（计算机应用技术专业论文）基于ieee802154协议的无线图像传输终端的研究与实现.pdf

华东师范大学硕士学位论文摘要 摘要 随着计算机网络技术的飞速发展 出现了许多不同的无线网络 根据目前的 技术标准和将来的发展趋势来看 这些网络可分为无线广域网 w a n 无线局 域网 w l a n 和无线个人区域网 w p a n 其中w p a n 近两年来发展尤为迅 速 它使得人们能摆脱有线的束缚 能在近距离内实现各种设备间的无线通信 蓝牙和2 0 0 4 年1 2 月推出的z i g b e e 以及还未推出正式标准的无线传感器网络都 属于w p a n 与其他两种网络相比 w p a n 的特点为应用范围广 功耗低 适 用于近距离无线通信范围 由于其特点 这种网络最适合用于近距离有多点通信 要求的场合 i e e e 组织对w p a n 的规范标准主要集中在8 0 2 1 5 中 其中作为 z i g b e e 网络物理层和媒体接入控制层 m a c 层 标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 是其中的 一员 由于i 髓e 8 0 2 1 5 4 协议具有低功耗 低成本和高稳定性的特点 z i g b e e 网络技术得到了广泛的应用和长足的发展 使z i g b e e 技术能够运用于多节点的 环境监测和控制 如仓库 大楼及家居 汽车电子 医用设备等 为人们带来 更多的便利和安全 虽然现在已有一些大公司已研发出支持i e e e 8 0 2 1 5 4 的专用无线收发芯片 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 模组等l l j 但国内比较难以得到此类芯片 所 以国内的开发者很难得到此类芯片和开发平台进行研究和开发 为了能在目前阶 段开展这方面的研究 本文提出了一个研究方案 即使用非专用无线收发芯片和 嵌入式芯片实现基于i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议的通信仿真模块 以此对基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的无线图像传输终端进行研究并对其性能作出评估与分析 本论文首先简述了当今w p a n 的发展趋势 介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的发 展和前景 然后对该协议进行深入的研究和解读 接着本文根据该协议和8 位 s o c 芯片系统以及非专用无线模块的特点 设计和实现了可供m e e 8 0 2 1 5 4 通 信协议进行仿真的仿真模块 使用该模块完成了多点数据传输的网络设计和无线 图像传输终端的应用实现 论文中使用了理论结合实际的研究方法 即从理论到实践 并在最后加以验 证 文章首先详细地分析了无线网络的特点及相关技术 然后根据网络层次的顺 序研究了i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议 在完成理论研究之后设计了一个使用通信协 议仿真模块的终端设备 文章最后给出了该终端设备的运行实验结果 在结束时 回顾了本文所做的工作 提出了改进意见 并展望了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议未来的 应用 论文中所实现的无线图像传输终端可使用在大楼内或商场内用于广告和警 示或使用在课堂教学方式的改革等方面 该模型还可以配合各种传感器构成传感 器网络用于大楼监控 环境监测和家居智能管理等 本人对论文所作的贡献 1 深入地解读了i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议 并详细地分析和研究了协议中的各种 机制 2 根据现在国内对该方向开展研究的需要 提出了构建一种基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议通信的仿真模块 该模块使用8 位单片机与高频通信模块加以实现 可 用于各种实验系统中作开发研究使用 华东师范大学硕士学位论文摘要 3 使用i e e e 8 0 2 1 5 4 协议通信仿真模块构成了一个无线图像传输终端 并给出 实验结果与分析 希望能以此应用为实例 进一步推动i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协 议的广泛应用 关键词 无线网络 i e e e 8 0 2 1 5 4 z 追b e e 蓝牙 嵌入式系统 通信仿真模 块 有机发光显示器 o l e d v 华东师范大学硕士学位论文 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 眦 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 谢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 锄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 酣帅r k s w 队nh a s 也ec h a r a c t e r 主s t i c ss u c h 鹊 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 删c a t i o ni nas m a l la r e a n l ei e e eo r 叠锄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 