无线传感器网络测试平台的硬件电路设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 3.99MB 74 页 15积分
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摘 要
本课题的研究内容是设计一种无线传感器网络硬件测试平台，目的在于建
立一个多功能、扩展性强、真实的无线传感器网络测试系统，能够对无线传感
网络的研究成果进行有效而快速的检验，例如对无线传感器网络相关算法和协
议的验证。可以更好地模拟无线传感器网络实际工作的物理环境，从而对理论
研究的结果或设计方案进行更加准确的评价。
根据对国内外已经开发的典型的无线传感器网络硬件测试平台的分析，以
及我们实验室对无线传感器网络测试平台各方面的需求，通过对测试平台各个
子模块的优化设计，克服了其它测试平台存在的一些局限性，增加了测试平台
的一般性和可扩展性。该硬件测试平台采用模块化设计，测试节点的主要功能
模块有供电模块、射频模块、侦听模块、程序更新和调试模块以及测试节点底
板等。测试节点底板设计了各个单独模块的接口，为方便数据采集，还设计了
多种通信接口，如 RS-232 串口、USB 接口和以太网转串口、USB 转串口。为增
加通信距离，还增加了USB 延长线模块。
本文首先介绍了无线传感器网络的特点和制约其发展的因素，明确了本课
题研究意义的所在，根据分析已有测试平台的体系结构，提出了测试平台的总
体设计方案，然后对测试平台硬件电路进行模块化设计分析，其中包括三种电
源设计方案，两种节点程序下载调试的设计方案，射频模块、侦听模块设计方
案以及各种通信接口的设计。
在完成了各硬件模块的设计和制作之后，对测试平台各模块进行了硬件调
试，电源的验证、通信接口的测试和节点的通信测试。其中节点通信测试程序
是在 TinyOS 系统上开发，采用具有组件化编程思想的 nesC 语言来编写。
无线传感器网络发展空间和前景较好，是物联网的核心技术之一，是未来
智慧城市建设的支撑。而无线传感器网络硬件平台的建设为其相关技术的研究
提供了硬件支持。
关键词：无线传感器网络 硬件测试平台 模块化设计 TinyOS
ABSTRACT
The research content of this topic is to design a wireless sensor network test
platform of hardware circuit system, the purpose is to establish a multifunctional,
strong extensibility, and real network test platform, which can carry on the effective
and rapid test about the research results of wireless sensor network, such as the
verification of network algorithm and the communication protocol. It can be used to
simulate the real physical environment of the wireless sensor network working better
than others, so that can evaluate the results of theoretical research or design more
accurately.
Based on the research and analyze of typical wireless sensor network test
platform which have been developed at home and abroad, with the actual research
needs of our laboratory on the wireless sensor network, optimize designing each
module of the platform, overcome some limitations for the existence of other test
platform, make the design of the test platform is general and extensible. The
hardware test platform adopts the modular design, the main function module include
the power supply module, wireless radio frequency transceiver module, the data
listener module, program updates and debugging module and test node backpanel
etc. Test node backpanel has designed the interface of each individual module, for
the convenience of data acquisition, it also has designed various communication
interfaces, such as RS-232 serial port, USB interface and the Ethernet serial port,
USB serial port. To increase the communication distance of the test platform, it also
has designed the USB extension cord.
In this paper,We introduce the feature and the factors restricting its
development of wireless sensor network firstly, make the research significance of
this topic clear and definite,through the analysis of the test platform for the
construction of the proposed overall design scheme, and then the modular design
analysis was carried out on the test platform hardware circuit, including three kinds
of power supply design scheme ,two kinds of node design scheme of program
download debugging, the design scheme of radio frequency module, interception
module and design of various communication interfaces.
After the completion of design and production about each hardware module, we
have carried on the hardware debugging to test platform module, the verification of
power supply and test of the communication interface and the communication test of
the node .The node communication program was written by nesC language based on
wireless sensor network operating system TinyOS.
The wireless sensor network has very broad application prospect, is one of the
core technology of the Internet of things, supporting for the construction of wisdom
city in the future. And the construction of the wireless sensor network hardware
platform which has provided hardware support for the study of related technology.
