基于恶劣环境监控的双核双频传感网节点的软硬件设计与实现

摘要

无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSNs)由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一种多跳自组织的网络系统。WSNs能有效的通过各种功能的无线传感器终端采集前端实时数据，通过无线网络并以自组织的方式将实时数据发送回用户终端，实现对各种监测对象的远程的实时监控。从而实现物质世界与信息世界的交互。
　　 WSNs的应用前景非常广阔，其广泛的应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、交通管理，建筑物状态监控以及工业园区安全监测等领域。特别是对于恶劣环境的监控，更是与国家安全以及人民生活息息相关。但是由于恶劣环境下，环境的变化突然并且难以预测，所以为了反映这种变化，就需要在此环境下采集大量的数据。但是由于这种环境变化而导致通信条件的变化，导致对于数据的传送造成了极大的负面影响，导致传感器无法及时获取现场信息，或者无法保证数据传送，信息的可生存性在这种无人照顾的环境下下降。
　　 本文针对恶劣环境下无线传感器节点所面对的大数据量接收和发送这一课题，提出一种基于双处理器双频通信的无线传感器节点设计方案。通过将数据采集及节点间相互通信分配到功能相互独立的处理器，来提高系统对数据的处理能力。并提出一种基于不同频段切换的通讯方案，在普通环境下使用2.4GHz高频低能耗频段，而在特定环境下切换至适应能力强的433MHz频段以保证正常通信。
　　 本文在深入分析了无线传感器网络节点各个模块性能要求和功能特点后，根据本文提出的无线传感器网络节点的设计方案，完成了整个节点的软硬件设计。硬件设计方面，设计了主处理器和从处理器的应用电路，无线收发电路，SHT11温湿度传感器电路。软件方面，将TinyOS系统移植到CC2430平台上，并在此平台上实现了主处理器和从处理器之间的调度算法，2.4GHz和433MHz两个通信频段的切换算法，以及组网的方案。
　　 最后通仿真验证了本文设计节点较普通节点在恶劣环境中有更大的优势，可延长整个网络在恶劣环境中的生命周期，具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 无线传感器网络简介

1．3 国内外研究现状

1．4 研究的目的

1．5 论文的组织结构

第二章 TinyOS操作系统的研究

2．1 TinyOS操作系统

2．1．1 TinyOS的层次结构

2．1．2 TinyOS调度机制

2．1．3 TinyOS通信模型

2．2 Nesc语言

2．2．1 NESC语言分析

2．2．2 nesC编译过程分析

2．3 TinyOS在CC2430单片机上的移植

2．3．1 编译过程以及实现

2．3．2 编译过程

2．3．3 TinyOS的移植工作

2．4 本章小结

第三章 传感器节点硬件设计

3．1 节点设计概述

3．2 处理器模块设计

3．2．1 CC2430芯片的主要特点

3．2．2 CC2430的电源模式

3．2．3 CC2430芯片电路原理图

3．3 无线通信模块

3．3．1 低频433MHz射频模块

3．3．2 高频2．4GHz射频模块

3．4 传感器模块

3．4．1 温湿度传感器SHT11的特点

3．4．2 温湿度传感器SHT11的工作原理

3．4．3 温湿度传感器SHT11电路连接原理图

3．5 电源模块

3．6 模块互连

3．7 本章小结

第四章 传感器节点软件设计

4．1 恶劣环境监控系统总体方案

4．1．1 节点总体软件架构图

4．2 处理器调度程序设计

4．3 无线通信模块程序设计

4．3．1 CC2430射频驱动程序设计

4．3．2 CC1100射频驱动程序设计

4．3．3 射频模块的相互切换

4．4 数据采集模块程序设计

4．4．1 发送命令与接收数据

4．4．2 转换输出到物理值

4．4．3 温湿度采集TinyOS实现

4．5 本章小结

第五章 系统测试及部署

5．1 系统测试

5．1．1 传感器节点实物图

5．1．2 传输距离

5．1．3 穿透能力

5．1．4 数据接收

5．2 TOSSIM仿真

5．2．1 TOSSIM介绍

5．2．2 仿真环境参数设置

5．2．3 仿真结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文和参与的科研项目