基于专用物联网的远程更新技术研究与应用

论文摘要

物联网自提出以来逐渐成为世界信息产业的热点,可分为公共物联网和专用物联网。本文研究对象为专用物联网系统,其传感节点和网关节点具有数量多、分布广、环境条件复杂等特点。物联网系统投入实际环境中运行后,一部分软件错误和功能缺陷便暴露出来。通过人工现场对节点更新的方式需要大量的人力、物力,甚至难以更新,已无法满足物联网的发展需求。因此,物联网远程更新技术变得日益重要。目前,物联网远程更新作为整体还未被广泛提及,关注度较少。现有的一些具体技术仅从局部考虑,过于依赖具体的执行环境。本文基于专用物联网技术设计了一种传感节点、网关节点及应用层远程更新软件的整体远程更新解决方案,提高远程更新的通用性、可靠性、稳定性,降低其对执行环境的依赖性。本文构建了一个传感节点和网关节点的硬件系统,并通过测试验证其正确性和可靠性。在硬件基础上实现了传感节点和网关节点远程更新底层软件以及应用层远程更新软件系统。系统特点如下:(1)采用通信模块与扩展模块的分层设计模式使硬件更具灵活性和可扩展性。(2)自主设计了适用于传感节点远程更新的RUPNP(Remote Update Programming Network Protocol)网络协议,不依赖于实际应用的网络,具有通用性。该协议依据数据帧的类型灵活地选择和改进了多种广播算法,具有高效的防洪泛机制;改进了标准的CSMA/CA算法,有效的降低了冲突率;设计了合理的数据帧和代码分发协议,具有安全可靠的加密和校验机制;提供了可靠的缺失帧重发机制。(3)采用按网段并行更新的方案大大提高了更新效率。网关节点远程更新采用按序的ACK机制,保证数据帧传输的正确性和完整性。(4)将应用层远程更新软件分为通信软件和管理软件,更具灵活性;自主设计实现了异步Socket机制下的TCP类库TcpLib,以满足通信实时性、可靠性和安全性的需求。本文对该系统进行了评估和测试,验证了系统可行性和可靠性,并将其应用于基于物联网的智能路灯系统,最终实现了路灯节点和主控箱的代码远程更新,与人工现场更新相比,显著地提高了更新的效率,简化了更新的工作量。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 物联网概述
• 1.1.2 嵌入式远程更新技术
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 课题研究内容及意义
• 1.3.1 课题研究具体内容
• 1.3.2 课题研究意义
• 1.4 论文结构
• 第二章 相关技术概述
• 2.1 公共物联网和专用物联网
• 2.1.1 公共物联网
• 2.1.2 专用物联网
• 2.2 物联网的分层体系结构
• 2.3 感知层
• 2.3.1 无线传感网络
• 2.3.2 IEEE 802.15.4 标准
• 2.3.3 ZigBee
• 2.3.4 WSN 的重编程技术
• 2.4 网络层
• 2.5 本章小结
• 第三章 总体方案设计
• 3.1 体系结构
• 3.2 传感节点
• 3.2.1 硬件设计
• 3.2.2 软件设计
• 3.3 网关节点
• 3.3.1 硬件设计
• 3.3.2 软件设计
• 3.4 应用层远程更新软件系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 传感节点的远程更新设计
• 4.1 传感节点主控芯片硬件选型
• 4.2 传感节点的硬件设计
• 4.2.1 通信模块的设计
• 4.2.2 扩展模块的设计
• 4.2.3 硬件平台实现和测试
• 4.3 传感节点的远程更新底层软件设计
• 4.3.1 S19 文件、存储器空间、链接文件解析
• 4.3.2 MC13213 驱动程序设计
• 4.3.3 RUPNP 网络协议的设计
• 4.3.4 代码分发协议的设计
• 4.3.5 监控程序的设计
• 4.4 传感节点远程更新系统的评估和测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 网关节点的远程更新设计
• 5.1 网关节点硬件选型
• 5.1.1 网关节点主控芯片选型
• 5.1.2 GPRS 模块选型
• 5.2 网关节点的硬件设计
• 5.2.1 主控芯片最小系统
• 5.2.2 GPRS 模块EM310 硬件设计
• 5.2.3 其它外围模块设计
• 5.3 网关节点远程更新底层软件设计
• 5.3.1 Linker.lcf 文件和存储空间解析
• 5.3.2 GPRS 模块EM310 的驱动程序设计
• 5.3.3 网关节点监控程序设计
• 5.4 网关节点远程更新系统的评估和测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 应用层远程更新软件系统设计及应用实例
• 6.1 应用层远程更新软件系统的设计
• 6.1.1 通信软件的设计
• 6.1.2 远程更新管理软件的设计
• 6.2 智能路灯系统的远程更新的设计
• 6.2.1 基于物联网的智能路灯系统
• 6.2.2 基于智能路灯系统的远程更新设计
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录A.1 传感节点通信模块和扩展模块硬件实物图
• 附录A.2 网关节点硬件实物图
• 附录B
• 附录B.1 基于物联网的智能路灯系统管理软件图
• 附录B.2 应用层远程更新软件系统管理软件图
• 公开发表的学术论文及参与的主要科研项目
• 致谢