锄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 锄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 订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 盘 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 叠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 删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 眦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 窑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 谢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 锄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 订锄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 讯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 华东师范大学颈士学位论文 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 盘e r f i l l i s h 证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 胁s n l i s s j o n 妇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 铷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 邮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 协恤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 矾e dm a to l l rc o u 咖叮i ss 协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 眦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 龃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 碱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 饥 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 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果 据我所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名 铄睹 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留 使用学位论文的规定 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名 镓晋 导师签名 i i 左熏 日期 竺 型 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的无线图像传输终端的研究与实现 第一章绪论 1 1 引言 随着半导体技术和通信技术的飞速发展 无线网络技术己成为后p c 时代新 的研究热点 目前的无线网络呈现出三种不同的发展趋势 无线广域网 w i r e l e s s a 托a n e t w o r k l a n 无线局域网 w i r e l e s sl o c a ln e t o r k w l a n 和无线个 人区域网 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 以蜂窝移动通 信网为代表 它的无线连接距离以公里计 可以漫游到不同的地区和不同的国家 w l a n 以8 0 2 1 l 和家庭无线 h o m e r f 技术为代表 无线连接距离在5 0 m 1 5 0 m 左 右 传输速率远高于目前的广域网 而w p a n 目前发展十分迅速 它以蓝牙技术 z i g b e e 网络为代表 无线连接距离在1 0 m 左右 4 传输速率在w a n 和w l n 之间 三者的主要区别在于通信距离和数据速率 数据对比如表卜1 所示 表卜1 三种无线网络通信距离和数据速率对比表 淞nw l a nw p a n 有效范围 公里级 5 0 1 5 0 m 百米以内 最高 最大数据率 5 4 m b s 低于2 m b s 2 m b 3 g 本文研究的对象就是w p a n 中z i g b e e 协议的底层协议觋e 8 0 2 1 5 4 1 5j 由于 该协议支持低功耗 低数据率 近距离和低成本等特点 结合嵌入式应用将会有 很好的应用前景 随着协议的推出 诸如f r e e s c a l e c h i p c o n 等公司已经开发投 产了一些支持i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线协议专用芯片 