基于无线传感器网络低功耗节点设计的关键技术研究

论文摘要

由于受到体积和成本等方面的限制,无线传感器网络节点绝大多数情况下只能采用自身携带的电池供电,然而对于由成千上万节点组成的无线传感器网络而言,对电池的更换是异常困难也是几乎不可能的;但是在实际应用中无线传感器网络的生存周期却被要求在数月甚至数年,能量相对有限而且补充困难是限制无线传感器网络发展应用的主要问题;因此,在保证完成正常监测任务的前提下,如何在软硬件设计中降低节点能耗,进而提高整个网络的生命周期是无线传感器网络的研究必须解决的问题。针对影响节点能耗的主要因素,通过分析传感器网络的整体结构、节点结构、通信方式和网络覆盖等,本文给出了无线传输能耗的数学模型;并对单一节点节能技术、数据融合技术和跨层节能算法等无线传感器网络关键节能技术进行了分析总结,重点分析比较了无线传感器网络中经典的媒体访问控制算法、节能算法、协议和策略等问题。本文通过单一节点的软硬件设计来分析节点的各部分能耗值,进一步明确了节点传感状态、发送状态、接收状态、空闲状态、数据处理状态和休眠状态下的能耗比重,为整体实验中的侧重点提供理论基础;通过硬件设计详细了解了节点的各部分组成、分析了各部分作用和它们之间的协作原理。因为在大部分实际应用中,例如压力、流量、液位、温度、湿度、浓度、距离、角度等都会存在一个节点传感的数据与时间的相关性,可以通过分析实际工况,利用已有数据分析传感对象的数据变化规律建立预测式,也可利用节点传感的数据类型分别建立不同的预测式,通过预测式对应的外部变量来获得传感数据的可信值范围,将传感器获得的数据与该预测式产生的预测值进行比较,只对可信的传感数据才进行处理发送,因此本文在分析了以往针对单一节点降低能耗的技术基础上提出了智能发送机制(Intelligent transmission mechanism,ITM),利用ITM,一方面降低了单一节点自身的数据发送功耗,另一方面也降低了汇聚节点的接收功耗;以此为基础减少节点数据发送次数以及节点间的数据通信量,降低节点能耗,延长节点使用寿命,进而来延长整个无线传感器网络的生存周期;最后本文通过实例分析证实了在使用ITM后,节点能够有效的将错误信息丢弃,进而减少了节点能耗,延长了节点的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究现状与发展趋势
• 1.3 论文的主要工作和贡献
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 传感器节点能耗分析
• 2.1 引言
• 2.2 WSN 的体系结构
• 2.3 传感器节点能耗产生分析
• 2.3.1 基于硬件结构的能耗分析
• 2.3.2 基于算法和协议的能耗分析
• 2.4 WSN 中常用的节能技术
• 2.4.1 单一节点的节能技术
• 2.4.2 MAC 协议
• 2.4.3 整个网络的节能
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于CC2430 的WSN 节点硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统电路简介
• 3.2.1 DS18B20 功能特点
• 3.2.2 CC2430 芯片的主要特点和功能介绍
• 3.3 节点硬件系统设计
• 3.4 性能分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于CC2430 的WSN 节点的ITM 模块设计
• 4.1 引言
• 4.2 基本思想
• 4.3 软件系统构成
• 4.3.1 Z-Stack 协议栈简介
• 4.3.2 节点任务流程
• 4.3.3 休眠设置
• 4.3.4 异常处置
• 4.4 主流程设计
• 4.5 数据采集模块设计
• 4.6 ITM 模块设计
• 4.7 仿真及结果分析
• 4.7.1 实验方案
• 4.7.2 实验结果与评估
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