ZigBee轨温监测节点及其能源管理设计

论文摘要

无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是一门融合了网络技术、信息处理技术、传感器技术、无线通信技术的新兴技术。ZigBee技术具有功耗低、数据速率低、成本低、网络拓扑结构复杂、扩充性好等特点,它自身所具有的这些特点恰好满足无线传感器网络的要求。ZigBee传感器网络正在进入越来越多的领域,本文针对轨道安全监测的具体应用,研究了ZigBee传感器网络在轨温监测领域的应用,设计了轨温监测节点及其能源管理策略。根据轨温监测的实际需求,设计了基于ZigBee通信模块JN5139的轨温监测节点。完成了节点的通信单元、传感单元、数据处理单元和供电单元的硬件电路的设计。基于ZigBee协议栈和JenOS操作系统,完成了ZigBee轨温监测节点的软件设计。同时,解决了轨温监测节点的授时和定位问题,为节点增加了利用GPS提供授时和定位信息的功能。为了便于节点的测试,编写了基于Visual C++6.0的上位机程序。能源管理一直是无线传感器网络设计的核心问题之一,为了延长ZigBee无线传感器网络节点的寿命,从硬件和软件两个角度设计了节点的能源管理策略,设计了适合于轨温监测应用环境的节能方案,重点设计了ZigBee协议栈的能源管理策略。同时,节点还能够实时监测为其供电的铅酸电池的电量来管理ZigBee轨温节点的能量。除此之外,本文结合无线电波的传播特征分析了实际环境中影响ZigBee节点通信质量的因素,并在实际环境中对节点进行了传输距离测试和丢包率的测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 无线传感器网络发展和研究现状
• 1.3 本文研究内容和层次结构
• 2 轨温监测节点的总体设计
• 2.1 总体需求分析
• 2.2 总体方案设计
• 2.2.1 ZigBee轨温监测网络总体方案设计
• 2.2.2 ZigBee轨温节点总体方案设计
• 3 传感器节点的硬件设计
• 3.1 数据处理和无线通信单元设计
• 3.2 供电单元设计
• 3.3 传感单元设计
• 3.4 节点授时定位功能硬件设计
• 4 传感器节点软件设计
• 4.1 开发环境简介
• 4.2 节点程序设计
• 4.3 上位机程序设计
• 5 节点能源管理设计和性能测试
• 5.1 ZigBee节点能耗概述
• 5.2 硬件节能方案设计
• 5.3 软件节能方案设计
• 5.3.1 应用层节能方案设计
• 5.3.2 网络层节能方案设计
• 5.3.3 MAC层和物理层节能方案设计
• 5.4 轨温监测节点性能测试
• 5.4.1 节点功耗测试
• 5.4.2 ZigBee通信干扰因素分析和性能试验
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