本文關鍵詞：基于Microduino的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚器的研究與實現(xiàn)

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【摘要】：隨著嵌入式技術、單片機技術與無線通信技術的快速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network,WSN)技術也發(fā)展成熟并廣泛應用于各個領域。無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展改變了交通、醫(yī)療、勘探、安全、國防等諸多領域的發(fā)展現(xiàn)狀,以全新的傳感器技術和無線通信技術帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)新的突破。數(shù)據(jù)匯聚器是無線傳感器網(wǎng)絡中的重要設備,近年在研究應用中常使用ARM、FPGA、DSP等高級技術設計實現(xiàn),成本較高難以普及應用。新興的Arduino技術及相關設備具有低成本、易實現(xiàn)等特點,本文主要研究使用Arduino技術與Microduino模塊實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚器。本文著重研究了面向室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等應用的WSN數(shù)據(jù)匯聚器的設計與實現(xiàn),并對系統(tǒng)進行了實地測試,在對實驗結果進行分析后論證了其應用價值。本文遵循嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程并結合設計目的,使用延續(xù)了Arduino技術特點的新式Microduino硬件搭配Zigbee技術與GPRS網(wǎng)絡技術,以降低成本、降低功耗為目的提出了一種WSN數(shù)據(jù)匯聚器的設計方案。本文以高性價比的Microduino模塊搭建了WSN數(shù)據(jù)匯聚器,既降低了成本也繼承了Arduino技術易于實現(xiàn)的特點。在功耗較高的情況下設計了一種面向特定數(shù)據(jù)的基于數(shù)據(jù)相似性分析的節(jié)能算法以降低系統(tǒng)整體的功耗。本文以室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測為應用背景,對匯聚器進行了設計,包括硬件設計與選型,軟件設計與實現(xiàn),系統(tǒng)測試與結果分析等工作。該匯聚器使用Microduino-Core+模塊作為控制器連接Zigbee模塊與GPRS模塊進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)和處理,成功實現(xiàn)了WSN應用中數(shù)據(jù)的采集、匯聚與互聯(lián)網(wǎng)接入。本文借助Core+模塊、Zigbee模塊與GPRS模塊的睡眠功能,在軟件設計中加入了一種基于數(shù)據(jù)相似性的節(jié)能算法降低了功耗。本文針對室內(nèi)應用場景以溫濕度傳感器與光照強度傳感器為例進行了匯聚器的功能測試與無線通信測試,并設計了測試方案對比電量消耗計算出節(jié)能算法的實際效率。最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)匯聚器的功能并通過實際測試驗證了其應用價值,達到了研究目的。
【關鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡 匯聚器 Microduino ZIGBEE GPRS
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 研究背景10-11
• 1.3 無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀11-14
• 1.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡應用現(xiàn)狀12-13
• 1.3.3 待解決的問題13-14
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容14-15
• 1.5 論文的組織結構15-17
• 第2章 無線傳感器網(wǎng)絡及Microduino概述17-29
• 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構17-18
• 2.2 匯聚器的功能及結構18-19
• 2.3 無線通信技術的分析與對比19-22
• 2.4 Zigbee無線通信技術22-24
• 2.4.1 Zigbee通信技術概述22-24
• 2.4.2 Zigbee網(wǎng)絡拓撲結構24
• 2.5 GPRS通信技術24-26
• 2.6 Micrduino設備26-27
• 2.7 本章小結27-29
• 第3章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚器的硬件設計29-45
• 3.1 硬件結構概述29-32
• 3.1.1 匯聚器的結構需求29
• 3.1.2 匯聚器性能需求29-30
• 3.1.3 硬件平臺對比30-32
• 3.2 匯聚器硬件設計與選型32-42
• 3.2.1 核心MCU選型34-36
• 3.2.2 短距離無線通信模塊選型36-37
• 3.2.3 GPRS模塊選型37-40
• 3.2.4 匯聚器硬件連接設計40-42
• 3.3 匯聚器硬件設計方案驗證42-43
• 3.4 本章小結43-45
• 第4章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚器的軟件設計與實現(xiàn)45-61
• 4.1 Microduino開發(fā)環(huán)境搭建45-46
• 4.2 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的軟件設計與實現(xiàn)46-52
• 4.2.1 無線傳輸數(shù)據(jù)包設計46-47
• 4.2.2 程序流程設計47-50
• 4.2.3 主要函數(shù)的實現(xiàn)50-51
• 4.2.4 SIM800L AT指令51-52
• 4.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設計與實現(xiàn)52-55
• 4.3.1 程序流程設計52-53
• 4.3.2 主要函數(shù)的實現(xiàn)53-55
• 4.4 節(jié)能算法的設計與實現(xiàn)55-59
• 4.4.1 程序流程設計55-58
• 4.4.2 主要函數(shù)的實現(xiàn)58-59
• 4.5 本章小結59-61
• 第5章 無線傳感器網(wǎng)絡匯聚器的測試與分析61-69
• 5.1 測試方案設計61-63
• 5.1.1 Zigbee通信距離與穩(wěn)定性測試61-62
• 5.1.2 匯聚器功能檢測62-63
• 5.2 測試結果63-67
• 5.2.1 Zigbee通信距離與穩(wěn)定性測試63-65
• 5.2.2 匯聚器功能測試65-67
• 5.3 本章小結67-69
• 結論69-71
• 參考文獻71-75
• 攻讀碩士學位期間獲得的學術成果75-77
• 致謝77

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本文編號：839590