（計算機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）基于ieee802154協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn).pdf

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 出現(xiàn)了許多不同的無線網(wǎng)絡(luò) 根據(jù)目前的 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和將來的發(fā)展趨勢來看 這些網(wǎng)絡(luò)可分為無線廣域網(wǎng) w a n 無線局 域網(wǎng) w l a n 和無線個人區(qū)域網(wǎng) w p a n 其中w p a n 近兩年來發(fā)展尤為迅 速 它使得人們能擺脫有線的束縛 能在近距離內(nèi)實現(xiàn)各種設(shè)備間的無線通信 藍牙和2 0 0 4 年1 2 月推出的z i g b e e 以及還未推出正式標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都 屬于w p a n 與其他兩種網(wǎng)絡(luò)相比 w p a n 的特點為應(yīng)用范圍廣 功耗低 適 用于近距離無線通信范圍 由于其特點 這種網(wǎng)絡(luò)最適合用于近距離有多點通信 要求的場合 i e e e 組織對w p a n 的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要集中在8 0 2 1 5 中 其中作為 z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)物理層和媒體接入控制層 m a c 層 標(biāo)準(zhǔn)的i e e e 8 0 2 1 5 4 是其中的 一員 由于i 髓e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議具有低功耗 低成本和高穩(wěn)定性的特點 z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展 使z i g b e e 技術(shù)能夠運用于多節(jié)點的 環(huán)境監(jiān)測和控制 如倉庫 大樓及家居 汽車電子 醫(yī)用設(shè)備等 為人們帶來 更多的便利和安全 雖然現(xiàn)在已有一些大公司已研發(fā)出支持i e e e 8 0 2 1 5 4 的專用無線收發(fā)芯片 如f r e e s c a l e 公司的m c l 3 1 9 2 c h i o n 公司的c c 2 4 2 0 d b 以及h e l i c o m m 公司 的h e l i c o 咖i p l i i 此 4 g h z e z d k 模組等l l j 但國內(nèi)比較難以得到此類芯片 所 以國內(nèi)的開發(fā)者很難得到此類芯片和開發(fā)平臺進行研究和開發(fā) 為了能在目前階 段開展這方面的研究 本文提出了一個研究方案 即使用非專用無線收發(fā)芯片和 嵌入式芯片實現(xiàn)基于i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信仿真模塊 以此對基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的無線圖像傳輸終端進行研究并對其性能作出評估與分析 本論文首先簡述了當(dāng)今w p a n 的發(fā)展趨勢 介紹了i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的發(fā) 展和前景 然后對該協(xié)議進行深入的研究和解讀 接著本文根據(jù)該協(xié)議和8 位 s o c 芯片系統(tǒng)以及非專用無線模塊的特點 設(shè)計和實現(xiàn)了可供m e e 8 0 2 1 5 4 通 信協(xié)議進行仿真的仿真模塊 使用該模塊完成了多點數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)設(shè)計和無線 圖像傳輸終端的應(yīng)用實現(xiàn) 論文中使用了理論結(jié)合實際的研究方法 即從理論到實踐 并在最后加以驗 證 文章首先詳細地分析了無線網(wǎng)絡(luò)的特點及相關(guān)技術(shù) 然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次的順 序研究了i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 在完成理論研究之后設(shè)計了一個使用通信協(xié) 議仿真模塊的終端設(shè)備 文章最后給出了該終端設(shè)備的運行實驗結(jié)果 在結(jié)束時 回顧了本文所做的工作 提出了改進意見 并展望了i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議未來的 應(yīng)用 論文中所實現(xiàn)的無線圖像傳輸終端可使用在大樓內(nèi)或商場內(nèi)用于廣告和警 示或使用在課堂教學(xué)方式的改革等方面 該模型還可以配合各種傳感器構(gòu)成傳感 器網(wǎng)絡(luò)用于大樓監(jiān)控 環(huán)境監(jiān)測和家居智能管理等 本人對論文所作的貢獻 1 深入地解讀了i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 并詳細地分析和研究了協(xié)議中的各種 機制 2 根據(jù)現(xiàn)在國內(nèi)對該方向開展研究的需要 提出了構(gòu)建一種基于i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議通信的仿真模塊 該模塊使用8 位單片機與高頻通信模塊加以實現(xiàn) 可 用于各種實驗系統(tǒng)中作開發(fā)研究使用 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 3 使用i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議通信仿真模塊構(gòu)成了一個無線圖像傳輸終端 并給出 實驗結(jié)果與分析 希望能以此應(yīng)用為實例 進一步推動i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議的廣泛應(yīng)用 關(guān)鍵詞 無線網(wǎng)絡(luò) i e e e 8 0 2 1 5 4 z 追b e e 藍牙 嵌入式系統(tǒng) 通信仿真模 塊 有機發(fā)光顯示器 o l e d v 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft l l en e 押 o r kt e c h n o l o g yo fu l ec o m p u t e r al o to fd i f f 毫r e n t w i r e l e s sn e 咖r k s 嗡v ec o m ei n t oe x i s t a l l c e a