Key Word: wireless sensor network, hardware test platform ,
Modular design, TinyOS,
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................... 1
§1.1 无线传感器网络简介 ......................................... 1
§1.1.1 无线传感器网络发展历程 ................................. 1
§1.1.2 无线传感器网络的特征 ................................... 2
§1.1.3 无线传感器网络的应用领域 ............................... 2
§1.2 课题研究背景及意义 ......................................... 2
§1.3 无线传感器网络测试平台研究现状 ............................. 3
§1.3.1 国外无线传感器网络测试平台研究现状 ..................... 3
§1.3.2 国内无线传感器网络测试平台研究现状 ..................... 4
§1.4 主要研究内容 ............................................... 4
§1.5 本章小结 ................................................... 6
第二章 无线传感器网络硬件测试平台简介 ............................. 7
§2.1 无线传感器网络系统结构 ..................................... 7
§2.2 典型无线传感器网络测试平台体系结构 ......................... 9
§2.2.1 MoteLab ................................................ 9
§2.2.2 Kansei ................................................ 10
§2.2.3 SNAMP ................................................. 11
§2.2.4 NESC-Testbed .......................................... 13
§2.2.5 SNAP .................................................. 14
§2.3 本章小结 .................................................. 15
第三章 无线传感器网络测试平台总体方案 ............................ 16
§3.1 测试平台硬件电路系统框架 .................................. 16
§3.2 系统各模块功能简要介绍 .................................... 17
§3.3 本章小结 .................................................. 18
第四章 测试平台各模块硬件电路设计方案 ............................ 19
§4.1 PoE 供电模块的设计 ........................................ 19
§4.1.1 PoE 供电的系统构成 ..................................... 19
§4.1.2 PoE 供电特性参数 ....................................... 19
§4.1.3 PoE 设备供电过程 ....................................... 20
§4.1.4 PoE 的两种供电方式 ..................................... 21
§4.1.5 PoE 模块的原理图 ....................................... 21
§4.1.6 PoE 模块关键芯片简介 ................................... 23
§4.2 测试节点底板电源设计 ...................................... 26
§4.2.1 电路原理图 ............................................ 26
§4.2.2 关键芯片简介 .......................................... 27
§4.3 射频模块设计 .............................................. 28
§4.3.1 电路原理图 ............................................ 28
§4.3.2 CC2430 简介 ............................................ 29
§4.4 侦听模块设计 .............................................. 31
§4.4.1 电路原理图 ............................................ 31
§4.4.2 CC2531 简介 ............................................ 32
§4.5 调试模块设计 .............................................. 33
§4.5.1 基于 CC2511 的Debug 设计方案 ........................... 33
§4.5.2 基于 C8051F320 的Debug 设计方案 ........................ 39
§4.6 以太网转串口模块 .......................................... 41
§4.7 测试节点底板设计 .......................................... 42
§4.7.1 节点通信接口设计 ...................................... 43
§4.7.2 传感器通信接口设计 .................................... 44
§4.7.3 调试模块接口设计 ...................................... 45
§4.7.4 USB 接口设计 ........................................... 46
§4.7.5 USB 转串口设计 ......................................... 46
§4.7.6 USB 延长线设计 ......................................... 46
§4.7.7 RS-232 串口电路设计 .................................... 48
§4.7.8 以太网转串口接口设计 .................................. 49
§4.7.9 人机交互电路设计 ...................................... 50
§4.8 本章小结 .................................................. 51
第五章 测试平台的测试验证 ........................................ 52
§5.1 电源模块的测试 ............................................ 52
§5.1.1 PoE 模块的测试 ......................................... 52
