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Zigbee网络节点设计及时间同步技术研究与实现

作　者: 李美霖
导　师: 雷斌
学　校: 西安工业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: ZigBee 时间同步 EMZ3018 定时器
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式感知网络。本论文是基于地磁异常的隐蔽目标定位系统的一个子课题,整个系统有多个无线传感器网络节点构成,各节点间采用ZigBee网络协议进行通信。监测节点需要对磁性目标在三维空间产生的磁场进行高速、同步的数据采集,以保证每个监测节点采集到的磁场信号具有零相位差,那么研究一种适用于ZigBee网络的时间同步方案就显得十分重要。本文主要是设计一套WSN测控系统——Nebula星云测控系统。该系统中的节点以STM32W为核心的EMZ3018无线传感器网络开发套件为基础进行构建,对开发套件的系统时钟部分进行了改进,提高了节点自身的定时精度,以满足高精度时间同步算法研究的需要。本文的时间同步算法设计以IEEE1588协议为基础,对协议原本的交互次数和每次交互的数据量进行了精简,以适用于低数据传输速率、低功耗的ZigBee网络。此外,论文还设计了传感器网络节点软件平台的支撑性功能：设计了传感器网络中监测节点的定时系统,利用一个16位的通用定时器实现微秒级的精确定时,将其与一个32位软件变量相结合构成了精度扩展的UTC时间定时器作为监测节点的系统时钟；对星云测控系统的时间同步算法进行实现并进行了误差分析；并且实现了传感器节点的休眠与唤醒,完成了节点唤醒后的任务调度设计。基于已搭建好的硬件平台在IAR EWARM嵌入式系统集成开发环境中用C语言编程实现了上述功能,通过J-Link硬件仿真器实现用户系统的实时在线仿真调试。借助串口调试器SSCOM32和泰克TDS2024数字示波器,观察组网、通信、采集数据和节点时钟、节点间的时间同步情况。论文对设计的无线传感器网络进行实验,测试无线传感器网络的时间同步性能,根据数据和现象进行分析,论文中无线传感器网络节点间实现的同步精度可达到10us左右上,整个网络的时间同步精度可以满足目前应用的误差精度要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-20
  1.1 课题研究的背景和意义  8-16
    1.1.1 课题研究背景  8-10
    1.1.2 无线传感器网络应用实例  10-15
    1.1.3 课题研究的意义  15-16
  1.2 ZigBee无线传感器网络时间同步技术的研究现状  16-18
    1.2.1 国外时间同步技术的研究现状  16-17
    1.2.2 国内时间同步技术的研究现状  17-18
  1.3 论文研究的主要内容及结构安排  18-19
    1.3.1 主要内容  18
    1.3.2 结构安排  18-19
  1.4 本章小结  19-20
2 Nebula星云测控系统总体设计  20-38
  2.1 Nebula星云测控系统简介  20-21
    2.1.1 Nebula星云测控系统的框架  20-21
  2.2 节点的功能设计  21-22
  2.3 Nebula星云测控系统节点的硬件电路设计  22-26
    2.3.1 主控芯片设计  23-24
    2.3.2 温补晶振电路  24
    2.3.3 电源设计  24-25
    2.3.4 USB转串口电路  25
    2.3.5 蓝牙模块  25-26
  2.4 Nebula星云测控系统节点的软件设计  26-37
    2.4.1 软件开发环境  26-27
    2.4.2 EmberZNet协议的基本构架与各层规范  27-29
    2.4.3 Nebula星云测控系统组网  29-33
    2.4.4 Nebula星云测控系统数据通信  33-37
  2.5 本章小结  37-38
3 无线传感器网络时间同步算法  38-45
  3.1 常见的时间同步技术  38-41
    3.1.1 RBS同步算法  38-39
    3.1.2 TPSN同步算法  39-41
    3.1.3 DMTS同步算法  41
  3.2 IEEE 1588时间同步协议  41-43
  3.3 改进后的时间同步协议  43-44
  3.4 本章小结  44-45
4 Nebula星云测控系统节点任务调度及时间同步设计  45-64
  4.1 Nebula星云测控系统节点任务调度设计  45-49
    4.1.1 节点任务调度设计  45-47
    4.1.2 节点休眠与唤醒设计  47-49
  4.2 Nebula星云测控系统时间同步设计  49-63
    4.2.1 时间有关定义  49
    4.2.2 Nebula星云测控系统时钟设计  49-53
    4.2.3 高精度本地时钟源设计  53-56
    4.2.4 Nebula星云测控系统时间同步设计  56-63
  4.3 本章小结  63-64
5 调试与分析  64-71
  5.1 实验调试  64-69
  5.2 结论  69-70
  5.3 本章小结  70-71
6 总结与展望  71-74
  6.1 总结  71-72
  6.2 展望  72-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间发表的论文  77-78
致谢  78-80

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