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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
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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。
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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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