基于无线传感器网络的数据采集系统研究与实现

论文摘要

随着传感器技术、现代网络技术和无线通信等技术的进步和发展,推动了具有现代意义上的无线传感器网络的产生和发展。ZigBee技术作为一种新兴的低功耗、低速率、低成本的短距离无线通信技术,很快便成为了无线传感器网络应用中首选的通信协议。本文将ZigBee技术应用到数据采集系统中,避免了传统有线传感器网络数据采集系统布线量大、安装和维护费用高、可靠性差等缺点。在系统设计中,以电机实验平台为背景。通过对无线通信、硬件、软件方面的需求分析,设计了系统的总体方案。结合数据采集和ZigBee的技术特点提出了本系统在设计时需要解决的一些关键问题。在设计过程中,选择了ZigBee树状网络结构和树状路由算法。在详细分析了其在网络路由发生故障时原有路由维护机制不足的基础上,提出了一种基于链路质量指示值（Link Quality Indicator, LQI）的主动路由维护机制。在此机制下,路由节点通过主动检测节点间的链路质量指示值,在发现不适合做路由时主动断开连接,从而降低了路由故障对系统的影响。在充分研究分批估计算法和自适应加权融合算法的基础上,设计了分批自适应加权数据融合算法。通过分批估计得到单个传感器的均值和方差,根据得到的均值和方差基于自适应加权融合算法计算出各个传感器的最优加权因子,最终得到需要的结果。通过实例分析验证了算法的可行性,同时将算法应用到了本文设计的数据采集系统中。最后,给出了系统的具体设计与实现过程,硬件上选择了TI公司的CC2430作为主芯片设计了网络节点。软件上,利用TI公司提供的开源协议栈Z-Stack,并在此基础上根据系统具体需求移植和修改协议栈代码,编写了相关应用程序。在系统实现的基础对系统进行了包括数据采集与传输、通信测试、数据融合性能、低功耗等几个方面的测试,得到了满意的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 无线传感器网络在数据采集领域研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 关键技术
• 1.3.1 安全问题
• 1.3.2 数据融合
• 1.3.3 能量优化
• 1.3.4 网络拓扑控制
• 1.3.5 定位技术
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 系统总体设计
• 2.1 实验系统介绍
• 2.2 功能需求
• 2.2.1 无线通信需求
• 2.2.2 硬件需求
• 2.2.3 软件需求
• 2.3 系统总体设计方案
• 2.3.1 系统总体结构
• 2.3.2 硬件开发平台
• 2.3.3 软件开发平台
• 2.4 系统设计中的关键问题
• 2.4.1 网络故障自愈
• 2.4.2 数据融合算法
• 2.4.3 低功耗设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 网络路由故障自愈研究
• 3.1 网络拓扑结构
• 3.2 树状路由算法
• 3.2.1 树状地址分配机制
• 3.2.2 树状寻址机制
• 3.3 一种改进树状拓扑结构
• 3.3.1 树状结构的问题
• 3.3.2 树状结构的改进
• 3.4 基于LQI的路由故障自愈机制
• 3.4.1 自愈模型
• 3.4.2 LQI值的获取与判定
• 3.4.3 网络重构
• 3.5 本章小结
• 第4章 数据融合算法研究
• 4.1 无线传感器网络数据融合的作用
• 4.2 无线传感器网络数据融合的分类
• 4.2.1 根据融合前后数据的信息含量分类
• 4.2.2 根据融合操作的级别分类
• 4.3 自适应加权数据融合算法
• 4.3.1 自适应加权算法原理
• 4.3.2 无线传感器网络应用模型
• 4.3.3 融合实例与分析
• 4.4 系统中的数据融合算法
• 4.4.1 分批估计算法
• 4.4.2 分批自适应加权融合算法
• 4.4.3 融合实例与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统设计与实现
• 5.1 系统硬件设计与实现
• 5.1.1 ZigBee网络节点硬件设计
• 5.1.2 传感器电路设计
• 5.2 系统软件设计与实现
• 5.2.1 ZigBee软件开发平台
• 5.2.2 ZigBee协议栈
• 5.2.3 协调器节点软件设计
• 5.2.4 路由器节点软件设计
• 5.2.5 数据采集节点软件设计
• 5.3 系统运行与测试
• 5.3.1 测试环境
• 5.3.2 数据采集测试
• 5.3.3 通信测试
• 5.3.4 网络故障自愈测试
• 5.3.5 数据融合性能测试
• 5.3.6 功耗测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