基于GSM延伸的WSN研究与实现

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）源于上世纪70年代,是从点到点间的传感器传输,到现场总线应用于传感器控制器,再到现在的具有无线自组织能力的传感器网络。由于无线通信技术、微电子技术、存储技术、能量供应技术的发展,加之IEEE 802.15.4工作组对WSN的物理层和MAC层协议的规范,使得WSN有了很大发展。WSN中单个节点的通信距离比较有限,所以WSN的单一子网覆盖的范围不可能太大。为了实现大规模无线传感器网络的组网与应用,需要借助广域网络设施作为远程传输的支撑平台,以实现不同传感器子网之间的互联,这就需要设计网关,来完成无线传感器网络与广域网络之间的协议转换。然而WSN经常布设于人员难以到达或者比较偏远的场合,作为支撑平台的广域网如果是有线网,当有线网布线至WSN处时,就会产生高昂的铺设费用。论文设计了一种依托全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications, GSM）平台作为对WSN覆盖延伸的体系结构。根据该体系结构设计出实现方案：用GSM作为节点信息远程传输的支撑平台,用ZigBee技术实现WSN,选用温度作为感知对象,设计出WSN网关,实现WSN与GSM网络之协议转换。研究的主要内容体现在以下几个方面：1.研究了基于ZigBee技术的WSN。重点研究了ZigBee无线通信协议栈架构、各层所涉及的原语、提供的服务。2.采用GSM蜂窝网作为无线广域网,研究了GSM空中接口的协议规范,AT指令及其格式。3.搭建了一个由无线广域子系统、网关子系统、节点子系统组成的体系结构。其中无线广域子系统借助现有的GSM网络。网关子系统由GSM模块和具有FFD（Full Function Device）功能的ZigBee协调器组成,它们之间通过串口RS-232连接。节点子系统由具有RFD （Reduce Function Device）功能的ZigBee无线传感器节点和温度传感器组成。4.开发环境采用IARSystems公司的IAR软件,并对IAR软件的功能和ZigBee协议栈的软件开发流程进行了研究。5.在熟悉ZigBee技术规范和GSM规范的基础之上,设计出了无线网关。该网关实现了两种网络协议之间的转换,包括ZigBee协调器控制下的WSN组网,AT指令的置入,以及PDU数据分组的定义。最后选用了三个节点的星型ZigBee网络结构作为WSN,手机作为用户远程控制终端,设计出软件网关,通过一系列的测试,实现了对WSN中节点的监测和管理,达到了预期目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本论文研究内容和总体安排
• 第二章 WSN及GSM技术
• 2.1 WSN的体系结构
• 2.1.1 WSN体系结构
• 2.1.2 WSN协议模型
• 2.1.3 WSN拓扑结构
• 2.1.4 无线传感器节点结构
• 2.1.5 WSN物理层协议方案
• 2.2 ZigBee技术
• 2.2.1 ZigBee技术标准简介
• 2.2.2 IEEE802.15.4物理层和MAC层
• 2.2.3 ZigBee的网络层
• 2.2.4 ZigBee技术应用层
• 2.3 GSM无线广域网
• 2.3.1 广域网络技术简介
• 2.3.2 GSM蜂窝网络技术简介
• 2.3.3 常用的AT指令
• 2.3.4 AT指令传输格式分析
• 第三章 WSN延伸的架构方案
• 3.1 方案设计
• 3.1.1 设计思路
• 3.1.2 体系结构
• 3.1.3 通信方式
• 3. WSN网关子系统的结构
• 3.2.1 ZigBee模块选型
• 3.2.2 GSM射频TC35i模块
• 3.3 WSN网关子系统硬件接口
• 3.3.1 网关内部接口
• 3.3.2 无线接口
• 3.4 节点子系统
• 第四章 软件设计
• 4.1 IAR开发环境
• 4.2 网关子系统的软件设计
• 4.2.1 ZigBee技术组建WSN过程
• 4.2.2 串口程序设计
• 4.2.3 网关子系统中PDU格式
• 4.3 节点信息处理
• 4.4 系统测试
• 4.4.1 GSM模块调试及结果
• 4.4.2 ZigBee协模块调器串口调试及结果
• 4.4.3 无线接口调试
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 一、参加科研情况
• 二、发表文章情况
• 附录A TC35i硬件电路