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低速率无线传感器网络平台的设计与实现

作　者: 姜瀚文
导　师: 郜丽鹏
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络 节点定位算法 语音传输 ZigBee技术 CC2530
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 12次
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内容摘要


无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了传感器技术、通信技术、计算机技术的新型监控网络，是当前国际上备受关注的前沿研究热点之一。无线传感器网络由大量的传感器节点组成，可实时感知和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。本文设计的无线传感器网络平台可监测环境中的温度、湿度及光照强度，具有节点定位和语音传输功能，在家庭智能监控、环境监测、医疗健康和其他商业领域中有着广阔的应用前景。无线传感器网络具有节点分布密集、鲁棒性强、自组织、以数据为中心等特点。无线局域网和蓝牙等技术的出现促进了无线传感器网络的发展，但是现代监控网络在成本、功耗、安全等方面提出了更加严格的要求，这种情况下ZigBee技术应运而生，其协议依据IEEE802.15.4标准，具有低速率、低功耗、低成本、低复杂度的特点。本文应用符合IEEE802.15.4/ZigBee标准的ZStack协议栈构建无线传感器网络，搭建了低速率、高容错性的网络节点软硬件平台。本文首先探讨无线传感器网络的特点与应用，介绍ZigBee各层网络协议，研究在ZStack协议栈下无线传感器网络各功能的实现。随后，针对无线传感器网络节点定位算法普遍存在受环境影响大、算法复杂度高等缺点，提出一种基于信号强度指示（RSSI）的改进三边定位算法，仿真和实验结果表明，该算法抗干扰能力强、定位精度高。系统硬件平台采用CC2530作为核心处理器，通过传感器采集温度、湿度、光照信息。应用语音编解码器AMBE-1000压缩语音数据，从而实现语音信号的实时采集与传输功能。上位机界面可动态显示当前网络的拓扑结构、节点位置以及节点采集到的传感器数据。最后，对无线传感器网络平台进行性能测试，结果证明网络数据传输稳定，鲁棒性强，语音质量良好，定位精度能够满足应用需求。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 无线传感器网络的概述  11-13
    1.2.1 无线传感器网络的起源与发展  11-12
    1.2.2 无线传感器网络的体系结构  12-13
    1.2.3 无线传感器网络的节点结构  13
  1.3 课题主要研究内容  13-14
  1.4 论文的组织结构  14-15
第2章 ZigBee 协议分析及应用  15-27
  2.1 ZigBee 技术的由来和特点  15-16
  2.2 ZigBee 网络拓扑结构  16-17
  2.3 ZigBee 协议架构  17-20
    2.3.1 物理层  17-18
    2.3.2 MAC 层  18-19
    2.3.3 网络层  19
    2.3.4 应用层  19-20
  2.4 ZStack 协议栈的应用  20-26
    2.4.1 ZStack 简介  20
    2.4.2 操作系统应用  20-21
    2.4.3 网络组建流程  21-22
    2.4.4 入网方式与流程  22-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章 基于 RSSI 的无线传感器网络定位算法研究  27-38
  3.1 无线传感器网络定位算法简介  27-28
  3.2 基于 RSSI 的三边定位算法  28-29
    3.2.1 无线信号传播模型  28
    3.2.2 三边定位算法  28-29
  3.3 增强抗干扰性的算法改进  29-33
    3.3.1 RSSI 与距离曲线拟合改进  29-30
    3.3.2 求解盲节点定位样本点  30-32
    3.3.3 计算盲节点坐标  32
    3.3.4 排除误差点  32-33
  3.4 算法仿真实验  33-37
    3.4.1 传输模型拟合实验  33-34
    3.4.2 算法流程  34-35
    3.4.3 仿真结果与分析  35-37
  3.5 本章小结  37-38
第4章 低速率无线传感器网络平台硬件设计  38-50
  4.1 硬件平台设计思路  38-39
  4.2 协调器节点硬件电路设计  39-43
    4.2.1 CC2530 核心电路  39-40
    4.2.2 I/O 口扩展电路  40-41
    4.2.3 电源管理模块  41-42
    4.2.4 串口模块  42-43
  4.3 信标节点硬件电路设计  43-45
    4.3.1 太阳能充电的锂电池电路  43-44
    4.3.2 传感器电路  44-45
  4.4 移动手持节点硬件电路设计  45-49
    4.4.1 液晶显示模块  46
    4.4.2 语音模块  46-49
  4.5 本章小结  49-50
第5章 低速率无线传感器网络平台软件设计  50-60
  5.1 硬件资源驱动  50-52
  5.2 数据广播与单播  52
  5.3 WSN 相应功能的软件设计  52-55
    5.3.1 节点定位  52-53
    5.3.2 语音对讲  53-54
    5.3.3 PC 端数据采集  54-55
  5.4 上位机界面设计  55-59
  5.5 本章小结  59-60
第6章 系统测试  60-64
  6.1 相关指标测试  60-63
  6.2 测试结果分析  63
  6.3 本章小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-70
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  70-72
致谢  72-74
附录 A CC2530 核心板电路图  74-75
附录 B CC2530 核心板 PCB 图  75-76
附录 C 扩展板电路图  76-77
附录 D 扩展板 PCB 图  77-78
附录 E 移动手持节点电路图  78-79
附录 F 移动手持节点电路图  79-80
附录 G 移动手持节点 PCB 图  80-81
附录 H 实物照片  81

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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