4 j 虽然如此 但是对于大部分 国内那些想学习或应用这个协议的人来说 要想获得该芯片和一套支持 i e e e 8 0 2 1 5 4 的开发平台比较困难 本文所做的工作就是通过使用非协议专用无 线通信芯片和微控制器芯片构成一个具有与专用芯片功能类似的仿真模块 并以 此模块为基础来开展对i e e e 8 0 2 1 5 4 协议应用开发 1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 协议简介 i e e e 8 0 2 1 5 4 是i e e e 组织8 0 2 工作组提出的一个面向近距离 低速率 低功 耗和低成本无线网络应用的物理层和媒体接入控制层的协议标准 4 1 华东师范大学硕士学位论文 基于i e e e 8 0 21 5 4 协议的无线图像传输终端的研究与安现 1 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的起源 现状和发展 为了满足类似于温度传感器这类小型 低成本设备无线联网的要求 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 工作组 这个工作组致力于定义一种供廉价的固 定 便携或移动设备使用的极低复杂度 成本和功耗的低速率无线连接技术 在标准化方面 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组 4 主要负责制定物理层和媒体接入层 m a c m e d i aa c c e s sc o n 仃0 1 的协议 现在使用i e e e 8 0 2 1 5 4 作为底层标准的高 层协议有z i g b e e 网络协议 6 除了z i g b e e 联盟外还有i e e e l 4 5 1 工作组也已考虑在 8 0 2 1 5 4 基础上实现无线智能传感器网络 7j 在软件和硬件设备上 随着标准的建立 已有基于8 0 2 1 5 4 的产品问世 如 c h i p c o n 公司宣称推出并批量生产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 还有 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 协议的无线射频芯片m c l 3 1 9 3 4 随着标准的出台和软硬件的不断发展 许多应用也随之出现 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议将主要实现在消费性电子设备 家庭和建筑自动化设备峭儿卅 工业控制装置 8 i 电脑外设 医用传感器 玩具和游戏机等设备中 支持小范围的基于无线通 信的控制和自动化等领域 通常 符合以下条件的应用都可以考虑用 i e e e 8 0 2 1 5 4 作为无线传输标准 1 设备的低成本 低数据量 2 便携是设备 无充电电源模块 3 需要长时间或者 次性电池的使用 4 网络设备数量多 用 于监控 z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制 消费性电子设备 汽车 自动化 农业自动化和医用设备控制等 在工业领域 利用基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b 或智能传感器网络 使得数据 的自动采集 分析和处理变得更加容易 可以作为决策辅助系统的重要组成部分 例如危险化学成分的检测 火警的早期检测和预报 高速旋转机的检测和维护 这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新 重点在低功耗 从而最大 程度地延长电池的寿命 减少网络的维护成本 在汽车领域中 主要是传递信息的通用传感器 由于很多传感器只能内置在 工作的车轮或者发动机中 比如轮胎压力监测系统 这就要求内置的无线通信设 备使用的电池有较长的寿命 同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的影 响 在农业精确耕种的应用中 无线电传播特性良好 但是需要成千上万的传感 器构成比较复杂的控制网络 传统农业主要使用孤立的没有通信能力的机械设 备 主要依靠人力监测作物的生长状况 采用了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 和智 能传感器网络以后 农业将可以逐渐地转向信息和软件为中心的生产模式 使用 更多的自动化 网络化 智能化和远程控制的设备来耕种 传感器可以收集包括 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的无线图像传输终端的研究与实现 土壤湿度 氮浓度 p h 值 降水量 温度 空气湿度和气压等信息 这些信息和 采集信息的地理位置经由z i g b e e 网络传送到中央控制设备供农民决策和参考 这 样农民能够及早而且准确地发现问题 从而有助于保持并提高农作物的产量 医学领域 将借助于各种传感器网络 准确而且实时地监测每个病人的血压 体温和心跳速度等信息 从而减少医生查房的工作负担 有助于医生做出快速的 反映 特别是对重病和病危患者的监护和治疗1 9 川 i 针对巨大的中国市场和2 0 0 8 年国际奥林匹克运动会 8 0 2 1 5 4 技术产品将在 中国的环境监测和保护领域发挥重要的作用 利用该技术可以对污染源 特别是 各工厂废水 废气的排放口进行实时监测控制 在每个排放口安装相应感应器 完成样本的采集 分析和最终的流量测定 就目前的环境来说 