IP-ZigBee网关设计及关节活动度测量网络中的应用

发布时间：2020-05-04 18:22

【摘要】：物联网应用涉及国民经济和人类社会生活的方方面面,其应用领域主要包括交通管理、智能工农业、数字家庭、现代物流管理和医疗健康等。ZigBee技术是物联网重要的组成部分,由于具有低成本、低功耗、网络自组织、网络容量大等优点,其应用前景广阔,已成为当今世界的一个研究和应用热点。网关作为不同网络间的协议转换装置,在网络互联互通中发挥着重要的枢纽作用。通过网关设备实现ZigBee无线网络与异构网络的连通,从而实现ZigBee网络数据共享、ZigBee网络设备和网络状态的控制与管理。本文针对医疗护理应用领域设计了一种将ZigBee网络连入以太网的网关方案,并利用ZigBee模块和9轴姿态模块MPU9250设计了一个IP-ZigBee网关系统,实现了运动传感数据采集、双向数据传输、ZigBee网络控制和管理和协议转换等功能。另外,利用该网关设计了一款可穿戴式关节活动度测量装置,实现了关节活动度的精确测量,为关节损伤病人的康复治疗提供参考。本文主要研究内容如下所示:1、对当前几种热门的无线通信技术进行了研究,通过对比分析,发现ZigBee技术在功耗、成本、自组网、网络容量等方面具有更大优势,更加符合课题应用需求,故采用ZigBee技术进行无线组网和采集运动传感数据。2、通过对比现有的几种将ZigBee网络连入异构网络的网关方案和对网关的功能需求分析,进而提出本文的以太网型网关方案。硬件上采用ZigBee射频模块实现数据采集与传输,ARM处理器作为硬件平台的核心,结合控制以太网芯片DM9000完成了ZigBee传感模块部分和以太网驱动部分的硬件搭建和设计。在硬件设计基础上完成了各相关模块的软件设计。3、通过本文提出的网关设计方案,结合课题技术要求,实现了硬件平台的选择、相关硬件电路设计以及整个IP-ZigBee网关系统的软件开发。针对实际应用设计了一套网关应用层通信协议,经测试验证该协议运行稳定可靠。对传感器接入ZigBee网络的通信速率进行研究,通过改进Z-Stack的MAC层的接收缓存部分,最大网络吞吐量提升至26.47Kbps。4、基于9轴姿态模块MPU9250设计了一款可穿戴式关节活动度测量装置,完成软硬件的开发,并通过VS2010/MFC设计了一款集成各功能模块的姿态监测上位机软件。本文引入卡尔曼滤波算法对运动传感器的数据进行融合处理,通过简化滤波模型,直接计算状态估计误差的协方差矩阵中的非零项,减小了计算量,在保证估计精度的同时,提高了算法的实时性。最终俯仰角精度在1.22°以内,滚转角的精度在1.27°以内,偏航角精度在2.61°以内。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.44;TN92;TH77

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本文编号：2648803