论文总字数：28812字

摘 要

WiFi是目前最主流的无线通信技术，相较其他技术，其传输速率快，传输范围广，组网便捷，为推动物联网的大规模普及的关键技术因素。Arianna实验室属于University of California，Irvine的Physics Department，在南极开展对Neutrinos 和宇宙射线的研究工作，其采用AFAR模块作为传输实验数据的网络系统的通信节点，AFAR模块不便移动，且单节点造价近1000美元。针对这一现状，本文设计了一个基于WiFi的mesh-network，在完全覆盖原有网络功能的基础上，节点可手持移动，且节点造价为AFAR模块的1/10。 本文首先对目前主流的无线通信技术进行了简要介绍，对其技术指标进行了对比分析，从而得出WiFi技术能够最大程度的满足实验数据传输需求的结论。本文随后介绍了WiFi mesh-network的拓扑结构，节点硬件组成，节点软件设计。其中节点硬件由mbed、RF模块和天线组成，模块间通过SPI进行通讯。节点软件通过对mbed和RF模块进行编程设计，对数据的传输速率与传输格式进行了定义。最后，本文呈现了户外节点间通信测试的结果，通过对技术指标进行分析，得出了网络功能需求均得到满足的结论。该设计将WiFi设置为mesh模式，节点上电后即可加入网络，无需任何配置，省略了布置网络的人力活动，从而便于实验室更高效的开展研究工作。

关键词：WiFi，mesh，SPI

Abstract

Wifi is currently the most prevalent wireless communication technology, characterizing a significantly fast transmitting speed and an extensive covering distance, compared to the other technologies, thus is the grounding stone for the massive implementation of IoT. Arianna Laboratory of Physics Department in University of California, Irvine has been focusing on the activities of Neutrinos and cosmetic rays in Antarctic since 2012, and AFAR is the node of the network transmitting the data collected by the stations scattering in the pole area, which is bulky to move and extravagantly costly with the price up to nearly $1,000/node. Given this situation, we provides a functionally equivalent Wifi mesh-network with portable size and 1/10 of the AFAR price per node. We first analyzes the performance of several wireless network technology, drawing the conclusion that the Wifi is the optimized solution for this new network. Then the topology of the network, the structure of the hardware, the software design are presented in this thesis. For the hardware of the node, the composing parts are an mbed, a RF module, and an antenna. The software defines the transmission format between RF modules, as well as between the mbed and the RF module in a node. We tested the transmitting function between two nodes outdoor and confirmed that all of the fundamental requirement have been fulfilled. To highlight the supplementing mesh-network, there is no configuration needed to set up a node, since a node can automatically be added into a network when Wifi is configured to work in the mesh mode. Based on this ingenious idea, our design saves researchers from the effort to set up the nodes, and thus spare them more endeavor on researching activities.

KEY WORDS: Wifi, mesh, SPI

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2 Wi-Fi无线通信的历史及现状 1

1.2.1 Wi-Fi发展历史 1

1.2.2 Wi-Fi应用现状 1

1.2.3 Wi-Fi发展前景 2

第二章 mesh-network系统设计 3

2.1 mesh-network需求分析 3

2.2 mesh-network技术分析 3

2.2.1 Bluetooth通信技术 3

2.2.2 Wi-fi通信技术 4

2.2.3 ZigBee通信技术 5

2.3 三种无线通信技术总结 8

2.4 mesh-network系统框架与组成 8

2.5 方案的创新设计 10

第三章 mesh-network系统硬件 11

3.1 mesh-network节点硬件结构 11

3.2 mbed选型 12

3.2.1 STM32F412xE 12

3.2.2 Nucleo-FZ412ZG 13

3.3 RF module选型 14

3.3.1 Synapse RF220SU 14

3.3.2 Synapse-to-FTID Adapter Kit 15

3.4 SPI通信 17

3.5 Antenna选型 19

第四章 mesh-network系统软件 20

4.1 mbed软件设计 20

4.1.1 mbed开发环境 20

4.1.2 程序主要功能 20

4.2 Synapse程序设计 25

4.2.1 Synapse开发环境 25

4.2.2 程序主要功能 26

第五章 mesh-network节点功能测试 31

5.1节点各项参数测试结果 31

5.1.1 传输速率 31

5.1.2 传输距离 31

5.1.3 其余参数 32

5.1.4 性能测试分析与总结 32

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

如今Wi-Fi无线网络已取代传统的网线连接，成为人们所使用的主流通信网络。其基于IEEE802.11标准，具有多种组网模式，其传输距离与传输速率均优于目前其他的主流无线网络通信技术，从而使其从众多无线通信技术中脱颖而出，成为目前最普遍的通信方式。本课题旨在通过选择硬件，构建一个Wi-Fi mesh-network，对Wi-Fi完成从底层硬件到通信协议的系统认识，深入全面的了解这项技术，为日后从事通信领域的相关工作做准备。

Arianna实验室属于University of California, Irvine物理系，在南极进行对Neutrinos和宇宙射线的研究。其原有的用于传输数据的AFAR模块过于笨重，同时每个节点造价近1000美元，成本过于高昂。本设计旨在构建一个全新的Wi-Fi mesh-network，能够覆盖AFAR原有功能特性，如能够在-40摄氏度下正常工作，传输信号不与基站所获取的射线相干扰，同时还应满足体积轻便，能够手持移动，造价相对低廉等新的特性与功能需求，从而提升数据传输效率，便于其更好的开展对Nertrinos和射线的研究活动。

1.2 Wi-Fi无线通信的历史及现状

1.2.1 Wi-Fi发展历史

Wi-Fi本质上是对符合IEEE802.11a/b/g/n标准的电子设备的一种商业认证，IEEE于1997年发布了IEEE802.11标准，表明了Wi-Fi的问世，于1999年发布了IEEE802.11a和802.11b标准，将传输速率提高到54Mbpm，2009年发布了IEEE802.11n标准，将传输速率进一步提高，最大可达600Mbpm，同时传输距离也提高到数公里。

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