c c o r d i n gt ot h ep r e s e mt e c h n i c a l p r o t o c o l sa n dd e v e l o p m e n t 仃e n di n 矗l 眥 t l l e s en e v o r k sc a nb ed i v i d e di n t o w h l e s sa r e an e 柳o r k w a n w i r e l e s s1 0 c a la r c an e t o r k w l a n 髓d v i r e l e s s p e r s o n a ia r e an e t w o r k w r d i n a m o n g 也e 也r e en e t v o r kt y p e s w p 久nh a sb e e n d e v e l o p i n gi naf h s ts p e e dr c c e ya n di te m b l e sp e o p l et og e tr i do fm e 謝r e d c o n s 仃a i n ta n di sa l s oa b l et or e a l i z et 1 1 e v i r d e s sc o r n m u n i c a t i o n 鋤o n 皿v 撕o u s a d p a r a t u si n l es m a l la r e a b o t l lb l u e t 0 0 t ha n dz i g b e e 也a tw a si 仃o i l u c e di n d c c e m b e r2 0 0 4b e l 衄gt ow p a nn e t w d f k c o m p a r e d v i mt w ok i n d so fo t h e r n 酣帥r k s w 隊nh a s 也ec h a r a c t e r 主s t i c ss u c h 鵲 i d er a n g eo fa p p i i c a t i o n 1 0 w p o w e r l o wc o s t s u i t a b l ea p p l i c a t i o no f t l l ew i r e l e s sc o m m 刪c a t i o ni nas m a l la r e a n l ei e e eo r 疊鋤i 2 a t i o na r r a i i g e sa l m o s ta l lm ep m t o c d l so fw p a ni nm e8 0 2 1 5 p m t o c o lc l l l s t e li e 髓8 0 2 1 5 4i so n eo fm c mi n c l u d e di nt l l ec i u s t e r w h i c h d e f i n c st l l e p h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e rs t 鋤d a r d o fz i g b e e s i n c et h e i e e e 8 0 2 15 4p m t o c o lh a si n 鋤ya d v 粕t a g e ss u c ha sl o wc o f l s u m p t i o n t h el o w c o s ta n dh i 幽s 油i l i t y 孤d 也ef h s td e v e l o p i n ga p p l i c a t i o nf i e l d s i tm d k e si t p o s s i b l et ou t i l i z en 揖z i g b e et e c h n o l o g yi ne n v i r o n m e n tm o n i t o ra n dc o n 訂o l w h i c hm a yo 爵b rf h c i l i t ya n ds e c 珈幢t yt op e o p l e a l 也o i l 曲s o m eb i gc o m p a 玎i e sh a sd e v e l o p e da r l dp r o d u c e dt l l ed e d i c a t c dw i f e l e s s c o m m u n i c a t i o nc l l i ps u p p o m n gi e e e 8 0 2 1 5 4 s u c ha sm c l 3 1 9 2o ff r e e s c a l e c o r p o r a t i o n c c 2 4 2 0 d bo fc h i p c o nc o r p o r a t i o na sw e l la sh e l i c o m m i p l i m 盤 4 g h ze z d km o d m eo fh e l i c o i i l i nc o r d o r a t i o na i l ds 0o n m ed o m e s t i c c a nh a r d l yg e tt i l i s 虹n do fc 虹pa n dc o r r i s p q n d 主n 疊p l a t f o m lt ow o r ko nw i t l l t o s o l v e 出e 口m b l e m 也ep a p e rp u t sf o r v 刪ar e s e a r c h s o l u t i o nt h a tu t i l i z ea 1 1 u n d e d i c a t e dw i r e l e s sc o m m l l i l i c a t i o nc h i dt 0c o n s 眥tac o n 衄u n i c a t i o n s i m u l a t i o nm o d l u l ea n dm e nt l l ep a p e rm a k e sar e s e a r c ha n de v a l u a t i o no ft h e w i r e l e s si m a 窯e 仃a n s m i s s i o nt e r r n i n a lb a s e do n 也a tm o d u l e t h i sp a l e rs u m m 扣i z e st h el a t e s tw p a nd e v e l o p m e n tt e n d e n c yf i r s t l y i i 血 0 d u c e s 啦ed e v e o p m e n t 船dn 持p m s p e c to f 曲 ei e e e 3 0 2 15 4 口f o t o c o i t 1 1 e ni tc a r r i e do n 也et h o r 0 1 培hr e s e a r c ht ot l l ep r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f i e e e 0 2 1 5 4a n d8 b r rs 0 cc l l i ps y s t e m 嬲w e l la st l 埒n o n s p e c i f i c 謝r e l e s s m o d u l e t l l i sp l p e rg i v e st h ed e s