基于Microduino的无线传感器网络数据汇聚器的研究与实现

发布时间：2017-09-12 21:19

  本文关键词：基于Microduino的无线传感器网络数据汇聚器的研究与实现

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【摘要】：随着嵌入式技术、单片机技术与无线通信技术的快速发展,无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)技术也发展成熟并广泛应用于各个领域。无线传感器网络的发展改变了交通、医疗、勘探、安全、国防等诸多领域的发展现状,以全新的传感器技术和无线通信技术带动传统产业实现新的突破。数据汇聚器是无线传感器网络中的重要设备,近年在研究应用中常使用ARM、FPGA、DSP等高级技术设计实现,成本较高难以普及应用。新兴的Arduino技术及相关设备具有低成本、易实现等特点,本文主要研究使用Arduino技术与Microduino模块实现无线传感器网络数据汇聚器。本文着重研究了面向室内环境监测等应用的WSN数据汇聚器的设计与实现,并对系统进行了实地测试,在对实验结果进行分析后论证了其应用价值。本文遵循嵌入式系统开发流程并结合设计目的,使用延续了Arduino技术特点的新式Microduino硬件搭配Zigbee技术与GPRS网络技术,以降低成本、降低功耗为目的提出了一种WSN数据汇聚器的设计方案。本文以高性价比的Microduino模块搭建了WSN数据汇聚器,既降低了成本也继承了Arduino技术易于实现的特点。在功耗较高的情况下设计了一种面向特定数据的基于数据相似性分析的节能算法以降低系统整体的功耗。本文以室内环境监测为应用背景,对汇聚器进行了设计,包括硬件设计与选型,软件设计与实现,系统测试与结果分析等工作。该汇聚器使用Microduino-Core+模块作为控制器连接Zigbee模块与GPRS模块进行无线数据收发和处理,成功实现了WSN应用中数据的采集、汇聚与互联网接入。本文借助Core+模块、Zigbee模块与GPRS模块的睡眠功能,在软件设计中加入了一种基于数据相似性的节能算法降低了功耗。本文针对室内应用场景以温湿度传感器与光照强度传感器为例进行了汇聚器的功能测试与无线通信测试,并设计了测试方案对比电量消耗计算出节能算法的实际效率。最终实现了数据汇聚器的功能并通过实际测试验证了其应用价值,达到了研究目的。
【关键词】：无线传感器网络 汇聚器 Microduino ZIGBEE GPRS
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 研究背景10-11
• 1.3 无线传感器网络的发展现状11-14
• 1.3.1 无线传感器网络数据汇聚器的国内外发展现状11-12
• 1.3.2 无线传感器网络应用现状12-13
• 1.3.3 待解决的问题13-14
• 1.4 论文主要研究内容14-15
• 1.5 论文的组织结构15-17
• 第2章 无线传感器网络及Microduino概述17-29
• 2.1 无线传感器网络体系结构17-18
• 2.2 汇聚器的功能及结构18-19
• 2.3 无线通信技术的分析与对比19-22
• 2.4 Zigbee无线通信技术22-24
• 2.4.1 Zigbee通信技术概述22-24
• 2.4.2 Zigbee网络拓扑结构24
• 2.5 GPRS通信技术24-26
• 2.6 Micrduino设备26-27
• 2.7 本章小结27-29
• 第3章 无线传感器网络数据汇聚器的硬件设计29-45
• 3.1 硬件结构概述29-32
• 3.1.1 汇聚器的结构需求29
• 3.1.2 汇聚器性能需求29-30
• 3.1.3 硬件平台对比30-32
• 3.2 汇聚器硬件设计与选型32-42
• 3.2.1 核心MCU选型34-36
• 3.2.2 短距离无线通信模块选型36-37
• 3.2.3 GPRS模块选型37-40
• 3.2.4 汇聚器硬件连接设计40-42
• 3.3 汇聚器硬件设计方案验证42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第4章 无线传感器网络数据汇聚器的软件设计与实现45-61
• 4.1 Microduino开发环境搭建45-46
• 4.2 数据汇聚节点的软件设计与实现46-52
• 4.2.1 无线传输数据包设计46-47
• 4.2.2 程序流程设计47-50
• 4.2.3 主要函数的实现50-51
• 4.2.4 SIM800L AT指令51-52
• 4.3 数据采集节点的软件设计与实现52-55
• 4.3.1 程序流程设计52-53
• 4.3.2 主要函数的实现53-55
• 4.4 节能算法的设计与实现55-59
• 4.4.1 程序流程设计55-58
• 4.4.2 主要函数的实现58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 无线传感器网络汇聚器的测试与分析61-69
• 5.1 测试方案设计61-63
• 5.1.1 Zigbee通信距离与稳定性测试61-62
• 5.1.2 汇聚器功能检测62-63
• 5.2 测试结果63-67
• 5.2.1 Zigbee通信距离与稳定性测试63-65
• 5.2.2 汇聚器功能测试65-67
• 5.3 本章小结67-69
• 结论69-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间获得的学术成果75-77
• 致谢77

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本文编号：839590