污染源的数量大 得惊人 仅北京地区的排污口就有几万个 8 0 2 1 5 4 将提供一个低成本的用于数 据采集和传输的网状网络 网络上每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特 的数据 数据流是异步的 并在数据等待时间上限制极小 这些因素利于电池使 用寿命的延长 1 2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 网络的关键技术 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的特点为 近距离 低功耗 低数据速率及低成本 主要 适合于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备中 同时支持地理定位功能 协议主要涉及到的关键技术包括 无线通信技术 嵌入式软件技术 1 3 集成电 路 i c 技术和无线网络安全技术 1 2 2 1 无线通信技术 无线网络建立在稳定可靠的数字通信基础之上 无线通信需要通过无线电波 传播数据 所以诸如扩频方式 调制解调手段 频道和频率选择等通信技术对于 无线网络技术来说是非常重要的 i e e e 8 0 2 1 5 4 也不例外 该协议物理层规定使 用直接序列扩展频谱 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 扩频方式 并提供了3 个波段 并在三个波段分别使用了 相调相键控 b i 曲坷p h a s e s h 讯 k 掣i n g b p s k 和四相偏移调相键控 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 调制技术l l 三个波段中总共有2 7 个频道可供选择 5 l 1 2 2 2 嵌入式软件技术 基于8 0 2 1 5 4 的无线网络中的终端都是一些应用嵌入式系统的设备 对于嵌 华东师范大学硕士学位论文 基于m e e 8 0 21 54 协议的无线圈堡堡塑竺型塑塑壅兰壅翌 入式应用来说 反应速度是十分重要的 由于无线通信的异步特性和节点本身的 信息采集等功能要求系统对各种外部事件的实时反应 这就决定了网络的节点和 主机同时是一个实时系统 c 语言和汇编语言具有非常高的运行效率 所以十分 适合该系统的开发 而且c 语言具有很高的移植性 所以一直受到很多嵌入式系 统开发者的认可 i e e e 8 0 2 1 5 4 系统的开发一般也是由c 语言和汇编语言来完成 的 1 2 2 3 集成电路 i c 技术 i c 技术领域十分广 如8 0 2 1 5 4 这类短距离无线网络所涉及i c 技术主要包括 中高频射频通信芯片技术及微控制器芯片技术 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的工作频率都在8 0 0 瑚z 以上 所需要的通信芯片都属于 中高频射频通信芯片 1 6 射频通信芯片的主要功能是将数字信号转为无线电 波进行发送 芯片涉及到模拟电子和微波信号等领域的技术 未来射频通信芯片 的发展目标是更低的功耗 更稳定的性能和更高的集成度 m c u 也是网络终端设备中必不可少的重要部分 作为控制中心 m c u 主要 负责信息采集设备的控制和数据的处理 随着半导体技术的不断发展 现在的 m c u 已经是将过去的中央处理芯片和r a m r o m 定时器 计数器及山 d 转换 等功能部件集成在同一个芯片上的完整的计算机系统 即片上系统 s y s t e mo n c h i d s o c 系统 1 8 1 也正是s o c 系统的发展为嵌入式无线网络的发展提供了必要 的硬件基础 1 2 2 4 无线网络安全技术 信息安全是当今信息技术的一个重要课题 随着无线网络近年来的蓬勃发 展 网络安全在无线网络领域有了新的发展 i e e e 8 0 2 1 5 4 中应用了几种适合无 线通信的安全的技术 如c c m 和a e s c c m 模式 5 1 本文会在之后的章节中介绍 8 0 2 1 5 4 协议中涉及到的安全技术 1 3 无线图像传输终端 无线图像终端是能够进行无线图像数据或其他数据传输并能进行图像显示 的网络终端设备 本文实现的无线图像传输终端是一个基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的带 o l e d 显示模块的无线网络终端 可使用多个该终端组成网络图像传输 4 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e 8 0 21 54 协议的无线图像传输终端的研究与实现 1 3 1 无线图像传输终端的构架 o l e d 显示 存储器 控制器 外围功能模块 e t 4 4 m 2 1 0妒w 1 0 2 芯片组 无线通信仿真 微控制器 i 丢品矗簇买 图1 1无线图像传输设备架构图 本文实现的终端设备由无线通信仿真模板和外围模块组成 无线通信仿真模 块由8 位微处理器 m c u e t 4 4 m 2 1 0 和高频射频芯片组r f w l 0 2 构成 它提供终 端设备无线网络数据传输的功能 而外围模块由控制模块 存储器和o l e d 显示 器组成 它提供终端设备图像存储和图像显示功能 无线图像传输终端的构架如 图1 1 所示 本文实现的终端设备是一个基于m e e 8 0 2 1 5 4 网络协议的应用模型 只要将 外围模块进行修改 并根据具体应用修改应用层部分的程序即可实现一个全新的 实用系统 比如将网络节点加上温度传感器或湿度传感器 然后将网络主节点加 上一些控制应用 便可简单地将系统改为一个房间温度湿度控制系统 