i g n 鋤di m p l 唧e n t a t i o no fm es i r n l l l a t i o nm o d l l l e w m c hs u p p o r t s 血el e e e 8 0 2 1 5 4p r o t o c 0 1 u s i n gt i l i sm o d u l e 叫m o rc o m p l e t c s t i l cm u l t i 卵o t si i a t a 訂鋤1 s m i s s i o nn e l w o r kd e s i g na n d也ew i r e l c s si m a g e t r a n s m i s s i o nt e n n i i l a l t h ep 印e ru s e st h e 印p r o a c ho f 廿l e o r y m e o r e t i c a lt op r a c t i c e a n dp r 0 v ea t 也ee n d v i c o m b 訊i 1 1 9w i t l l r e a lr e s e a r c h f b m t h ep 卵e ra n a l y z c st l l ec h a r a c t e r i s t i c s 華東師范大學(xué)頸士學(xué)位論文 a b s t r a c t o f 也e v i r e l e s sn e v o r ka n dr e l e v a n tt e c h n o l o 窟i e si nd e t a i l 砒f i r s t t l l e ns t i i d i e d i e e e 8 0 2 15 4p f o c o t o la c c o r d i n gt ot h el e v e lo fm en e t w o r ka n di td e s i g n e da t e n n i n a ld e v i c ew h i c hu s e st h es i r i l u l a t i o nm o d u l e0 f c o m m l i l i c a t i o nd r o t o c o la 盤e r f i l l i s h 證g 也et 量i e o 硎c a lr e s e a r c h t h ep a p e rp r o r i d e st l l eo p e 豫蛀o ne x p e d m e n t a l r c s u l to ft l l i st e i i i l i n a ld e c e 丘n a l l ya tm ee n do f 廿l ep a p e r c o n c l u s i o n 觚d f b r e s i 曲to f n l r t h e rd e v e l o p m e n ta r em a d e t h ew j r e l e s si m a g e 脅s n l i s s j o n 婦m i n a li m p l e m e n t dj nt h ep 印c rc a l lb ew i d e j y u s e di na d v e n i s e m e n ta i l da l e r ti nb u i l d i n go rm a r k e t 觚di tc a l la l s ob cu s e da s t e a c h j n gt o o l sw h i c hc 蛆l dat e a c l l i n gm e t h o dr e f o 衄 e q u i p p e d 喇t l ld i 丘b r e m s e n s o r 也em o i l u l ec a na s ob eu s e da sn o l 如 d e v i c ei ns m 銣f ts e n s o fn e 柳o r k a u 也o r sc o n t 矗b u t i o ni nt h e 口a p e r 1 r 舶dt l l ei e e e 8 0 2 1 5 4 郵t o c o lm o m u 出yt l l e nr e s e a r c ha n da n a l y z et h e m e c h a i l i s m 協(xié)恤ed r o t o c o li nd e t a i l 2 a c c o r d i n gt ot l l e 礬e dm a to l l rc o u 咖叮i ss 協(xié)ns t u d y i n g 也i sf i e l dn o w m a k ea p r o p o s a lo fc o n 鼬m c t m gak i n do fs i m 山a t i o nm o d u l eb a s e do ni e e e 8 0 2 1 5 4 p m t o c o lu s i n g8 b i t ss o cc l l i pa n dl l i g hf k q u e n c yc o m m u l l i c a t i o nm o d u l e t h i sn l o d u l ec a nb eu s e di nm a n ye x p 嘧n e n t a la p p l i c 葩o n s 3 h n p l e m e n taw i r e k s si m a 窟e咖s m i s s i o nt e 眥i n a ll l s i n gi e e e 8 0 2 1 5 4 p r o t o c o ls i m u l a t i o nm o d u l e 齟l dm e ng i v em ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n da n a l y s i s o fm et e r m i n a l u s e 也i sa p p l i c a t i o na sa ne x a m p l et op m m o t ef 堿h e r a p p l i c a t i o no f i e e e 8 0 2 1 5 4i nt l l e 觚u r e k e 唧o r d s w i r e k s s n e 柳o r k i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e b 1 u e t o o 饑 e m b e d d e d s y s t e m c o m m u i l i c a t i o ns i m m a l i o nm o d l l l e o l e d 學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及 取得的研究成果 據(jù)我所知 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文 不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 對本文的研究做出重 要貢獻的個人和集體 均已在文中作了明確說明并表示謝意 作者簽名 鑠睹 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解華東師范大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 