基于嵌入式Linux的工业无线传感器网络协调器的设计与实现

摘要

工业无线传感器网络协调器是整个网络的主控制器，负责网络的建立、成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。目前国内存在的工业无线传感器网络应用中，往往是借助于国外成熟的单芯片解决方案和不透明的协议栈。而协调器需要具备强大的计算能力和存储能力，随着网络规模的增大，单芯片解决方案已不能满足协调器的功能和性能需求。并且不透明的协议栈在安全性、可定制性、可靠性、可移植性和效率等方面都值得去衡量。
　　在分析目前国内外工业无线传感器网络协调器应用的基础上，提出了一种基于S3C2440A微处理器的解决方案，并且详细探讨了协调器系统硬件和软件的设计和实现方案。系统硬件设计的外围接口电路主要包括电源接口、射频接口、LCD接口、以太网接口、串行接口等。系统软件设计主要包括嵌入式Linux操作系统的构建、射频模块驱动程序的设计实现、FreakZ开源协议栈的移植、协调器系统和上位机图形用户程序的设计实现以及对测试节点上TinyOS的移植。论文还对数据的可靠性和安全性进行了分析，然后给出了系统的调试和测试过程，最后给出了对整个系统研究过程的总结并给出了系统可以改进之处。
　　本研究的嵌入式Linux工业无线传感器网络协调器在硬件上具有强大的处理计算能力、较大的存储容量、批量数据网络传输、彩色液晶显示和触摸输入等功能。软件上运行稳定可靠的嵌入式Linux操作系统、稳定的射频模块驱动程序、开源可定制的FreakZ协议栈以及友好的上位机和协调器图形用户界面应用程序。本协调器系统运行稳定可靠，可应用于工业现场的信号监测和控制，具有良好的市场价值和发展前景。
　　论文总共分为六个章节，第一章主要阐述了课题的背景、意义以及研究现状，并且对论文的总体结构进行了介绍;第二章主要阐述了工业无线传感器网络协调器总体方案设计，主要包含硬件平台设计和软件平台设计两个方面;第三章和第四章分别对第二章阐述的硬件和软件方面的设计和实现进行了详细的论述;第五章是协调器系统的调试测试部分;第六章对整个研究进行了总结和展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题提出的背景和意义

1．2 课题研究现状

1．3 论文的整体结构

2 协调器总体方案设计

2．1 协调器系统总体方案设计

2．2 硬件平台方案设计

2．3 软件平台方案设计

2．3．1 嵌入式操作系统选择

2．3．2 嵌入式图形用户接口选择

2．3．3 协议栈的选择

2．3．4 软件方案设计内容

2．4 本章小结

3 协调器硬件平台的设计和实现

3．1 核心板

3．2 协调器各模块设计

3．2．1 电源接口模块

3．2．2 射频接口模块

3．2．3 LCD接口模块

3．2．4 以太网接口模块

3．2．5 串行接口模块

3．2．6 USB Slave接口模块

3．3 协调器的PCB图和实物图

3．4 本章小结

4 协调器软件平台的设计和实现

4．1 嵌入式Linux系统构建

4．1．1 嵌入式Linux Bootloader

4．1．2 嵌入式Linux内核

4．1．3 嵌入式Linux文件系统

4．1．4 安装嵌入式Linux操作系统到协调器

4．2 射频模块驱动程序的设计实现

4．2．1 SPI总线接口驱动分析及实现

4．2．2 处理器对CC2420芯片的操作和实现

4．2．3 射频模块驱动的用户访问接口

4．2．4 CC2420射频模块数据的发送和接收

4．3 FreakZ开源协议栈

4．3．1 物理层

4．3．2 媒体接入控制层

4．3．3 网络层

4．3．4 应用层

4．3．5 FreakZ开源协议栈在嵌入式Linux下的移植

4．4 应用程序设计

4．4．1 协调器应用程序设计

4．4．2 嵌入式数据库移植及使用

4．4．3 上位机应用程序设计

4．5 数据可靠性和安全性分析

4．5．1 CRC校验

4．5．2 传感器网络节点间通信数据的校验

4．5．3 协调器和上位机网络通信数据的校验

4．5．4 AES加密标准

4．5．5 AES加密算法的加密流程

4．5．6 AES加密算法的解密流程

4．6 本章小结

5 系统调试与测试

5．1 射频模块驱动程序的测试

5．2 传感器网络测试节点程序设计

5．2．1 传感器网络测试节点简介

5．2．2 TinyOS系统移植

5．3 系统性能分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录A 工业无线传感器网络上位机监控界面

附录B 上位机和协调器NFS环境的搭建

附录C 目标文件烧录到CC2430传感器网络节点

作者简历