无线传感器网络节点研制及网络管理软件开发

摘要

近年来随着通信技术、嵌入式技术、半导体技术及传感器技术的飞速发展和日益成熟，一个新的应用领域——无线传感器网络得到了迅速的发展和应用。无线传感器网络是由分布在不同位置集成有传感器、数据采集及处理单元、通信模块的节点通过无线方式构成的网络，能够对多个对象实施实时监测、数据采集和控制。ZigBee是无线传感器网络的一种支撑技术，是ZigBee联盟专门为低功耗、低速率无线传感器网络的应用而制定的一种标准。ZigBee作为无线传感器网络的支撑技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其应用前景和商机巨大。本论文就是结合ZigBee无线传感器网络开发进行的。 论文首先介绍了无线传感器网络国内外发展情况，综合了基于ZigBee技术的无线传感器网络的特点，在研究zigBee协议栈结构的基础上，研制出ZigBee无线传感器网络初级开发实验平台。包括无线传感器网络节点硬件电路设计、无线传感器网络节点功能软件设计及调试、节点ZigBee协议软件联调、星型网应用程序设计、无线传感器星型网络计算机管理软件开发。使用研制的节点和开发的计算机管理软件完成了zigBee星型网的基本应用，实现了网络控制、数据的采集、传输、监测和存储等功能。 研制的节点采用ATmegal28L作为微处理器、Chipcon公司的CC2420作为无线通信模块；采用DALAS公司DS2770设计的独特的电池状态监测电路，可对节点电池的使用情况进行监测；节点集成有DSl8820温度传感器以监测环境温度；节点具有8路模拟信号输入接口及SPI、IIC、1-Wire等多路数字传感器接口及ISP、JTAGICE、RS232、LCO显示模块接口等对外接口，以满足程序加载、仿真及各种应用需求。 实验表明，节点可以灵活构成无线传感器网络，网络性能稳定，网络管理软件能够对网络进行有效的管理。开发的ZigBee无线传感器网络初级实验平台，为ZigBee技术的深入研究奠定了良好的基础，可作为进一步调试、实验、应用开发的平台，也可以组网直接应用。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题的背景

1.1.1无线传感器网络的特点和应用

1.1.2IEEE 802.15.4/ZigBee无线传感器网络

1.1.3无线传感器网络节点的体系结构

1.1.4国内外研究现状

1.1.5课题的意义和目标

1.2论文的任务和本人的主要工作

第二章IEEE 802.15.4/ZigBee协议

2.1 ZigBee技术概述

2.2 ZigBee技术的网络拓扑结构

2.3 ZigBee协议寻址方式

2.4 ZigBee协议栈

2.4.1 ZigBee协议栈框架

2.4.2物理层

2.4.3介质访问层

2.4.4网络层

2.4.5应用层

2.5 ZigBee协议对物理层的基本要求

2.6本章小结

第三章无线传感器网络节点硬件设计与实现

3.1硬件设计方案

3.2微处理器的选型与电路设计

3.2.1 AVR系列单片机与ATmega128L

3.2.2节点微处理器的主要外围接口电路

3.3射频芯片选型及无线传输模块电路设计

3.3.1射频芯片的选型

3.3.2 CC2420的特点和工作原理

3.3.3 CC2420模块与ATmega128L的接口电路

3.3.4 CC2420模块PCB电路板设计

3.4供电电路设计

3.4.1电源管理模块

3.4.2 DS2720锂电池保护电路

3.5 DS18B20数字温度传感器工作原理与接口电路设计

3.6其它相关电路设计

3.6.1信号调理电路

3.6.2 RS232串行接口电路

3.6.3锂电池状态监测和充电模块

3.6.4 LCD模块与ATmega128L的串行接口设计

3.6.5对外接口

3.7硬件电路的抗干扰措施

3.7.1设置去耦电容

3.7.2接地连接

3.7.3布线设计

3.8本章小结

第四章无线传感器网络节点功能软件设计和电路调试

4.1编程环境

4.2程序加载和调试工具及使用方法

4.2.1使用JTAGICE仿真器进行仿真和程序加载

4.2.2使用ISP进行程序加载

4.3 CC2420无线通信功能及程序设计

4.3.1 ATmega128L SPI串行通信功能

4.3.2 CC2420 SPI总线数据格式及寄存器访问方法

4.3.3点对点无线通信程序分析与设计

4.4 ADC采集程序设计

4.4.1 ADC的参考电压源VREF的选择

4.4.2寄存器配置

4.4.3 ADC转换运算

4.5 1-Wire总线技术

4.5.1 1-Wire协议时序

4.5.2 1-Wire总线控制流程

4.6 DS18B20温度采集程序分析与设计

4.6.1温度采集程序流程

4.6.2 DS18B20寄存器与配置

4.6.3测量方法及软件设计

4.7其它功能模块程序设计

4.7.1串口传输程序设计

4.7.2电池状态监测及充电模块程序设计

4.7.3 LCD显示程序设计

4.8电路功能调试

4.8.1硬件电路初步检查调试

4.8.2无线通信模块调试和点对点无线通信传输距离测量

4.8.3传感器模拟信号调理电路的调试

4.8.4节点环境温度测量调试

4.8.5电池状态参数的测量调试

4.9本章小结

第五章星型网实现和无线传感器网络管理软件开发

5.1 ZigBee无线传感器网络星型网络拓扑的实现

5.1.1网络组网分析

5.1.2星型网主程序设计

5.2无线传感器网络管理软件设计与开发

5.2.1软件主要功能及系统结构图

5.2.2开发工具选择

5.2.3串口通信功能的开发

5.2.4 ZS_ WSN主界面及管理软件密码核对模块设计

5.2.5系统配置模块设计

5.2.6数据采集模块设计

5.2.7监测模块设计

5.2.8数据曲线显示模块设计

5.2.9软件数据库操作功能设计

5.3星型网调试结果

5.3.1网络组建过程

5.3.2数据采集与监测

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

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