學(xué) 校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論文的電 子版和紙質(zhì)版 有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論 文進入學(xué)校圖書館被查閱 有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進 行檢索 有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版 保密的學(xué)位論文在 解密后適用本規(guī)定 學(xué)位論文作者簽名 鎵晉 導(dǎo)師簽名 i i 左熏 日期 竺 型 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn) 第一章緒論 1 1 引言 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)己成為后p c 時代新 的研究熱點 目前的無線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出三種不同的發(fā)展趨勢 無線廣域網(wǎng) w i r e l e s s a 托a n e t w o r k l a n 無線局域網(wǎng) w i r e l e s sl o c a ln e t o r k w l a n 和無線個 人區(qū)域網(wǎng) w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e 帆o r k w p a n 其中 w a n 以蜂窩移動通 信網(wǎng)為代表 它的無線連接距離以公里計 可以漫游到不同的地區(qū)和不同的國家 w l a n 以8 0 2 1 l 和家庭無線 h o m e r f 技術(shù)為代表 無線連接距離在5 0 m 1 5 0 m 左 右 傳輸速率遠高于目前的廣域網(wǎng) 而w p a n 目前發(fā)展十分迅速 它以藍牙技術(shù) z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)為代表 無線連接距離在1 0 m 左右 4 傳輸速率在w a n 和w l n 之間 三者的主要區(qū)別在于通信距離和數(shù)據(jù)速率 數(shù)據(jù)對比如表卜1 所示 表卜1 三種無線網(wǎng)絡(luò)通信距離和數(shù)據(jù)速率對比表 淞nw l a nw p a n 有效范圍 公里級 5 0 1 5 0 m 百米以內(nèi) 最高 最大數(shù)據(jù)率 5 4 m b s 低于2 m b s 2 m b 3 g 本文研究的對象就是w p a n 中z i g b e e 協(xié)議的底層協(xié)議覡e 8 0 2 1 5 4 1 5j 由于 該協(xié)議支持低功耗 低數(shù)據(jù)率 近距離和低成本等特點 結(jié)合嵌入式應(yīng)用將會有 很好的應(yīng)用前景 隨著協(xié)議的推出 諸如f r e e s c a l e c h i p c o n 等公司已經(jīng)開發(fā)投 產(chǎn)了一些支持i e e e 8 0 2 1 5 4 的無線協(xié)議專用芯片 4 j 雖然如此 但是對于大部分 國內(nèi)那些想學(xué)習(xí)或應(yīng)用這個協(xié)議的人來說 要想獲得該芯片和一套支持 i e e e 8 0 2 1 5 4 的開發(fā)平臺比較困難 本文所做的工作就是通過使用非協(xié)議專用無 線通信芯片和微控制器芯片構(gòu)成一個具有與專用芯片功能類似的仿真模塊 并以 此模塊為基礎(chǔ)來開展對i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議應(yīng)用開發(fā) 1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議簡介 i e e e 8 0 2 1 5 4 是i e e e 組織8 0 2 工作組提出的一個面向近距離 低速率 低功 耗和低成本無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的物理層和媒體接入控制層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 4 1 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于i e e e 8 0 21 5 4 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與安現(xiàn) 1 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的起源 現(xiàn)狀和發(fā)展 為了滿足類似于溫度傳感器這類小型 低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作組 這個工作組致力于定義一種供廉價的固 定 便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度 成本和功耗的低速率無線連接技術(shù) 在標(biāo)準(zhǔn)化方面 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作組 4 主要負責(zé)制定物理層和媒體接入層 m a c m e d i aa c c e s sc o n 仃0 1 的協(xié)議 現(xiàn)在使用i e e e 8 0 2 1 5 4 作為底層標(biāo)準(zhǔn)的高 層協(xié)議有z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 6 除了z i g b e e 聯(lián)盟外還有i e e e l 4 5 1 工作組也已考慮在 8 0 2 1 5 4 基礎(chǔ)上實現(xiàn)無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò) 7j 在軟件和硬件設(shè)備上 隨著標(biāo)準(zhǔn)的建立 已有基于8 0 2 1 5 4 的產(chǎn)品問世 如 c h i p c o n 公司宣稱推出并批量生產(chǎn)i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e er f 芯片c c 2 4 3 0 還有 f r c e s c a l e 公司近期也推出了支持i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的無線射頻芯片m c l 3 1 9 3 4 隨著標(biāo)準(zhǔn)的出臺和軟硬件的不斷發(fā)展 許多應(yīng)用也隨之出現(xiàn) i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議將主要實現(xiàn)在消費性電子設(shè)備 家庭和建筑自動化設(shè)備峭兒卅 工業(yè)控制裝置 8 i 電腦外設(shè) 醫(yī)用傳感器 玩具和游戲機等設(shè)備中 