Wireless Sensor Networked Embedded Systems : 무선 센서 네트워크를 위한 임베디드 시스템
- 주제(키워드) Wireless sensor networked , Embedded systems , 무선 센서 네트워크
- 발행기관 Handong Global University
- 발행년도 2006
- 학위명 석사
- 학과 DepartmentofInformationTechnology
초록/요약
본 논문에서는 우리 생활에 큰 변화를 가져다 줄 무선 센서 네트워크를 위한 임베디드 시스템을 제안한다. 사용되는 표준 통신 규약은 저속 데이터 전송의 무선 개인 네트워크 표준이다. 이에 대한 활용 분야는 아주 다양한데, 특히, 홈 오토메이션, 개인용 전자제품, 산업용 제어 시스템, 보안 및 군용 탐지 시스템, 물류 시스템 관리, 농업 및 환경 감시 시스템, 그리고 건강 검진 시스템 등이 대표적인 분야이다. 이에 따라 본 논문에서는 무선 센서 네트워크를 위한 임베디드 시스템의 실제적인 한 예로, 홈 오토메이션 시스템을 구현한다. 구현 과정에 사용되는 표준 통신 규약은 2003 년에 제정된 저속 데이터 전송의 무선 개인 네트워크 표준의 하나인 IEEE 802.15.4인데, 이는 홈 오토메이션이나 빌딩 오토메이션에 가장 적합한 통신 규약이기 때문이다. 다른 하나의 구현 환경은 TinyOS 운영 체제이다. TinyOS 가 사용된 이유는 TinyOS 가 콤포넌트 기반 구조이며 무선 임베디드 센서 네트워크를 위해 개발된 운명 체제이기 때문이다. 먼저 Xilinx Spartan2E FPGA를 이용해서 디지털 기저대역 BPSK 모뎀을 구현하게 된다. 이는 IEEE 802.,4 에 부합하는 하드웨어를 만들기 위한 토대가 되기 때문이다. 모템 구현에 이어서, IEEE 802..4에서 활웅되는 CSMA-CA 알고리즘을 TinyOS 운영 체제 구현 언어인 NesC 를 이용해 구현하게 된다. 다음으로 전등 스위치 제어 시스템 및 에어컨 제어 및 모니터링 시스템이 구현되는데 이는 홈 오토메이션 시스템 혹은 빌딩 오토메이션 시스템의 구성 요소로 활용될 수 있다. 구현 과정에서 사응되늘 하드웨어 자원은 Chipcon, Crossbow, Atmel 그리고 LG 전자에서 만들어진 상용 하드웨어 플랫폼이다. Chipcon 과 Crossbow 의 하드웨어 플린폼에 TinyOS 를 포팅하는 과정 및 모든 구현 과정에서 사용되는 PC 환경은 RedHat 9 리눅스 기반 환경이다. 마지막으로 본 논문에세는 IEEE 802.15.4 성능 측정 결과가 제시된다.
more초록/요약
This thesis has presented wireless sensor networked embedded systems that is a disruptive technology especially for the LR-WPAN (low rate wireless personal area network) application areas. Home automation and consumer electronics, industrial control and monitoring, security and military sensing, asset tracking and supply chain management, intelligent agriculture and environmental sensing, and health motoring are the major areas of application. We have implemented a home automation system as a wireless sensor networked embedded systems example application. For the implementation, one of the LR-WPAN standards, the IEEE standard 802.15.4 has been used. Because the IEEE Std. 802.15.4 is the most appropriate communication standard for the home automation or building automation system. On the other hand, our implementation is based on the tines operation system. Because it has a component-based architecture and is designed for wireless embedded sensor networks. At first, BPSK modem has been implemented through the Xilinx Spartan2E FPGA, as a foundation work for the IEEE Std. 802.15.4 compliant device manufacture. And then the IEEE Std. 802.15.4 CSMA-CA algorithm has been implemented using the NesC that is the tines implementation language. After this, a light switch controlling system and an air conditioner controlling system have been implemented as components of a home automation system or a building automation system. Throughout the implementation shipcon, srossbow, Atmel, and LG hardware platforms have been used. tines porting on the shipcon and the srossbow hardware platforms and all the implementations have been based on the RedHat 9 Linux As environment. In addition to it, we have been presented the IEEE Std. 802.15.4 performance measurement results finally.
more목차
Contents = ⅴ
Abstract = ⅰ
요약문 = ⅲ
List of Figures = ⅶ
List of Tables = ⅸ
Ⅰ. Introduction = 1
Ⅱ. Wireless Sensor Networked Embedded Systems = 4
1. Wireless Sensor Networks = 4
1.1. The Constitution of Wireless Sensor Networks = 4
1.2. The Class of Wireless Sensor Networks = 5
1.3. Wireless Sensor Networks vs. Ad hoc Networks = 6
1.4. Application Fields of Wireless Sensor Networks = 6
1.5. The Challenges of Wireless Sensor Networks = 7
2. Embedded Systems = 8
2.1. What is an Embedded System? = 8
2.2. The Constitution of Embedded Systems = 8
2.3. The Features of Embedded Systems = 9
2.4. Application Fields of Embedded Systems = 10
Ⅲ. Environment = 11
1. TinyOS = 11
1.1. Features of TinyOS = 12
1.2. Directory Structure of TinyOS = 13
1.3. TinyOS Design = 14
1.4. Challenges of TinyOS = 16
2. IEEE Std. 802.15.4 = 17
2.1. Backgrounds = 17
2.2. Network Topologies = 18
2.3. PHY Specification = 19
2.4. MAC Sublayer Specification = 21
2.5. Application areas of IEEE Std. 802.15.4 = 22
3. Hardware = 22
3.1. Chipcon Hardware(CC2420, CC2420DBK, CC2420DK) = 23
3.2. Crossbow Hardware(MPR2400CA, MTS300CA) = 26
3.3. Atmel Hardware(ATmega128L) = 28
Ⅳ. BPSK Modem Implementation = 30
1. Proposed BPSK Modem Architectures = 30
1.1. Pulse Shaping with RRCF = 31
1.2. Carrier Recovery using Costas Loop = 32
1.3. Timing Recovery through Early-late Gate = 34
2. Simulation and Implementation Results = 35
2.1. MATLAB Simulink Simulation = 35
2.2. ModelSim Simulation = 38
2.3. FPGA based Implementation = 39
3. Concluding Remarks = 41
Ⅴ. IEEE Std. 802.15.4 Implementation = 43
1. IEEE Std. 802.15.4 CSMA-CA Algorithm = 43
2. Home Automation System = 45
2.1. Light Switch Controlling System = 45
2.2. Air Conditioner Controlling System = 47
3. IEEE Std. 802.15.4 Performance Measurement = 49
3.1. Measurement Conditions = 50
3.2. Transmission Interval vs. Packet Error Rate = 51
3.3. Transmitted Power vs. RSSI = 53
Ⅵ. Conclusions = 57
Ⅶ. Bibliography = 59