基于ZigBee的网关多点信息采集系统的研究与设计

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网络通信科技的迅猛发展,为人们日常生活的信息沟通提供了越来越快捷的服务。无线传感网络在科学研究、环境监测、智能公交、医疗监护、智能家居、军事侦查和日常生活等领域有非常广泛的应用前景,是新兴前沿热点研究领域之一。ZigBee技术作为一种理论和应用研究日趋成熟的短距离无线通信标准,它具有高通信效率、低复杂度、低功耗、高安全性以及短距离双向传输等诸多优点,这些优点使得ZigBee技术能够更好地发挥无线传感器网络技术特点。Internet是现在覆盖范围最广的网络,但是它对物理世界的感知能力较弱,如果能通过Internet获取ZigBee无线网络采集的数据,就可以将物理世界的信息方便廉价地传到世界的每个角落。针对异构网络的通信协议融合问题,本文在分析现有网络接入方式的基础上,根据传输层网关的思想提出了一种嵌入式无线传感器网络网关的设计和实现方案。本文设计并实现了一款基于ARM Cortex-A8内核的OMAP3530处理器的新型嵌入式无线网络网关,用以实现ZigBee无线通信协议和TCP/IP协议的融合。针对OMAP3530处理器特点,进行了硬件连接的设计。根据自行设计的网关硬件平台,文中有针对性的进行了WinCE操作系统的定制和移植。详尽地分析了IEEE802.15.4标准协议网络分层结构和数据帧格式,研究了无线传感网络的网络拓扑结构类型和特点,结合文中设计的网关多点采集系统,最终选取星型拓扑结构进行无线数据的采集。针对ZigBee技术的特点,利用Z-Stack2007协议栈平台,进行了应用程序的开发。系统的网关与协调器相连,负责异构网络通信和数据处理。整个网关平台分为无线传输模块和以太网模块,其中无线传输节点搭载了TI公司的无线芯片CC2530,与协调器模块相连,负责采集无线传感器网络节点的信息。协调器和传感器节点的设计均采用了支持ZigBee协议的CC2530芯片;以太网模块采用100M的以太网控制芯片RTL8139,负责与传统的互联网连接通信。为验证网关系统的性能,论文研究并改进了TI公司的ZigBee协议栈Z-Stack,设计并实现了无线传感器节点模块,给出了节点模块的软硬件设计要点。实验测试结果表明:本网关系统能够稳定运行,并可进行数据的安全可靠传输。可以灵活地对节点进行扩展,经过简单的改进就能开发成实际的应用产品,如将专用传感器节点实际地嵌入到各种终端、仪表仪器和智能设备中,添加一定的应用软件,可以方便地开发成温控系统或者安防系统等。
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