支持小范圍的基于無線通 信的控制和自動化等領(lǐng)域 通常 符合以下條件的應(yīng)用都可以考慮用 i e e e 8 0 2 1 5 4 作為無線傳輸標(biāo)準(zhǔn) 1 設(shè)備的低成本 低數(shù)據(jù)量 2 便攜是設(shè)備 無充電電源模塊 3 需要長時間或者 次性電池的使用 4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量多 用 于監(jiān)控 z i g b e e 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制 消費性電子設(shè)備 汽車 自動化 農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等 在工業(yè)領(lǐng)域 利用基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b 或智能傳感器網(wǎng)絡(luò) 使得數(shù)據(jù) 的自動采集 分析和處理變得更加容易 可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分 例如危險化學(xué)成分的檢測 火警的早期檢測和預(yù)報 高速旋轉(zhuǎn)機的檢測和維護 這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新 重點在低功耗 從而最大 程度地延長電池的壽命 減少網(wǎng)絡(luò)的維護成本 在汽車領(lǐng)域中 主要是傳遞信息的通用傳感器 由于很多傳感器只能內(nèi)置在 工作的車輪或者發(fā)動機中 比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) 這就要求內(nèi)置的無線通信設(shè) 備使用的電池有較長的壽命 同時應(yīng)該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的影 響 在農(nóng)業(yè)精確耕種的應(yīng)用中 無線電傳播特性良好 但是需要成千上萬的傳感 器構(gòu)成比較復(fù)雜的控制網(wǎng)絡(luò) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的沒有通信能力的機械設(shè) 備 主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況 采用了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 和智 能傳感器網(wǎng)絡(luò)以后 農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式 使用 更多的自動化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化和遠程控制的設(shè)備來耕種 傳感器可以收集包括 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn) 土壤濕度 氮濃度 p h 值 降水量 溫度 空氣濕度和氣壓等信息 這些信息和 采集信息的地理位置經(jīng)由z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制設(shè)備供農(nóng)民決策和參考 這 樣農(nóng)民能夠及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題 從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 將借助于各種傳感器網(wǎng)絡(luò) 準(zhǔn)確而且實時地監(jiān)測每個病人的血壓 體溫和心跳速度等信息 從而減少醫(yī)生查房的工作負擔(dān) 有助于醫(yī)生做出快速的 反映 特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護和治療1 9 川 i 針對巨大的中國市場和2 0 0 8 年國際奧林匹克運動會 8 0 2 1 5 4 技術(shù)產(chǎn)品將在 中國的環(huán)境監(jiān)測和保護領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用 利用該技術(shù)可以對污染源 特別是 各工廠廢水 廢氣的排放口進行實時監(jiān)測控制 在每個排放口安裝相應(yīng)感應(yīng)器 完成樣本的采集 分析和最終的流量測定 就目前的環(huán)境來說 污染源的數(shù)量大 得驚人 僅北京地區(qū)的排污口就有幾萬個 8 0 2 1 5 4 將提供一個低成本的用于數(shù) 據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)上每個監(jiān)測點只需在有限的時間內(nèi)發(fā)送幾個比特 的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)流是異步的 并在數(shù)據(jù)等待時間上限制極小 這些因素利于電池使 用壽命的延長 1 2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的特點為 近距離 低功耗 低數(shù)據(jù)速率及低成本 主要 適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域 可以嵌入各種設(shè)備中 同時支持地理定位功能 協(xié)議主要涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括 無線通信技術(shù) 嵌入式軟件技術(shù) 1 3 集成電 路 i c 技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù) 1 2 2 1 無線通信技術(shù) 無線網(wǎng)絡(luò)建立在穩(wěn)定可靠的數(shù)字通信基礎(chǔ)之上 無線通信需要通過無線電波 傳播數(shù)據(jù) 所以諸如擴頻方式 調(diào)制解調(diào)手段 頻道和頻率選擇等通信技術(shù)對于 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來說是非常重要的 i e e e 8 0 2 1 5 4 也不例外 該協(xié)議物理層規(guī)定使 用直接序列擴展頻譜 d 如c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r i 皿 d s s s 擴頻方式 并提供了3 個波段 并在三個波段分別使用了 相調(diào)相鍵控 b i 曲坷p h a s e s h 訊 k 掣i n g b p s k 和四相偏移調(diào)相鍵控 o 仃s e tq l l a d r 咖r ep h 嬲e s h mk e y i n 禹 0 q p s k 調(diào)制技術(shù)l l 三個波段中總共有2 7 個頻道可供選擇 5 l 1 2 2 2 嵌入式軟件技術(shù) 基于8 0 2 1 5 4 