§5.1.2 USB 供电测试 ........................................... 52
§5.1.2 电源适配器供电测试 .................................... 53
§5.2 以太网转串口模块的测试 .................................... 53
§5.3 调试模块的测试 ............................................ 55
§5.4 USB 延长线模块的测试 ...................................... 57
§5.5 节点通信功能测试 .......................................... 57
§5.5.1 射频模块串口通信测试 .................................. 58
§5.5.2 节点无线通信测试 ...................................... 59
§5.6 本章小结 .................................................. 62
第六章 总结与展望 ................................................ 63
§6.1 本文工作总结 .............................................. 63
§6.2 研究展望 .................................................. 64
参考文献 ......................................................... 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................... 69
一、论文 ......................................................... 69
二、申请的专利 ................................................... 69
二、获奖情况 ..................................................... 69
致 谢 ............................................................ 70
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）技术是现代通信领域的研究
热点，它是一种由许多传感器节点构成，节点之间可以自由组网的无线网络，
通过在应用环境中布置大量低成本的无线传感器节点，使节点间通过相互协
作采集相关的数据，并对这些数据进行相应处理，从而获得我们所需要的准
确的信息[1-2]。
现代无线通信技术和相关硬件技术的发展，特别是无线射频片上系统
SoC（System on Chip）的研制成功，使得无线传感网络微小化、低功耗、低
成本的应用开发成为可能。现已被广泛应用在军事国防、工业控制、智能交
通与医疗、仓储管理、智慧城市建设以及抢险救灾等许多领域，具有广阔的
应用前景[3-5]。随着国家对智慧城市的大力支持，无线传感网络作为其关键技
术 得 到 了突飞猛 进的发展。
§1.1 无线传感器网络简介
§1.1.1 无线传感器网络发展历程
无线传感器网络是 Ad hoc 网络[6]的一 种,研究和使用最早可追溯到冷战
时期,与分组无线网[7]有着一定的关联。为了满足军事和民事的需求，1978 年
美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，
DARPA）组织了分布式传感器网络研讨会，1979 年提出了名为 DNS 的分布
式传感器网络计划，20 世纪 90 年代中期，制定了研制节能的片上系统的计
划，1998 年，DARPA 又制定了名为 SensIT 的传感器信息技术计划，2001 年
加州伯克利大学在 DARPA 的支持下开发了一款无线传感器网络硬件平台，
并命名为“Smart Dust”。2002 年8月初，加州伯克利大学邀请了重要传感
器研究，组织并召开了名为“未来传感器系统”研讨会，讨论了未来传感器
系统的发展方向[8]。
在随后的时间里，美国很多大学也相继展开了对无线传感器网络基础理
论和关键技术的研究，并取得了一定的成果。例如加州大学伯里克分校开发
了针对无线传感器网络应用的操作系统——TinyOS，现已经被广泛应用于多
个硬件平台和传感器节点中。康奈尔大学、南加州大学等大学也先后提出来
几种有关无线传感器网络的通信协议和路由算法。
上海理工大学硕士学位论文
2
§1.1.2 无线传感器网络的特征
无线传感器网络具有自己的特点：比如网络规模大，动态性强、自组织
性、以数据为中心，但也有本身的一些制约其发展的因素，例如传感器节点
能量不足，通信能力有限，存储计算能力有限，数据的可靠性差，网络生存
周期短，网络安全，时间同步，数据融合等[9]。这些都是需要解决的制约因
素，也是无线传感器网络未来的研究方向。
§1.1.3 无线传感器网络的应用领域
近年来，随着物联网技术的发展，智慧地球、智慧城市计划的提出，为
无线传感器网络的发展提供了良好的发展机遇，受到军队、政府、企业、研
究机构等广泛关注和重视。其在军事国防、环境监测、医疗、农业、交通、、
等众多领域中都有重要的研究价值和实用价值。
无线传感器网络除了用在以上领域，其还用在其它领域，如进行空间、
海洋探测、井矿、核电厂、生产车间、交通系统、体育比赛、大型车间和仓
库管理等。借助空间探测器在星球上人不能到达的地方布置节点，以便实现
对星球各种数据的采集和探索；井矿、核电站、生产车间中使用传感器可以
实施安全监测，防患于未然；在体育赛事中使用相关传感器可以降低裁判的
误判率；在大型车间和仓库管理中增加传感器节点，可以监测车间以及仓库
温湿度等参数，以便商品的合理储存或火灾预警等。
§1.2 课题研究背景及意义
由于节点电池能量的限制，而无线通信部分所消耗的能量又占了整个节
点能量消耗的绝大部分，因此，对无线通信低功耗协议的研究是现在无线传
感器网络技术研究的重点。由于受资金和网络条件的限制，目前大多数的网
络性能研究都通过计算机模拟仿真和理论分析的方法进行测试和验证[10]。比
较典型的仿真平台有 NS-2、OPNET、GloMoSim、TOSSIM、PowerTOSSIM
等。还有另一部分研究人员是通过布置传感器平台进行实际环境的测试。
计算机对无线传感器的仿真一般是在理想情况下进行的，得到的结果可
能与实际的环境相差较大，并且无线网络具有动态性和不稳定性，这会导致
仿真结果可信度降低[11]；另外，仿真通常仅限于特定问题的研究，并不适用
于通用的环境[12]；还有软件仿真不能获取节点、网络及无线通信等运行的详
细信息，故而不能反应实际应用中的节点的通信状况。而理论分析中系统建
模和计算比较困难，在实际的应用中，简化的数学模型又会与实际的系统有
摘要：

摘要本课题的研究内容是设计一种无线传感器网络硬件测试平台，目的在于建立一个多功能、扩展性强、真实的无线传感器网络测试系统，能够对无线传感网络的研究成果进行有效而快速的检验，例如对无线传感器网络相关算法和协议的验证。可以更好地模拟无线传感器网络实际工作的物理环境，从而对理论研究的结果或设计方案进行更加准确的评价。根据对国内外已经开发的典型的无线传感器网络硬件测试平台的分析，以及我们实验室对无线传感器网络测试平台各方面的需求，通过对测试平台各个子模块的优化设计，克服了其它测试平台存在的一些局限性，增加了测试平台的一般性和可扩展性。该硬件测试平台采用模块化设计，测试节点的主要功能模块有供电模块、射频...

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作者：侯斌 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：74 页 大小：3.99MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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