图像传输网络应用模型如图1 2 所示 图1 2图像传输网络应用模型 1 3 2 本文研制的无线图像传输终端的应用 本论文中研制的系统分为两个部分 一为设计一个基于8 0 2 1 5 4 的网络传输 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e 8 0 21 54 协议的无线图像传输终端的研究与实现 仿真模块 另一个是使用此模块设计的无线图像传输终端 仿真模块的实现是本 文的一个十分重要的部分 仿真模块也可供行业内许多应用项目开展试验所用 这些应用往往需要在近距离内实现多点间的稳定可靠的无线传输 i e e e 8 0 2 1 5 4 是一个很好的选择 现在有很多公司推出了支持i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线收发芯片和 平台 但是考虑到功耗和成本问题 通过其他非专用芯片和平台仿真支持 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的通信平台是一个很好的办法 本文中就是提出这样一个可行 的方案 本文所研制的无线图像传输终端也可以直接使用于以下方面 大楼的广告牌 和警示牌的自动控制 路灯或交通灯控制的自动化控制 还有一个比较实际的应 用就是教室的自动化和无纸化 使用该系统 教师可以不用通过黑板进行板书 可以将预先准备好的板书通过电子文档或者图像方式发送到每个学生课桌上的 接收设备上进行显示 同时学生的作业和考卷可以通过课桌设备无线上传至讲台 的接收设备进行保存 这样不仅可以减少粉笔带来的污染 还可以提高教学效率 和改进考勤方式 无线图像传输网络不仅有以上这些应用前景 还可以通过修改 和定制设备上的外围设备 使系统适用于其他应用 比如在终端设各上加载传感 器模块 这样通过主节点的控制 可以构成简易的自动传感器网络 由上述的这 些应用可以看出 由无线图像传输终端够成网络它的应用前景是十分可观的 1 4 本文的工作与文章组织 本文的工作有 1 通过对现有的无线网络协议的比较 选定i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议进行研 究 提出研制i e e e 8 0 2 1 5 4 协议通信仿真模块的思想和设计方案 仿真模块使 用8 位s o c 芯片和2 4 g 无线射频芯片组r f w l 0 2 所组成 2 根据图像无线传输终端的设计要求 提出使用仿真模块 存储设备以及 0 l e d 显示屏等器材构成一个实用的无线图像传输终端的解决方案 并做成一个 可以实用的样机 文章重点在于实现i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议 总结使用非8 0 2 1 5 4 专用r f 芯片和8 位系统实现该协议的经验 最后文章介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 在各 个领域的应用前景 论文内容 第一章主要介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 大体结构 并介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 网络的发 展和现状 接着列举了i e e e 8 0 2 1 5 4 网络研究中涉及到的技术 并重点阐明了 m e e 8 0 2 1 5 4 网络协议的实际应用价值和未来发展趋势 第二章首先介绍了无线网络族中的主要成员 主要是w p a n 中的几种不同 网络技术 分析他们的特点 列举了它们的优缺点 在简要介绍完这些网络技术 6 华东师范大学硕士学位论文 基于i e e e 8 0 21 54 协议的无线图像传输终端的研究与实现 之后 引出文章的研究重点i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议 先给出了该协议的层次结 构 然后按照层次顺序对m e e 8 0 2 1 5 4 协议进行详细地解读和研究 第三章详细描述如何实现一个8 位控制系统与2 4 g 高频无线通信芯片组构 成的i e e e 8 0 2 1 5 4 网络通信仿真模块 在该章中 首先介绍了所选用的硬件设 备 接着介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的物理层和m a c 层 最后介绍使用所选用的硬 件设备完成网络通信的仿真模块 第四章叙述了无线图像传输终端的实现 分别叙述硬件部分和软件部分的实 现过程 第五章给出了整个系统的实验结果 分三种情况进行实验 分别验证系统运 行时的可靠性 健壮性和稳定性 第六章总结了本文所做的工作 最后介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议未来的发展及 研究方向 华东帅范大学硕士学位论文基于j e e b 8 0 21 54 协议的无线圈像传输终端的研究与宴现 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究 2 1 短距离无线网络技术 在过去几年里 无线组网技术发展迅速 按网络距离范围来分 无线网络可 分为广域 局域和个人网三种 按数据传输速率来分 可分为高 中 低三种 本文重点讨论的是低速近距离无线通信技术 近距离个人网无线通信技术有蓝牙 技术 无线高保真技术 w i f i 2 红外数据传输技术 和z i g b e e l 5 1 等 2 1 1 各类短距离无线通信技术比较 2 1 1 1 蓝牙技术 爱立信公司在1 9 9 4 