的無線網(wǎng)絡(luò)中的終端都是一些應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備 對于嵌 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于m e e 8 0 21 54 協(xié)議的無線圈堡堡塑竺型塑塑壅蘭壅翌 入式應(yīng)用來說 反應(yīng)速度是十分重要的 由于無線通信的異步特性和節(jié)點本身的 信息采集等功能要求系統(tǒng)對各種外部事件的實時反應(yīng) 這就決定了網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和 主機同時是一個實時系統(tǒng) c 語言和匯編語言具有非常高的運行效率 所以十分 適合該系統(tǒng)的開發(fā) 而且c 語言具有很高的移植性 所以一直受到很多嵌入式系 統(tǒng)開發(fā)者的認可 i e e e 8 0 2 1 5 4 系統(tǒng)的開發(fā)一般也是由c 語言和匯編語言來完成 的 1 2 2 3 集成電路 i c 技術(shù) i c 技術(shù)領(lǐng)域十分廣 如8 0 2 1 5 4 這類短距離無線網(wǎng)絡(luò)所涉及i c 技術(shù)主要包括 中高頻射頻通信芯片技術(shù)及微控制器芯片技術(shù) i e e e 8 0 2 1 5 4 定義的工作頻率都在8 0 0 瑚z 以上 所需要的通信芯片都屬于 中高頻射頻通信芯片 1 6 射頻通信芯片的主要功能是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為無線電 波進行發(fā)送 芯片涉及到模擬電子和微波信號等領(lǐng)域的技術(shù) 未來射頻通信芯片 的發(fā)展目標(biāo)是更低的功耗 更穩(wěn)定的性能和更高的集成度 m c u 也是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中必不可少的重要部分 作為控制中心 m c u 主要 負責(zé)信息采集設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的處理 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展 現(xiàn)在的 m c u 已經(jīng)是將過去的中央處理芯片和r a m r o m 定時器 計數(shù)器及山 d 轉(zhuǎn)換 等功能部件集成在同一個芯片上的完整的計算機系統(tǒng) 即片上系統(tǒng) s y s t e mo n c h i d s o c 系統(tǒng) 1 8 1 也正是s o c 系統(tǒng)的發(fā)展為嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了必要 的硬件基礎(chǔ) 1 2 2 4 無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù) 信息安全是當(dāng)今信息技術(shù)的一個重要課題 隨著無線網(wǎng)絡(luò)近年來的蓬勃發(fā) 展 網(wǎng)絡(luò)安全在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有了新的發(fā)展 i e e e 8 0 2 1 5 4 中應(yīng)用了幾種適合無 線通信的安全的技術(shù) 如c c m 和a e s c c m 模式 5 1 本文會在之后的章節(jié)中介紹 8 0 2 1 5 4 協(xié)議中涉及到的安全技術(shù) 1 3 無線圖像傳輸終端 無線圖像終端是能夠進行無線圖像數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)傳輸并能進行圖像顯示 的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備 本文實現(xiàn)的無線圖像傳輸終端是一個基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的帶 o l e d 顯示模塊的無線網(wǎng)絡(luò)終端 可使用多個該終端組成網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸 4 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于i e e e 8 0 21 54 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn) 1 3 1 無線圖像傳輸終端的構(gòu)架 o l e d 顯示 存儲器 控制器 外圍功能模塊 e t 4 4 m 2 1 0妒w 1 0 2 芯片組 無線通信仿真 微控制器 i 丟品矗簇買 圖1 1無線圖像傳輸設(shè)備架構(gòu)圖 本文實現(xiàn)的終端設(shè)備由無線通信仿真模板和外圍模塊組成 無線通信仿真模 塊由8 位微處理器 m c u e t 4 4 m 2 1 0 和高頻射頻芯片組r f w l 0 2 構(gòu)成 它提供終 端設(shè)備無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?而外圍模塊由控制模塊 存儲器和o l e d 顯示 器組成 它提供終端設(shè)備圖像存儲和圖像顯示功能 無線圖像傳輸終端的構(gòu)架如 圖1 1 所示 本文實現(xiàn)的終端設(shè)備是一個基于m e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用模型 只要將 外圍模塊進行修改 并根據(jù)具體應(yīng)用修改應(yīng)用層部分的程序即可實現(xiàn)一個全新的 實用系統(tǒng) 比如將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加上溫度傳感器或濕度傳感器 然后將網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點加 上一些控制應(yīng)用 便可簡單地將系統(tǒng)改為一個房間溫度濕度控制系統(tǒng) 圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型如圖1 2 所示 圖1 2圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型 1 3 2 本文研制的無線圖像傳輸終端的應(yīng)用 本論文中研制的系統(tǒng)分為兩個部分 一為設(shè)計一個基于8 0 2 1 5 4 的網(wǎng)絡(luò)傳輸 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于i e e e 8 0 21 54 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn) 仿真模塊 另一個是使用此模塊設(shè)計的無線圖像傳輸終端 仿真模塊的實現(xiàn)是本 文的一個十分重要的部分 仿真模塊也可供行業(yè)內(nèi)許多應(yīng)用項目開展試驗所用 