面向智能服装的ZigBee无线监测网络系统研究

摘要

近些年来，随着自然灾害的日趋严重，面向野外救援现场的智能服装也越来越受到人们的关注。然而，这类智能服装的发展方向主要集中在服装结构和其纺织材料的研究上，对于电子信息技术和救援服装相结合的智能服装则发展比较缓慢。
　　本文全面分析了野外救援服装的功能需求，设计了面向智能救援服装的ZigBee无线实时监测系统。该系统克服了救援队员随身携带笨重监测仪器的缺点，采用嵌入到服装中的多种微型智能传感器实现对周围环境以及人体运动状态变化的实时监测。将低功耗的ZigBee无线网络技术引入到智能服装的通信架构中，改善了传统智能服装有线数据传输过程中遇到的问题。
　　根据系统需求和研究目标，论文完成了系统硬件电路的设计和软件程序的开发。以低功耗的ZigBee片上系统(SOC)解决方案CC2530芯片作为系统处理器，外围电路设计扩展了有毒有害气体采集模块、温湿度采集模块、人体加速度采集模块、LCD液晶显示模块、RS232串口通信模块和ZigBee无线通信模块等，实现了面向智能救援服装的ZigBee无线监测系统的硬件平台。系统软件设计由上到下分为应用程序、Z-Stack协议栈和设备驱动。以Z-Stack协议栈为核心，实现了各种传感器信号采集、数据处理、无线发送/接收、液晶驱动以及上位机信息显示等功能。
　　在理论研究层面，通过对无线传感器网络中的Z-MAC协议和路由算法进行详细的研究，提出了一种应用于智能服装的能量均衡化分层式分簇单跳+多跳路由算法(LEACHC)。该算法将多跳层次路由算法与多跳能量均衡算法结合起来，降低了系统的网络传输功耗，为基于无线传感器网络的智能服装的发展提供了一些理论支持。考虑到救援人员的人身安全，论文还提出了一种基于三轴加速度传感器的人体摔倒判定算法。算法通过对人体合加速度的变化大小来判断人体是否摔倒，实验取得了很好的预期效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景及相关技术

1．2．1 课题研究背景

1．2．2 传感器嵌入式技术

1．2．3 无线传感器网络

1．3 课题主要研究内容及创新点

1．4 论文结构安排

第2章 面向智能救援服装的ZigBee网络监测系统设计

2．1 系统需求分析及目标研究

2．2 系统整体架构的研究及体系结构设计

2．2．1 系统整体架构研究

2．2．2 系统体系结构设计

2．3 系统信息检测层的设计

2．4 系统信息反馈层的设计

2．5 系统无线通信层网络研究

2．5．1 系统网络拓扑结构研究

2．6 本章总结

第3章 基于斑马MAC协议的碰撞机制研究

3．1 斑马MAC协议研究

3．2 Z-MAC协议的实现

3．3 本章总结

第4章 基于能量均衡化分层式分簇单跳和多跳混合WSN路由算法研究

4．1 无线通信能量消耗模型分析

4．2 LEACH_C算法能耗模型分析

4．2．1 传感器节点到路由节点

4．2．2 路由节点到基站

4．2．3 上层网络剩余能量均衡化

4．3 LEACH_C算法实现

4．4 LEACH_C算法仿真

4．5 总结

第5章 基于智能服装的ZigBee无线网络监测系统的硬件设计

5．1 智能服装与ZigBee无线网络的结合

5．2 硬件平台电路设计

5．2．1 系统主控芯片选择

5．2．2 CC2530基本外围电路设计

5．2．3 采集模块和串口模块硬件电路的设计

第六章 基于ZigBee的Z-Stack协议栈的应用设计

6．1 Z-Stack协议栈研究

6．2 系统软件设计

6．2．1 系统应用层整体设计

6．2．2 SHT15温湿度采集模块软件设计

6．2．3 有毒气体传感器模块软件设计

6．2．4 基于MMA7455加速度传感器模块的软件设计

6．3 基于Z-Stack协议栈的应用设计

6．3．1 Z-Stack协议栈的设计

6．3．2 Z-Stack协议栈的具体应用开发

6．4 系统采集结果分析以及本章总结

第7章 人体摔倒模型的建立及算法研究

7．1 人体摔倒模型的建立

7．2 人体摔倒判断算法

7．3 人体摔倒实验结果分析

第8章 总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