无线传感器网络测试平台的硬件电路设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.99MB 74 页 15积分
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摘 要
本课题的研究内容是设计一种无线传感器网络硬件测试平台，目的在于建
立一个多功能、扩展性强、真实的无线传感器网络测试系统，能够对无线传感
网络的研究成果进行有效而快速的检验，例如对无线传感器网络相关算法和协
议的验证。可以更好地模拟无线传感器网络实际工作的物理环境，从而对理论
研究的结果或设计方案进行更加准确的评价。
根据对国内外已经开发的典型的无线传感器网络硬件测试平台的分析，以
及我们实验室对无线传感器网络测试平台各方面的需求，通过对测试平台各个
子模块的优化设计，克服了其它测试平台存在的一些局限性，增加了测试平台
的一般性和可扩展性。该硬件测试平台采用模块化设计，测试节点的主要功能
模块有供电模块、射频模块、侦听模块、程序更新和调试模块以及测试节点底
板等。测试节点底板设计了各个单独模块的接口，为方便数据采集，还设计了
多种通信接口，如 RS-232 串口、USB 接口和以太网转串口、USB 转串口。为增
加通信距离，还增加了USB 延长线模块。
本文首先介绍了无线传感器网络的特点和制约其发展的因素，明确了本课
题研究意义的所在，根据分析已有测试平台的体系结构，提出了测试平台的总
体设计方案，然后对测试平台硬件电路进行模块化设计分析，其中包括三种电
源设计方案，两种节点程序下载调试的设计方案，射频模块、侦听模块设计方
案以及各种通信接口的设计。
在完成了各硬件模块的设计和制作之后，对测试平台各模块进行了硬件调
试，电源的验证、通信接口的测试和节点的通信测试。其中节点通信测试程序
是在 TinyOS 系统上开发，采用具有组件化编程思想的 nesC 语言来编写。
无线传感器网络发展空间和前景较好，是物联网的核心技术之一，是未来
智慧城市建设的支撑。而无线传感器网络硬件平台的建设为其相关技术的研究
提供了硬件支持。
关键词：无线传感器网络 硬件测试平台 模块化设计 TinyOS
ABSTRACT
The research content of this topic is to design a wireless sensor network test
platform of hardware circuit system, the purpose is to establish a multifunctional,
strong extensibility, and real network test platform, which can carry on the effective
and rapid test about the research results of wireless sensor network, such as the
verification of network algorithm and the communication protocol. It can be used to
simulate the real physical environment of the wireless sensor network working better
than others, so that can evaluate the results of theoretical research or design more
accurately.
Based on the research and analyze of typical wireless sensor network test
platform which have been developed at home and abroad, with the actual research
needs of our laboratory on the wireless sensor network, optimize designing each
module of the platform, overcome some limitations for the existence of other test
platform, make the design of the test platform is general and extensible. The
hardware test platform adopts the modular design, the main function module include
the power supply module, wireless radio frequency transceiver module, the data
listener module, program updates and debugging module and test node backpanel
etc. Test node backpanel has designed the interface of each individual module, for
the convenience of data acquisition, it also has designed various communication
interfaces, such as RS-232 serial port, USB interface and the Ethernet serial port,
USB serial port. To increase the communication distance of the test platform, it also
has designed the USB extension cord.
In this paper,We introduce the feature and the factors restricting its
development of wireless sensor network firstly, make the research significance of
this topic clear and definite,through the analysis of the test platform for the
construction of the proposed overall design scheme, and then the modular design
analysis was carried out on the test platform hardware circuit, including three kinds
of power supply design scheme ,two kinds of node design scheme of program
download debugging, the design scheme of radio frequency module, interception
module and design of various communication interfaces.
After the completion of design and production about each hardware module, we
have carried on the hardware debugging to test platform module, the verification of
power supply and test of the communication interface and the communication test of
the node .The node communication program was written by nesC language based on
wireless sensor network operating system TinyOS.
The wireless sensor network has very broad application prospect, is one of the
core technology of the Internet of things, supporting for the construction of wisdom
city in the future. And the construction of the wireless sensor network hardware
platform which has provided hardware support for the study of related technology.
