基于概率检测的CSMA/CA无线传感器网络协议及控制电路分析

论文摘要

无线传感器网络是一种新型的传感器网络,同时也是多学科领域的交叉,使用IEEE802.11协议标准,由多个具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器终端节点构成,通过无线通信方式组成一个多跳和自配置的网络系统,其目的在于采集信息,并通过网络覆盖区域内的传感器终端节点,以无线通信的方式将采集的信息发送给信息处理中心。在军事、医疗、防爆、工业、救灾等许多领域都有着广泛应用。现在研究的主要方向是可以降低数据发送冲突率、提高吞吐量、缩短时延、降低能耗的无线传感器网络协议,用以解决传感器终端节点携带能量有限、更换电池或者补充能量工作困难的问题。本文研究分析的主要对象是无线传感器网络MAC协议及传感器终端节点,学习研究了关于无线传感器MAC协议的文献及终端节点的电路,介绍了CSMA/CA技术和多通道随机多址技术,以研究分析得到节能的传感网络协议为主要目标。本文认真分析了基于概率函数检测的CSMA/CA无线传感器网络MAC协议,采用平均周期的方法,定义每个传输周期为TP,将信息分组的传输周期TP（1+2a+τA）进行划分,分为信息分组发送时间“1”、ACK信息时间τA和线路延时时间α几部分,对整个周期TP内到达的所有信息分组都以p概率函数检测的方式接入信道。到达的信息分组以概率函数值p持续侦听信道,以概率（1-p）放弃侦听信道,通过取不同的概率p值动态控制休眠节点数目。根据协议的工作原理,建立数学模型和系统模型。把信道内可能发生的三类随机事件：信道空闲、分组发送成功和信息分组发送发生碰撞,对三种随机事件进行划分,建立系统和数学模型,经过严格的数学公式推导,分别计算得到三类随机事件的平均长度,采用平均周期的分析方法,分别得到系统吞吐量、时延、终端节点生命周期等性能指标的理论解析式。使用仿真语言进行编程,得到相应的仿真结果,理论分析值与仿真结果数据保持了较好的一致,验证了理论推导的正确性,达到了提高吞吐量、缩短时延、延长节点生命周期的目标。在第四章中,分析了传感器终端节点的工作原理,并对硬件电路进行了详尽的分析,使用软件设计出电路原理图,并焊制电路板制作终端节点。介绍了无线传感器网络实验平台GAINZ,分别对两类节点的开发平台做了简要介绍,结合实验室现有的设备进行无线传感器网络的相关实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 传感器网络的体系结构
• 1.1.3 无线传感器网络MAC协议
• 1.1.4 无线传感器网络节点控制电路
• 1.2 论文研究目的及意义
• 1.3 论文创新点及主要内容
• 第二章 基于概率检测的CSMA/CA无线传感器网络协议
• 2.1 随机多址接入技术
• 2.1.1 ALOHA协议系统
• 2.1.2 CSMA协议系统
• 2.1.3 CSMA/CA协议
• 2.2 协议分析
• 2.3 协议模型描述
• 2.4 协议吞吐量分析
• 2.5 信息分组平均时延分析
• 2.6 协议能量有效性分析
• 2.7 协议仿真结果分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 无线传感器网络节点单片机控制电路设计及实验
• 3.1 无线传感器网络
• 3.2 传感器节点结构设计
• 3.2.1 传感器
• 3.2.2 处理器模块
• 3.2.3 无线通信模块
• 3.2.4 能量供应模块
• 3.2.5 硬件电路板的制作
• 3.3 无线传感器网络实验系统
• 3.3.1 GAINZ硬件平台
• 3.3.2 GAINZ节点软件结构
• 3.3.3 WinAVR开发环境介绍
• 3.4 WSN网络分析与管理平台（SNAMP）介绍
• 3.4.1 总体架构
• 3.4.2 SNAMP功能简介
• 3.5 传感器网络实验
• 3.5.1 IEEE 802.15.4帧格式
• 3.5.2 CC2420的标准数据包发送实验
• 3.5.3 智能灯光控制实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 全文总结与展望
• 4.1 全文总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ: 攻读硕士学位期间参与的项目及取得的成果
• 附录Ⅱ
• 致谢