,ARM芯片处理器相较于51系列单片机芯片具有更高的数据处理速度和功能支持。传感器节点采用了STM32F103C8T6微处理器,STM32系列是专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式开发设计的ARM Cortex-0内核。紧接着研究和设计了以节点定位功能为主的网络管理功能,包括工业无线网络时间同步、拓扑生成、资源分配以及节点定位等功能。最后对网关核心功能进行了测试。重点测试了节点定位功能,包括不同节点距离层级模型定位、分层步距、通信信号干扰以及节点分布情况等对定位功能的影响;此外还测试了同步方案的精度、拓扑生成以及资源分配功能。测试验证了网关相关功能的有效性和其低功耗、低成本的特性,可以广泛地应用在设备定位或现场数据采集监测等场合,如工业生产区域内移动设备的实时定位或数据监控。
【关键词】：工业无线网络 嵌入式网关 传感器节点 定位功能
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN915.05
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-14
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 工业无线网络国内外研究现状11-12
• 1.3 论文研究内容和结构12-14
• 1.3.1 研究内容12-13
• 1.3.2 论文结构13-14
• 第二章 工业无线网络功能研究与设计14-28
• 2.1 工业无线网络功能研究14-15
• 2.2 节点功能15
• 2.3 网关功能15-17
• 2.4 网关数据通信17-20
• 2.4.1 Linux串口通信17-19
• 2.4.2 以太网通信19-20
• 2.5 通信协议制定与协议转换20-23
• 2.5.1 通信协议制定20-22
• 2.5.2 通信协议转换22-23
• 2.6 WEB浏览器客户端23-24
• 2.7 网关开发平台搭建24-26
• 2.7.1 嵌入式Linux24-25
• 2.7.2 开发板系统烧写25
• 2.7.3 交叉编译环境配置25-26
• 2.8 本章小结26-28
• 第三章 基于Cortex-A8网关硬件研究与选取28-34
• 3.1 网关硬件研究与选取28-31
• 3.1.1 网关功能研究28-29
• 3.1.2 网关硬件选取29-31
• 3.2 节点硬件设计31-32
• 3.2.1 普通节点硬件设计31-32
• 3.2.2 根节点硬件设计32
• 3.3 本章小结32-34
• 第四章 网关关键技术的研究与设计34-58
• 4.1 时间同步34-38
• 4.1.1 节点间报文收发34-35
• 4.1.2 常用时间同步方式35-37
• 4.1.3 时间同步方案37-38
• 4.2 通信资源分配38-46
• 4.2.1 工业无线网络MAC协议38-39
• 4.2.2 工业无线网络MAC协议选取39
• 4.2.3 通信资源分配模型39-40
• 4.2.4 资源分配优先级和原则40
• 4.2.5 下行通信资源分配方案40-42
• 4.2.6 上行通信资源分配方案42-46
• 4.3 簇树状拓扑生成46-50
• 4.3.1 LEACH路由协议46-47
• 4.3.2 CDS路由协议47-48
• 4.3.3 路由协议选取48
• 4.3.4 簇状树形拓扑构思48
• 4.3.5 簇状树形拓扑模型设计48-49
• 4.3.6 簇状树形拓扑过程设计49-50
• 4.4 节点定位功能50-57
• 4.4.1 定位技术专业术语51
• 4.4.2 定位技术评价标准51-52
• 4.4.3 常用定位技术52-53
• 4.4.4 定位方法构思53-54
• 4.4.5 定位方法模型设计54-56
• 4.4.6 定位方法过程设计56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 系统实现与测试58-68
• 5.1 系统实现58-59
• 5.2 功能测试59-66
• 5.2.1 拓扑功能测试59-60
• 5.2.2 时间同步功能测试60
• 5.2.3 资源分配功能测试60-62
• 5.2.4 定位功能测试62-66
• 5.3 本章小结66-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 工作总结68
• 6.2 工作展望68-70
• 参考文献70-74
• 攻读学位期间的研究成果74-76
• 致谢76-77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘琳;杨秀杰;;基于无线传感器网络的MAC协议研究[J];数字技术与应用;2014年12期

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4 付翔燕;李平;吴佳英;;无线传感器网络选择性传递攻击的检测和防御机制[J];计算机应用;2012年10期

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6 彭宇;王丹;;无线传感器网络定位技术综述[J];电子测量与仪器学报;2011年05期

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本文编号：859817