Key Word: wireless sensor network, hardware test platform ,
Modular design, TinyOS,
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................... 1
§1.1 无线传感器网络简介 ......................................... 1
§1.1.1 无线传感器网络发展历程 ................................. 1
§1.1.2 无线传感器网络的特征 ................................... 2
§1.1.3 无线传感器网络的应用领域 ............................... 2
§1.2 课题研究背景及意义 ......................................... 2
§1.3 无线传感器网络测试平台研究现状 ............................. 3
§1.3.1 国外无线传感器网络测试平台研究现状 ..................... 3
§1.3.2 国内无线传感器网络测试平台研究现状 ..................... 4
§1.4 主要研究内容 ............................................... 4
§1.5 本章小结 ................................................... 6
第二章 无线传感器网络硬件测试平台简介 ............................. 7
§2.1 无线传感器网络系统结构 ..................................... 7
§2.2 典型无线传感器网络测试平台体系结构 ......................... 9
§2.2.1 MoteLab ................................................ 9
§2.2.2 Kansei ................................................ 10
§2.2.3 SNAMP ................................................. 11
§2.2.4 NESC-Testbed .......................................... 13
§2.2.5 SNAP .................................................. 14
§2.3 本章小结 .................................................. 15
第三章 无线传感器网络测试平台总体方案 ............................ 16
§3.1 测试平台硬件电路系统框架 .................................. 16
§3.2 系统各模块功能简要介绍 .................................... 17
§3.3 本章小结 .................................................. 18
第四章 测试平台各模块硬件电路设计方案 ............................ 19
§4.1 PoE 供电模块的设计 ........................................ 19
§4.1.1 PoE 供电的系统构成 ..................................... 19
§4.1.2 PoE 供电特性参数 ....................................... 19
§4.1.3 PoE 设备供电过程 ....................................... 20
§4.1.4 PoE 的两种供电方式 ..................................... 21
§4.1.5 PoE 模块的原理图 ....................................... 21
§4.1.6 PoE 模块关键芯片简介 ................................... 23
§4.2 测试节点底板电源设计 ...................................... 26
§4.2.1 电路原理图 ............................................ 26
§4.2.2 关键芯片简介 .......................................... 27
§4.3 射频模块设计 .............................................. 28
§4.3.1 电路原理图 ............................................ 28
§4.3.2 CC2430 简介 ............................................ 29
§4.4 侦听模块设计 .............................................. 31
§4.4.1 电路原理图 ............................................ 31
§4.4.2 CC2531 简介 ............................................ 32
§4.5 调试模块设计 .............................................. 33
§4.5.1 基于 CC2511 的Debug 设计方案 ........................... 33
§4.5.2 基于 C8051F320 的Debug 设计方案 ........................ 39
§4.6 以太网转串口模块 .......................................... 41
§4.7 测试节点底板设计 .......................................... 42
§4.7.1 节点通信接口设计 ...................................... 43
§4.7.2 传感器通信接口设计 .................................... 44
§4.7.3 调试模块接口设计 ...................................... 45
§4.7.4 USB 接口设计 ........................................... 46
§4.7.5 USB 转串口设计 ......................................... 46
§4.7.6 USB 延长线设计 ......................................... 46
§4.7.7 RS-232 串口电路设计 .................................... 48
§4.7.8 以太网转串口接口设计 .................................. 49
§4.7.9 人机交互电路设计 ...................................... 50
§4.8 本章小结 .................................................. 51
第五章 测试平台的测试验证 ........................................ 52
§5.1 电源模块的测试 ............................................ 52
§5.1.1 PoE 模块的测试 ......................................... 52
§5.1.2 USB 供电测试 ........................................... 52
§5.1.2 电源适配器供电测试 .................................... 53
§5.2 以太网转串口模块的测试 .................................... 53
§5.3 调试模块的测试 ............................................ 55
§5.4 USB 延长线模块的测试 ...................................... 57
§5.5 节点通信功能测试 .......................................... 57
§5.5.1 射频模块串口通信测试 .................................. 58
§5.5.2 节点无线通信测试 ...................................... 59
§5.6 本章小结 .................................................. 62
第六章 总结与展望 ................................................ 63
§6.1 本文工作总结 .............................................. 63
§6.2 研究展望 .................................................. 64
参考文献 ......................................................... 66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................... 69
一、论文 ......................................................... 69
二、申请的专利 ................................................... 69
二、获奖情况 ..................................................... 69
致 谢 ............................................................ 70
摘要：

摘要本课题的研究内容是设计一种无线传感器网络硬件测试平台，目的在于建立一个多功能、扩展性强、真实的无线传感器网络测试系统，能够对无线传感网络的研究成果进行有效而快速的检验，例如对无线传感器网络相关算法和协议的验证。可以更好地模拟无线传感器网络实际工作的物理环境，从而对理论研究的结果或设计方案进行更加准确的评价。根据对国内外已经开发的典型的无线传感器网络硬件测试平台的分析，以及我们实验室对无线传感器网络测试平台各方面的需求，通过对测试平台各个子模块的优化设计，克服了其它测试平台存在的一些局限性，增加了测试平台的一般性和可扩展性。该硬件测试平台采用模块化设计，测试节点的主要功能模块有供电模块、射频...

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