基于可编程阵列的仿生自修复无线传感网络节点研制

摘要

无线传感网络是集成了传感器、嵌入式计算和无线通信三大技术而形成的全新的信息获取和处理技术,具有快速展开,抗毁性强等特点,广泛应用于军事、工业、交通和环保等领域。但是由于应用环境常常是人员无法到达的地区,因此稳定的应用要求无线传感网络和节点能够自主的进行故障诊断和故障修复。针对无线传感网络的特点,网络和节点开发必须具备功耗低、成本低、体积小等特性,并在通信距离、可靠性、灵活性和安全性上都有一定的要求.本文结合实际应用需求以及无线传感网络的特点,着重研究了仿生自修复无线传感网络构架,开发了基于可编程阵列技术的仿生自修复无线传感节点。
　　 本文的主要研究和创新工作如下:
　　 (1)结合工程应用的需求以及无线传感网络的特点,研究和搭建了仿生自修复无线传感网络的模块化系统构架,并分析了该网络采用模块化设计的功能和优点。
　　 (2)在模块化独立分层设计的系统构架下,完成了仿生自修复无线应变传感节点各硬件模块的详细设计、功能实现以及印刷电路板的设计,并实现了仿生自修复节点的基础软件平台的开发,包括节点故障诊断、自重构和通信程序。
　　 (3)通过实验,首先对仿生自修复无线传感节点的功耗、模数转换、传输距离、信号频谱等性能进行了测试、分析和评估,最后对其自修复功能进行了实际功能验证,搭建了仿生自修复无线传感节点上位机演示系统。
　　 本课题得到了国家自然科学基金重点项目(50830201)、国家自然科学基金项目(60772072)和国家“863”计划(2007AA032117)的资助。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 仿生自修复无线传感网络概述

1.3 国内外研究状况

1.4 本文研究意义和内容

第二章 仿生自修复无线传感网络系统和节点构架的研究

2.1 引言

2.2 仿生自修复无线传感网络和节点的设计要求

2.2.1 网络设计要求

2.2.2 节点设计要求

2.3 可编程器件概述

2.4 仿生自修复无线传感网络系统设计

2.5 仿生自修复无线传感节点构架设计

2.6 本章小结

第三章 仿生自修复无线应变传感节点设计的实现

3.1引言

3.2 传感模块设计

3.3 信号处理模块设计

3.3.1 核心处理电路

3.3.2 时钟电路

3.3.3 节点硅序列号电路

3.4 自修复模块设计

3.4.1 现场可编程模拟阵列概述

3.4.2 FPAA选型要求和AN231E04的内部结构及其引脚说明

3.4.3 基于FPAA的自修复模块与其他模块的连接及其工作方式

3.5 射频模块设计

3.5.1 CC2420概述

3.5.2 CC2420内部结构

3.5.3 CC2420外围电路

3.5.4 CC2420的微处理器数字接口

3.5.5 CC2420硬件安全机制

3.6 硬件电源设计

3.7 节点的PCB设计

3.7.1 Protel 99简介和应用

3.7.2 仿生自修复节点的PCB设计

3.8 自修复节点设计的软件开发

3.8.1 自修复节点软件架构

3.8.2 Anadigm Designer软件

3.8.3 AVR Studio编译环境和ICCAVR编译软件

3.8.4 仿生自修复无线传感节点程序

3.9 本章小结

第四章 仿生自修复无线传感节点的性能测试与评估

4.1 引言

4.2 功耗测试

4.3 模数转换采样测试

4.4 传输距离测试

4.5 射频信号频谱测试

4.6 自修复功能测试

4.6.1 实验方案

4.6.2 实验过程

4.6.3 实验结论

4.7 本章小结

第五章 仿生自修复无线传感节点上位机演示系统

5.1 引言

5.2 上位机软件界面及LabVIEW程序

5.3 上位机数据处理程序

5.4 上位机演示系统实验

5.4.1 上位机演示系统

5.4.2 上位机演示系统实验自修复流程

5.4.3 上位机演示系统实验过程及结果

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 课题展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文