基于ARM结构体系的无线传感器网络平台设计

摘要

本文首先探讨了无线传感器网络技术和Zigbee协议,然后基于嵌入式系统构建的一般方法,重点讨论了Linux内核的配置和裁剪,系统软件分层架构设计和数据结构的优化,系统启动加速等问题。作为一种新兴的数据通信网络技术,无线传感器网络综合了无线通信,网络技术,片上芯片(SoC)设计,分布式信息处理等先进技术。而作为一种新型的短距离无线通信技术,Zigbee技术具有成本低,体积小,能量消耗小和传输速率低等特点,其相应的通信协议--ZigBee协议同时还具备自动组网,节点自动连接网络,自动选择路由以及自我恢复等功能,因此逐渐成为了无线传感器网络的首选网络协议。一般来说,嵌入式系统的Linux内核必须要经过配置和裁剪才能正常工作。本文根据Linux内核配置和裁剪的一般方法,深入研究了内核配置的各个选项,并结合无线传感器网络节点的要求,最终得到适合无线传感器节点的内核映像。配置和裁剪前,Linux内核为1.2M,配置和裁剪之后内核大小仅仅为275K,显著减少了内核占用的内存空间。其次,根据Zigbee协议/IEEE802.15.4的协议标准,本文设计了系统的分层软件体系架构。针对系统节点内存有限(仅仅为512KB)的特点,优化了协议栈中原语的数据结构,节省了590B的内存空间。在此基础上,测试对比了优化前后的数据结构的效率,并给出了测试结果。测试结果表明,优化设计的原语数据结构能够节省系统资源,提高系统性能。再次,本文基于无线传感器网络节点快速部署,快速启动的特点,在深入研究Linux系统启动过程的基础上,通过修改Linux系统启动控制脚本以及实现系统服务的并行化启动,对设计的无线传感器网络节点进行了启动加速优化。优化前后,系统启动的时间由20.2s减小到9.5s,缩短了50%以上的时间,显著加速了系统的启动过程。最后,构建了一个20个节点的无线传感器网络,验证了系统节点的基本功能以及网络建立,设备加入等网络基本功能；并通过采集实验室环境的温度验证了网络的数据传输功能。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 无线传感器网络的研究背景

1.2 无线传感器网络体系结构

1.2.1 无线传感器网络结构

1.2.2 无线传感器节点结构

1.3 无线传感器网络的特点及应用

1.3.1 无线传感器网络的特点

1.3.2 无线传感器网络的应用

1.4 本文的主要内容和安排

1.4.1 主要内容

1.4.2 论文内容安排

第二章 无线传感器网络协议

2.1 ZigBee 技术/IEEE802..15.4 标准概述[13]

2.2 物理层标准

2.2.1 物理层管理服务

2.2.2 物理层数据服务

2.2.3 物理层协议数据单元结构

2.3 MAC 层标准

2.3.1 MAC 层管理服务

2.3.2 MAC 层数据服务

2.3.3 MAC 层帧结构

2.4 ZigBee 网络层协议

2.4.1 网络层服务

2.4.2 网络层帧结构

2.5 ZigBee 应用层协议

2.6 本章小结

第三章 系统Linux 内核的配置和裁剪

3.1 Linux 内核的特点以及历史

3.1.1 Linux 内核简介[15]

3.1.2 操作系统与内核简介

3.1.3 Linux 内核和传统Unix 内核的比较

3.2 Linux 内核配置和剪裁的一般方法

3.2.1 Linux 内核的主要子系统

3.2.2 Linux 内核的配置和剪裁

3.3 无线传感器网络中Linux 内核的配置和剪裁

3.4 Linux 内核配置和剪裁的结果

3.5 本章小结

第四章 系统软件架构及其设计

4.1 软件整体架构及其实现

4.1.1 整体层次架构设计

4.1.2 分层设计

4.2 数据结构优化

4.2.1 数据结构优化的原则

4.2.2 数据结构优化的步骤

4.3 数据结构优化的效果

4.4 本章小结

第五章 系统启动加速优化

5.1 Linux 系统启动过程

5.1.1 内核的运行级别

5.1.2 inittab 脚本

5.1.3 rc.syinit 脚本

5.1.4 rc 脚本

5.2 Linux 系统启动加速的方法

5.2.1 修改Linux 脚本

5.2.2 优化启动服务

5.3 无线传感器网络节点系统的加速启动

5.3.1 系统加速启动的实现

5.3.2 系统加速启动的效果

5.4 本章小结

第六章系统平台测试及分析

6.1 系统硬件平台功能测试

6.1.1 系统硬件平台

6.1.2 处理器模块基本逻辑功能测试

6.1.3 6 通道10 位ADC 功能测试

6.1.4 Flash 功能测试

6.1.5 SDRAM 功能测试

6.2 无线传感器网络功能测试

6.2.1 射频模块与处理器模块通信测试

6.2.2 无线传感器网络的建立以及子设备的接入组网测试

6.2.3 点对点数据传输测试

6.2.4 系统节点同步通信测试

6.2.5 跳频通信功能测试

6.2.6 传感器模块功能测试

6.3 本章小结

第七章 总结及展望

7.1 全文总结

7.2 未来研究的展望

参考文献

致谢

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