物联网-智慧交通-WSN中传感器节点一键还原技术的研究与实现.pdf资源-CSDN文库

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ABSTRACT

Wireless Sensor Network (WSN) is mainly designed for tracking and monitoring

purpose. So far, many proposals and works have been made for applications, routing,

and link layers in WSN. However, less work has been done in monitoring,managering

and controlling of the nodes themselves. If the nodes are deployed where the

maintenance is extremely hard, system robustness is one of biggest concern. In this

paper, to address this challenge, one-key recovery is introduced and error messages

are sent from nodes to gateway even center of control. We can then hold a restore key

in the sensor node or send a recovery command from gateway to the nodes so that

rolling the system back to the initial state. In addition, a visibility friendly graphic

user interface make users efficiently manage any of nodes.

In this thesis, the core of hardware platform is CC2530 chip system developed by

TI and equipped with a touch screen for gateway. The software system is developed

based on Linux to facility the visualization operation while the core of node system is

Z-Stack protocol stack developed by TI. We mainly modify the code of application

and hardware abstraction layers to solve the problem.For the one-key recovery

module, the hardware platform is LPC1114 developed by NXP ,which is based on

ARM Cortex-M0 and a low-cost 32-bit microcontroller. It is designed for 8/16-bit

microcontroller applications and reduced code size compared to existing 8/16-bit

architectures. Furthermore the code which is used for restoring system is stored in a

special storage W25X16, and its advantage is low-power and very suitable for

downloading code. The recovery process is the code is read from W25X16 and wrote

in CC2530 by LPC1114. Then the one-key recovery is completed.

After a lot of tests, the result show that the software and hadware described in

this thesis meet our design requirements,significantly improving the life of the node.

KEY WORDS：WSN, sensor node, ZigBee, one-key recovery, Z-Stack

第一章绪论 .................................................................................................................................... 1

1.1 课题背景 ........................................................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 3

1.3 论文研究内容及意义 ....................................................................................................... 5

1.4 论文组织结构 ................................................................................................................... 6

第二章 ZigBee 协议与 Cortex-M0 微控制器 ................................................................................ 7

2.1 无线通信技术与组网技术................................................................................................ 7

2.1.1 ZigBee 介绍 ............................................................................................................. 7

2.1.2 WiFi 介绍 ................................................................................................................ 7

2.1.3 Bluetooth 介绍 ......................................................................................................... 8

2.1.4 GPRS 和 3G 介绍 .................................................................................................... 8

2.1.5 小结 ........................................................................................................................ 9

2.2 ZigBee 技术 ...................................................................................................................... 10

2.2.1 ZigBee 技术特点 ................................................................................................... 10

2.2.2 ZigBee 协议架构 ................................................................................................... 10

2.2.3 协议栈之 OSAL 分析 .......................................................................................... 12

2.3 低功耗微控制器 ARM Cortex-M0 ................................................................................. 13

2.3.1 Cortex-M0 概述 ..................................................................................................... 13

2.3.2 Cortex-M0 编程模式及存储系统介绍 ................................................................. 14

2.3.3 Cortex-M0 电源管理 ............................................................................................. 15

第三章传感器节点“一键还原”的硬件设计 ........................................................................... 16

3.1 概述 ................................................................................................................................. 16

3.2 手动“一键还原”技术的实现 ...................................................................................... 16

3.2.1 核心硬件介绍 ...................................................................................................... 16

3.2.2 “一键还原”工作原理 ....................................................................................... 21

3.2.3 平台架构分析 ...................................................................................................... 26

3.3 远程“一键还原”技术的实现 ...................................................................................... 29

3.3.1 概述 ...................................................................................................................... 29

3.3.2 模块总体结构 ...................................................................................................... 29

3.3.3 节点继电器电路设计 ........................................................................................... 31

3.4 本章小结 ......................................................................................................................... 33

第四章传感器节点“一键还原”的软件设计 ........................................................................... 34

4.1 概述 ................................................................................................................................. 34

4.2 通信模块程序设计 ......................................................................................................... 34

4.2.1 Z-Stack 协议栈架构分析 ...................................................................................... 34

4.2.2 协调器端应用层程序设计 ................................................................................... 36

4.2.3 终端节点端应用层程序设计 ............................................................................... 39

4.3 “一键还原”模块程序设计.......................................................................................... 41

4.3.1 模块总体结构设计............................................................................................... 41

4.3.2 读特制存储器 W25X16 的程序设计 .................................................................. 42

4.3.3 写 CC2530 的 Flash 程序设计 ............................................................................. 43

4.4 本章小结 ......................................................................................................................... 44

第五章实验结果与分析 .............................................................................................................. 46

5.1 实验平台设计 ................................................................................................................. 46

5.2 实验结构与步骤 ............................................................................................................. 47

5.3 本章小结 ......................................................................................................................... 52

第六章总结与展望 ...................................................................................................................... 53

6.1 总结 ................................................................................................................................. 53

6.2 展望 ................................................................................................................................. 54

参考文献 ........................................................................................................................................ 55

发表论文和参加科研情况说明 .................................................................................................... 58

致谢 ........................................................................................................................................ 59

第一章绪论

1.1 课题背景

科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重

要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术

已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场

信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN，

Wireless Sensor Network）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处

理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环

境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到

需要这些信息的用户。由于 WSN 巨大的应用价值，它已经引起了世界许多国家

的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事、工业过程控制、

国家安全、环境监测等领域

[1]

。

无线传感器网络（WSN）由大量高密度布设的廉价微型传感器节点组成，

这些节点具有信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，通过无线通信形成一

个多跳的自组织分布式网络系统，可根据环境信息自主完成指定任务

[2]

。面向军

事防御、灾害监测与救援等危险、恶劣环境的事件监测应用，大多具有监测面积

较大、缺乏必要的通信基础设施等特点，可充分发挥无线传感器网络规模大、随

机分布、自组网等特点，是无线传感器网络最典型的应用之一。

无线传感器网络由许多个功能相同或不同的传感器节点组成，如图 1-1所示，

一个应用区域分布着很多的无线传感器节点，各个节点之间通过无线的方式传输

信息，每一个传感器节点包括数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和

供电等部分，节点在网络中可以充当数据采集者、路由节点、簇节点的角色

[3]

。

作为数据采集者，信息采集模块采集周围环境的数据（如温度、湿度，气压等），

通过无线通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站或网关节点；作为路由

节点，除了完成信息采集，还可以接收相邻节点传送过来的数据并按网络协议转

发给距离基站更近的相邻节点或直接转发给网关节点；作为簇节点则要负责收集

该类节点中所有节点采集的数据，经过数据融合后，发送到汇聚节点或基站。

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