无线传感器网络节点的分布式体系结构研究

论文摘要

无线传感器网络是由大量集成有传感器模块、处理器模块,无线通信模块和能量供应模块的节点通过自组织方式构成。由于节点的应用环境的特殊性和更换电池不方便性等特点,使得能量问题成为影响和制约无线传感器网络普及和发展的瓶颈问题之一。另外,无线传感器网络的节点是用来采集所测环境的信息和参数的,应用需求不同,节点所带的传感器模块也不同,因此使节点具有通用性和可扩展性也是当今无线传感器网络节点发展的重要课题。本课题针对节点的传统结构进行改进,提出了分布式体系结构的方案,使每个模块拥有自己的微处理器,都能独立负责自己模块的功能,与主控微处理器通信来协调工作。通过收集太阳能的方式,研究和设计了具有超级电容和磷酸铁锂电池两级储能的能量收集系统。该系统在微处理器即单片机MSP430F2122的控制下实现能量从太阳能电池到超级电容,经直流-直流转换器到磷酸铁锂电池,最后到节点负载的有序能量流,应用干扰观察法实现了太阳能电池的最大输出功率控制,采用涓流充电方式最大限度地延长锂电池的寿命。此外,能量收集系统还具有过流保护和I2C通信功能,节点主单片机通过该I2C通信可以配置能量收集系统的工作参数和获取剩余能量状态。节点太阳能收集系统避免了节点能量的单向衰减,提高了节点性能和寿命,有利于无线传感器网络的推广应用。为了实现节点的通用性和可扩展性,在不同要求下,可以在现有节点上直接更换或添加传感器模块,而无需设计新的节点。课题介绍了IEEE 1451.2标准中STIM即插即用的构造方法,实现了传感器模块在主MCU的I2C接口上的即插即用。这样的节点定义了统一、完整的外部接口,可以在不同应用环境中,选择不同的组件自由配置系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的基本特性
• 1.1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.2 WSN的基本特征
• 1.1.3 WSN发展的挑战性
• 1.2 WSN节点的硬件平台
• 1.2.1 WSN节点的体系结构
• 1.2.2 WSN节点的扩展限制
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 课题的研究内容
• 1.5 论文的组织
• 第二章 节点的分布式体系结构
• 2.1 WSN节点的发展
• 2.1.1 节点的发展过程
• 2.1.2 节点的综合比较
• 2.2 WSN节点的特征
• 2.2.1 WSN节点设计的考虑因素
• 2.2.2 WSN节点的设计要求
• 2.3 WSN节点的分布式体系结构
• 2.3.1 分布式体系结构产生的原因
• 2.3.2 分布式体系结构的概述
• 2.4 本章小结
• 第三章 主处理器及无线通信模块
• 3.1 主处理器的选择
• 3.1.1 处理器选择原则
• 3.1.2 常见处理器介绍
• 3.1.3 主处理器芯片选型
• 3.2 无线通信模块
• 3.2.1 射频芯片选用考虑因素
• 3.2.2 射频芯片选型
• 3.2.3 EM250 与主MCU之间的连接
• 3.3 本章小结
• 第四章 面向无线传感器网络节点的太阳能收集系统
• 4.1 能量提取
• 4.1.1 能量提取的重要性
• 4.1.2 能量提取的来源
• 4.2 太阳能光伏电池
• 4.2.1 光伏电池的发电原理
• 4.2.2 光伏电池的特性
• 4.2.3 光伏电池的最大功率点跟踪
• 4.3 面向WSN节点的太阳能收集系统
• 4.3.1 系统的组成原理
• 4.3.2 MCU选型
• 4.3.3 超级电容
• 4.3.4 锂电池
• 4.3.5 DC/DC转换器
• 4.4 系统硬件电路图
• 4.4.1 太阳能输出检测及第一级储能电路
• 4.4.2 第二级储能及供电电路
• 4.5 系统软件流程
• 4.5.1 能量软件管理
• 4.5.2 太阳能电池最大功率点跟踪
• 4.5.3 MPPT仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 传感器模块扩展性研究
• 5.1 扩展的必要性
• 5.2 IEEE1451 标准协议组
• 5.3 IEEE1451.2 标准
• 5.3.1 智能变送器接口模块STIM
• 5.3.2 变送器独立接口TII
• 5.3.3 网络适配器NCAP
• 5.3.4 电子数据表TEDS
• 5.4 传感器模块设计
• 5.4.1 传感器模块微处理器硬件设计
• 5.4.2 传感器模块接口
• 5.5 接口的数据格式
• 5.6 本章小结
• 结论
• 全文工作总结
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件