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EIMN传感器网络的理论基础与无线远程图像监视系统技术研究

李晓毅  
【摘要】:在全球信息化背景下,处于信息流前端的传感器正发生深刻变化,无线化、 网络化、综合化和微型化已成为传感器技术的发展方向。EIMN(Embedded wIreless Microsensor Network,嵌入式无线微传感器网络)体现了传感器技术的这些发展方 向,可用于环境与生态监测、工业过程监控、交通管理与调度、安全监视、军事 侦察等诸多领域,已引起了世界许多国家的工业界、学术界以及安全与军事部门 的高度重视。在国家重点基础研究发展规划项目(“973”项目)《集成微光机电系 统研究》的课题“微米尺度射频元件相关问题研究”(G1999033105)的资助下, 本论文针对 EIMN 的理论基础和无线远程图像监视系统技术,提出一种新的 EIMN 体系结构,研究相应子网的拓扑理论与路由算法;创建一种新的、市场所需的无 线远程图像监视系统,对其关键技术进行实验研究。因此,本论文具有重要的理 论意义和实用价值。 提出了一种基于蓝牙散布网(Bluetooth Scatternet)和公众移动通信网络 (PMCN)的 EIMN 新体系结构,主要用于局域环境监测和安全监视。对 EIMN 新体系结构的分层网络结构、蓝牙散布网、基本设备、传感器节点的操作系统与 互联网接入方式等基本要素作了研究。EIMN 新体系结构具有“三网合一”全程无 线、聚类分层蓝牙散布网多跳 Ad-Hoc 自组网、多媒体、可定位、多重互联网接入 等特点,有较强的现实可行性。 蓝牙散布网的拓扑模型与路由算法是EIMN 新体系结构的基本理论问题之一。 研究了传统 Ad-Hoc 无线网络和无线传感器网络的路由算法,这些算法对于 EIMN 新体系结构的蓝牙散布网均有一定局限。从 Steiner最短树(SMT)和小世界网络 (SWN)拓扑理论出发,提出了蓝牙散布网的 SMT静态拓扑模型和 SWN 动态拓 扑模型,可通过增加个别冗余节点或移动个别节点来提高蓝牙散布网的综合性能。 研究了蓝牙散布网路由算法的网络构建协议和数据分组格式。 EIMN 新体系结构最基本的设备是蓝牙传感器节点(BSN)。提出了 BSN 的两 种嵌入式结构;研究了 BSN 的硬件核心和软件平台的原理;探讨了 BSN 的蓝牙硬 件与 RF-MEMS(射频-微电子机械系统)天线的集成化问题;为使传统有线数字 传感器实现蓝牙射频网络通信,研究了蓝牙射频网络接口原理,研制了蓝牙主机 控制器接口的原理样机。 针对 EIMN 新体系结构的图像监视与定位跟踪应用,系统深入地研究了“嵌 入式无线网络远程图像监视与 GPS 信息接收系统”(embedded Wireless network Remote Image Monitoring and GPS Information Receiving System,WRIM-GIRS),包 I WP=6 中文摘要 括 WRIM-GIRS 的总体构建与关键技术研究、WRIM-GIRS 的样机研制与实验。 WRIM-GIRS 总体构建的重点是研究嵌入式前端设备(EMFED)图像压缩与传输 的新机制,该机制具有三个主要特点:(1)采用嵌入式微处理器 MCF5272 和嵌入 式操作系统 uClinux 构成增强型嵌入式系统架构;(2)图像压缩采用硬件方式;(3) 基于 PMCN 数据通信实现远程图像传输。根据 GSM/GPRS 端到端(end to end) 数据通信原理和 PPP(端到端协议)原理,解决了 EMFED在 uClinux环境下实现 PMCN 远程数据通信的软硬件问题,获得了 uClinux PPP 客户端软件包。分析了新 的硬件图像压缩方法“MCF5272+图像压缩芯片 W99200F+一般总线(GB)”的 技术难点;依据 W99200F GB 接口的定时和 MCF5272 GB 总线的特性,确定了 W99200F GB 接口与 MCF5272 GB 总线之间的定时匹配关系,基于 CPLD(复杂 可编程逻辑器件)实现了定时匹配逻辑电路;结合硬件特性,研究实现了 W99200F GB 接口的 uClinux 驱动程序;定时匹配逻辑电路和 GB 接口驱动程序是 EMFED 的核心技术。还研究了 EMFED 的 GPS 信息接收技术。 研制了 WRIM-GIRS 样机,重点是 EMFED样机,并针对静止图像信息和 GPS 信息进行了 EMFED 样机的室内实验和室外车载实验。实验研究表明:EMFED 样 机能够自主运行,自动获取静止图像信息和 GPS 信息并传输到互联网上的信息服 务中心 PC 样机;影响系统时间响应特性的关键因素是 PMCN 物理层传输速率, 影响图像效果的主要因素是摄像头的选型和图像压缩编码的质量等级。实验研究 验证了 EMFED 图像压缩与传输新机制的先进性和可用性,也验证了新的硬件图像 压缩方法的有效性。 本论文研究表明:基于蓝牙散布网和 PMCN 的 EIMN 体系结构先进可行; WRIM-GIRS 既有系统集成又有核心技术,不但实用价值高,而且为 EIMN 新体系 结构的深入研究奠定了良好基础。


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