這些應(yīng)用往往需要在近距離內(nèi)實現(xiàn)多點間的穩(wěn)定可靠的無線傳輸 i e e e 8 0 2 1 5 4 是一個很好的選擇 現(xiàn)在有很多公司推出了支持i e e e 8 0 2 1 5 4 的無線收發(fā)芯片和 平臺 但是考慮到功耗和成本問題 通過其他非專用芯片和平臺仿真支持 i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的通信平臺是一個很好的辦法 本文中就是提出這樣一個可行 的方案 本文所研制的無線圖像傳輸終端也可以直接使用于以下方面 大樓的廣告牌 和警示牌的自動控制 路燈或交通燈控制的自動化控制 還有一個比較實際的應(yīng) 用就是教室的自動化和無紙化 使用該系統(tǒng) 教師可以不用通過黑板進行板書 可以將預(yù)先準(zhǔn)備好的板書通過電子文檔或者圖像方式發(fā)送到每個學(xué)生課桌上的 接收設(shè)備上進行顯示 同時學(xué)生的作業(yè)和考卷可以通過課桌設(shè)備無線上傳至講臺 的接收設(shè)備進行保存 這樣不僅可以減少粉筆帶來的污染 還可以提高教學(xué)效率 和改進考勤方式 無線圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)不僅有以上這些應(yīng)用前景 還可以通過修改 和定制設(shè)備上的外圍設(shè)備 使系統(tǒng)適用于其他應(yīng)用 比如在終端設(shè)各上加載傳感 器模塊 這樣通過主節(jié)點的控制 可以構(gòu)成簡易的自動傳感器網(wǎng)絡(luò) 由上述的這 些應(yīng)用可以看出 由無線圖像傳輸終端夠成網(wǎng)絡(luò)它的應(yīng)用前景是十分可觀的 1 4 本文的工作與文章組織 本文的工作有 1 通過對現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的比較 選定i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行研 究 提出研制i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議通信仿真模塊的思想和設(shè)計方案 仿真模塊使 用8 位s o c 芯片和2 4 g 無線射頻芯片組r f w l 0 2 所組成 2 根據(jù)圖像無線傳輸終端的設(shè)計要求 提出使用仿真模塊 存儲設(shè)備以及 0 l e d 顯示屏等器材構(gòu)成一個實用的無線圖像傳輸終端的解決方案 并做成一個 可以實用的樣機 文章重點在于實現(xiàn)i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 總結(jié)使用非8 0 2 1 5 4 專用r f 芯片和8 位系統(tǒng)實現(xiàn)該協(xié)議的經(jīng)驗 最后文章介紹了i e e e 8 0 2 1 5 4 在各 個領(lǐng)域的應(yīng)用前景 論文內(nèi)容 第一章主要介紹i e e e 8 0 2 1 5 4 大體結(jié)構(gòu) 并介紹了i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)的發(fā) 展和現(xiàn)狀 接著列舉了i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)研究中涉及到的技術(shù) 并重點闡明了 m e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實際應(yīng)用價值和未來發(fā)展趨勢 第二章首先介紹了無線網(wǎng)絡(luò)族中的主要成員 主要是w p a n 中的幾種不同 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 分析他們的特點 列舉了它們的優(yōu)缺點 在簡要介紹完這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 6 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于i e e e 8 0 21 54 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn) 之后 引出文章的研究重點i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 先給出了該協(xié)議的層次結(jié) 構(gòu) 然后按照層次順序?qū) e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議進行詳細地解讀和研究 第三章詳細描述如何實現(xiàn)一個8 位控制系統(tǒng)與2 4 g 高頻無線通信芯片組構(gòu) 成的i e e e 8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡(luò)通信仿真模塊 在該章中 首先介紹了所選用的硬件設(shè) 備 接著介紹i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的物理層和m a c 層 最后介紹使用所選用的硬 件設(shè)備完成網(wǎng)絡(luò)通信的仿真模塊 第四章敘述了無線圖像傳輸終端的實現(xiàn) 分別敘述硬件部分和軟件部分的實 現(xiàn)過程 第五章給出了整個系統(tǒng)的實驗結(jié)果 分三種情況進行實驗 分別驗證系統(tǒng)運 行時的可靠性 健壯性和穩(wěn)定性 第六章總結(jié)了本文所做的工作 最后介紹了i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議未來的發(fā)展及 研究方向 華東帥范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于j e e b 8 0 21 54 協(xié)議的無線圈像傳輸終端的研究與宴現(xiàn) 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議的研究 2 1 短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 在過去幾年里 無線組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速 按網(wǎng)絡(luò)距離范圍來分 無線網(wǎng)絡(luò)可 分為廣域 局域和個人網(wǎng)三種 按數(shù)據(jù)傳輸速率來分 可分為高 中 低三種 本文重點討論的是低速近距離無線通信技術(shù) 近距離個人網(wǎng)無線通信技術(shù)有藍牙 技術(shù) 無線高保真技術(shù) w i f i 2 紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 和z i g b e e l 5 1 等 2 1 1 各類短距離無線通信技術(shù)比較 2 1 1 1 藍牙技術(shù) 愛立信公司在1 9 9 4 年開始研究一種能使手機與其附件 如耳機 之間互相 通信的無線模塊 4 年后 愛立信 諾基亞 i b m 