基于TinyOS的无线传感器网络节点研究与设计

论文摘要

为了满足基于无线传感器网络的危险品运输监测系统的高可靠性和高实时性,在设计时必须要求传感器节点的低功耗和系统对事件处理的实时性响应,从而实现车辆在行驶状态中传感器数据的实时采集和处理,为危险品车辆的及时预警提供可靠保证。基于上述背景,论文首先介绍了无线传感器网络的相关概念,深入分析了传感器节点各个模块的功能特点,提出了一种基于Atmega1281微控制器和AT86RF230射频芯片的低功耗节点设计方案,并完成了节点各功能模块的电路设计与实现。其次,针对无线传感器网络操作系统TinyOS调度算法对实时性强的任务响应速度慢、任务吞吐量低的问题,论文通过分析现有改进策略存在的弊端,提出了一种基于多任务队列的调度算法。该算法采用实时任务和优先级任务分级调度,可以动态改变任务的优先级,并增加了任务超时中断,满足了系统对高实时性和高优先级任务的响应,而且优先级较低的任务也可以在适当的时间内被执行,提高了系统对任务的吞吐量,通过测试表明,对于资源有限的无线传感器网络,该调度算法具有很强的实用性。最后,论文设计了一个小型的危险品监测系统,完成了根节点和感知节点的程序设计,并在PC机上设计了一个监测软件,用来显示传感器节点收集来的数据。对系统进行测试表明,系统运行过程中减少了数据丢失和等待数据接收的延迟现象,提高了系统的实时性和稳定性,采集到的数据准确,满足了危险品监测的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 无线传感器网络的国内外发展现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络简介
• 2.1 无线传感器网络结构
• 2.2 无线传感器网络的特点
• 2.3 无线传感器网络的关键技术
• 2.4 无线传感器网络操作系统
• 2.4.1 无线传感器网络操作系统简介
• 2.4.2 WSNOS设计目标
• 2.4.3 典型无线传感器网络操作系统
• 2.5 本章小结
• 第三章 传感器节点硬件设计
• 3.1 节点设计概述
• 3.2 节点设计要求
• 3.3 节点各模块设计
• 3.3.1 处理器模块
• 3.3.2 无线通信模块
• 3.3.3 AT86RF230与Atmega1281接口电路
• 3.3.4 电源模块
• 3.4 本章小结
• 第四章 TINYOS操作系统与NESC语言分析
• 4.1 TINYOS操作系统分析
• 4.1.1 TinyOS组件模型
• 4.1.2 TinyOS调度机制
• 4.1.3 TinyOS通信模型
• 4.2 NESC语言分析
• 4.2.1 nesC语言概况
• 4.2.2 接口
• 4.2.3 组件
• 4.2.4 并发模型
• 4.3 TINYOS开发平台搭建
• 4.4 TINYOS程序开发基本步骤
• 4.5 本章小结
• 第五章 TINYOS任务调度策略的研究与改进
• 5.1 TINYOS调度机制分析
• 5.1.1 TinyOS的两级调度模型
• 5.1.2 TinyOS 2.x任务调度器
• 5.1.3 TinyOS 2.x任务调度策略不足
• 5.2 多任务队列调度机制
• 5.2.1 已有的任务调度策略改进算法
• 5.2.2 多任务队列调度算法设计
• 5.2.3 设计分析与总结
• 5.3 多任务队列调度机制性能测试与分析
• 5.3.1 实时任务调度分析
• 5.3.2 优先级任务调度分析
• 5.3.3 能耗分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 危险品监测系统软件设计与实现
• 6.1 TINYOS 2.x分层设计体系与资源仲裁机制
• 6.1.1 TinyOS 2.x的三层硬件抽象体系
• 6.1.2 TinyOS 2.x的资源仲裁机制
• 6.2 节点平台驱动程序设计与实现
• 6.2.1 温湿度传感器SHT11驱动程序设计
• 6.2.2 气体探测器驱动程序设计
• 6.2.3 无线通信模块AT86RF230驱动程序设计
• 6.3 节点应用程序设计
• 6.3.1 根节点程序设计
• 6.3.2 感知节点程序设计
• 6.4 系统测试
• 6.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间发表论文及参加科研情况
• 致谢