年开始研究一种能使手机与其附件 如耳机 之间互相 通信的无线模块 4 年后 爱立信 诺基亚 i b m 等公司共同推出了蓝牙技术标 准 主要用于通信和信息设备的无线连接 蓝牙工作频率为2 4g h z 有效范围 大约在1 0 m 半径内 在此范围内 采用蓝牙技术的多台设备 如手机 微机 激 光打印机等能够无线互联 以约l m b p s 的速率相互传递数据 并能方便地接入互 联网 蓝牙技术还使用了类似于即插即用的技术 任意蓝牙设备一旦搜索到另一 个蓝牙设备 马上就可以建立联系 无须用户进行任何设置 这种功能也称为 即 连即用 随着蓝牙芯片价格和耗电量的不断降低 蓝牙已成为许多高端p d a 和 手机的必备功能 蓝牙的特点 该技术使用2 4 g h z 通信频率 在近距离内的数据传输具有较 高的稳定性和抗干扰能力 而且还具有低功耗 低成本等特点 另外蓝牙技术应 用了 即连即用 技术增加了其易用性 2 1 1 2 无线高保真技术 w i f i w i f i w i r e i e s sf i d c l i 饥无线高保真 也是一种无线通信协议 正式名称是 l e e e 8 0 2 1 l b 与蓝牙一样 同属于短距离无线通信技术 w i f i 速率最高可达 1 1 m b p s 虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些 但电波的覆盖范围可达 1 0 0 m 左右 最初的m e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的 称为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 的主要技术标准 频率也是2 4 g h z 与无绳 电话 蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段 起先 w i f i 电话 蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段 起先 w i f i 8 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e 8 0 21 5 4 协议的无线图像传输终端的研究与实现 元件昂贵 兼容性不好 安全性也不能令人满意 随着时间推移 这些问题逐步得 到解决 且随着w i f i 协议新版本 如8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 的先后推出 w i f i 的应 用越来越广泛 8 0 2 1 1 a 标准还没有被工业界广泛接受 工作频率在5g h z 传输速率 5 4 m b p s 使用正交频分多路复用 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 调制技术 比8 0 2 1 1 b 采用的补码键控 c o m p l e m 咖c o d ek e y i n g c c k 调制速度快 但他不向后兼容8 0 2 1 1 b w i f i 是以太网的一种无线扩展 理论上只要用户位于一个接入点四周的一 定区域内 就能以最高约 m b p s 的速度接入w 曲 但实际上 如果有多个用户 同时通过一个点接入 带宽被多个用户分享 w i f i 的连接速度一般也只有几百 m p s w j f i 的信号不受墙壁阻隔 但在建筑物内的有效传输距离小于户外 w i f i 技术的最具诱惑力的方面在于将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的w 曲服务 融合起来之后 可以大幅度减少企业的i t 成本 例如 许多企业选择在每一层 楼或每一个部门配备8 0 2 l l b 的接入点 而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起 来 这样一来 可以节省大量铺设电缆所需花费的资金 w l a n 未来最具潜力 的应用将主要在s o h o s i n a l l0 箭c eh o m eo f f i c e 在家办公 家庭无线网络以及 不便安装电缆的建筑物或场所 目前这一技术的用户主要来自机场 酒店 商场 等公共热点场所 微软推出的桌面操作系统w i n d o w sx p 和嵌入式操作系统 w i n d o w sc e 都包含了对w i f i 的支持 更多新的w i f i 标准正在制定之中 速度更快的8 0 2 1 1 9 使用与8 0 2 1 1 b 相 同的正交频分多路复用调制技术 它工作在2 4g h z 频段 速率达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 标准本质上扩展了8 0 2 1 1 b 在2 4g h z 频段的性能 通过使用f d m 技术 获得了5 4 m b p s 的高速 并且完全向后兼容 8 0 2 1 1 b 他将最终取代8 0 2 1 1 a 8 0 2 1 1 9 虽然还在试验阶段 但是根据最近国际 消费电子产品的发展趋势判断 8 0 2 1 l g 将有可能被大多数无线网络产品制造商 选择作为产品标准 2 1 1 3 红外数据传输技术 i r d a 红外线数据协会i r d a i n 妇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 建立红外线无线连接的非营利组织 起初 采用i r d a 标准的无线设备仅能在l m 范围内以1 1 5 2k b p s 速率传输数据 很快发展到4 m b p s 的速率 后来 速率又达 到1