等公司共同推出了藍牙技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn) 主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接 藍牙工作頻率為2 4g h z 有效范圍 大約在1 0 m 半徑內(nèi) 在此范圍內(nèi) 采用藍牙技術(shù)的多臺設(shè)備 如手機 微機 激 光打印機等能夠無線互聯(lián) 以約l m b p s 的速率相互傳遞數(shù)據(jù) 并能方便地接入互 聯(lián)網(wǎng) 藍牙技術(shù)還使用了類似于即插即用的技術(shù) 任意藍牙設(shè)備一旦搜索到另一 個藍牙設(shè)備 馬上就可以建立聯(lián)系 無須用戶進行任何設(shè)置 這種功能也稱為 即 連即用 隨著藍牙芯片價格和耗電量的不斷降低 藍牙已成為許多高端p d a 和 手機的必備功能 藍牙的特點 該技術(shù)使用2 4 g h z 通信頻率 在近距離內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸具有較 高的穩(wěn)定性和抗干擾能力 而且還具有低功耗 低成本等特點 另外藍牙技術(shù)應(yīng) 用了 即連即用 技術(shù)增加了其易用性 2 1 1 2 無線高保真技術(shù) w i f i w i f i w i r e i e s sf i d c l i 饑無線高保真 也是一種無線通信協(xié)議 正式名稱是 l e e e 8 0 2 1 l b 與藍牙一樣 同屬于短距離無線通信技術(shù) w i f i 速率最高可達 1 1 m b p s 雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍牙技術(shù)要差一些 但電波的覆蓋范圍可達 1 0 0 m 左右 最初的m e e 8 0 2 1 1 規(guī)范是在1 9 9 7 年提出的 稱為8 0 2 1 1 b 主要目的是提 供w l a n 接入 也是目前w l a n 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 頻率也是2 4 g h z 與無繩 電話 藍牙等許多不需頻率使用許可證的無線設(shè)備共享同一頻段 起先 w i f i 電話 藍牙等許多不需頻率使用許可證的無線設(shè)備共享同一頻段 起先 w i f i 8 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于i e e e 8 0 21 5 4 協(xié)議的無線圖像傳輸終端的研究與實現(xiàn) 元件昂貴 兼容性不好 安全性也不能令人滿意 隨著時間推移 這些問題逐步得 到解決 且隨著w i f i 協(xié)議新版本 如8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 的先后推出 w i f i 的應(yīng) 用越來越廣泛 8 0 2 1 1 a 標(biāo)準(zhǔn)還沒有被工業(yè)界廣泛接受 工作頻率在5g h z 傳輸速率 5 4 m b p s 使用正交頻分多路復(fù)用 0 n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm l l l t i p l c x i n g o f d m 調(diào)制技術(shù) 比8 0 2 1 1 b 采用的補碼鍵控 c o m p l e m 咖c o d ek e y i n g c c k 調(diào)制速度快 但他不向后兼容8 0 2 1 1 b w i f i 是以太網(wǎng)的一種無線擴展 理論上只要用戶位于一個接入點四周的一 定區(qū)域內(nèi) 就能以最高約 m b p s 的速度接入w 曲 但實際上 如果有多個用戶 同時通過一個點接入 帶寬被多個用戶分享 w i f i 的連接速度一般也只有幾百 m p s w j f i 的信號不受墻壁阻隔 但在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外 w i f i 技術(shù)的最具誘惑力的方面在于將w i f i 與基于x m l 或j a v a 的w 曲服務(wù) 融合起來之后 可以大幅度減少企業(yè)的i t 成本 例如 許多企業(yè)選擇在每一層 樓或每一個部門配備8 0 2 l l b 的接入點 而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起 來 這樣一來 可以節(jié)省大量鋪設(shè)電纜所需花費的資金 w l a n 未來最具潛力 的應(yīng)用將主要在s o h o s i n a l l0 箭c eh o m eo f f i c e 在家辦公 家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及 不便安裝電纜的建筑物或場所 目前這一技術(shù)的用戶主要來自機場 酒店 商場 等公共熱點場所 微軟推出的桌面操作系統(tǒng)w i n d o w sx p 和嵌入式操作系統(tǒng) w i n d o w sc e 都包含了對w i f i 的支持 更多新的w i f i 標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中 速度更快的8 0 2 1 1 9 使用與8 0 2 1 1 b 相 同的正交頻分多路復(fù)用調(diào)制技術(shù) 它工作在2 4g h z 頻段 速率達5 4 m b p s 比 目前通用的8 0 2 1 l b 快了5 倍 8 0 2 1 1 9 標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)上擴展了8 0 2 1 1 b 在2 4g h z 頻段的性能 通過使用f d m 技術(shù) 獲得了5 4 m b p s 的高速 并且完全向后兼容 8 0 2 1 1 b 他將最終取代8 0 2 1 1 a 8 0 2 1 1 9 雖然還在試驗階段 但是根據(jù)最近國際 消費電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢判斷 8 0 2 1 l g 將有可能被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商 選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 2 1 1 3 紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) i r d a 紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會i r d a i n 婦e dd a t aa s s o c i a t i o n 成立于1 9 9 3 年 是致力于 建立紅外線無線連接的非營利組織 起初 采用i r d a 標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備僅能在l m 范圍內(nèi)以1 1 5 2k b p s 速率傳輸數(shù)據(jù) 很快發(fā)展到4 m b p s 的速率 后來 速率又達 到1