无线传感器网络能量高效路由算法研究及协议栈优化

论文摘要

随着传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的飞速发展和日益成熟,人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。无线传感器网络把数据的采集、传输、融合分析于一体,是信息技术的一个新领域,具有十分广阔的应用和发展前景。在无线传感器网络的各个研究领域中,路由协议的设计逐渐成为网络层研究的核心。本文从分析无线传感器网络的体系结构入手,重点研究了无线传感器网络的路由协议。在对无线传感器网络的路由协议进行了分类介绍之后,对AODV路由协议进行了详细的介绍和分析,发现AODV路由协议中潜在的一些问题:AODV协议的路由查找以洪泛方式广播,会消耗过多的网络能量;在路径选择时只考虑路径跳数;只建立一条路径,浪费掉了多数路由发现报文形成的路径信息。针对以上发现的问题,对AODV路由协议进行了改进,在路由广播时通过路径深度的判断,减少了参与广播的节点数,以减少网络的能耗。在路由选择时通过RSSI选择更短的路径,减少了发送数据消耗的能量。建立了备用路由机制,减少了路由维护所带来的消耗。除了网络层路由协议优化之外,对整体协议栈代码进行了优化,提高了协议栈运行效率,减少了代码量。增加了应用层功能,包括反向数据查询、重新定位以及损坏节点查找等功能。最后对μC/OS-Ⅱ操作系统的移植进行了初步性的探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 无线传感器网络的研究进展
• 1.3 无线传感器网络的应用
• 1.4 无线传感器网络的体系结构
• 1.4.1 无线传感器网络的网络结构
• 1.4.2 无线传感器网络协议栈
• 1.4.3 无线传感器网络的特点与挑战
• 1.5 本文研究内容及论文结构
• 2 基于ZigBee的无线传感器网络平台的实现
• 2.1 无线传感器网络节点结构
• 2.1.1 微处理器的选择
• 2.1.2 无线通信模块的选择
• 2.1.3 电源模块及传感器模块
• 2.2 ZigBee技术综述
• 2.2 1 ZigBee技术联盟
• 2.2.2 ZigBee网络
• 2.3 基于ZigBee的无线传感器网络协议栈
• 2.3.1 IEEE802.15.4物理层（PHY）
• 2.3.2 IEEE802.15.4 MAC层
• 2.3.3 无线传感器网络层（NWK）
• 2.3.4 无线传感器网络应用支持子层（APS）
• 2.3.5 无线传感器网络应用层（APL）
• 2.4 本章小结
• 3 无线传感器网络路由协议
• 3.1 无线传感器网络路由协议概述
• 3.2 路由协议分类
• 3.2.1 平面路由
• 3.2.2 分层路由
• 3.3 AODV路由协议
• 3.3.1 AODV路由建立
• 3.3.2 AODV路由维护
• 3.4 本章小结
• 4 基于AODV的能量高效路由协议研究
• 4.1 AODV路由协议分析
• 4.2 基于路径深度的AODV路由协议优化
• 4.2.1 ZigBee组网技术
• 4.2.2 节点地址分配机制
• 4.2.3 基于路径深度的AODV路由协议改进方案
• 4.2.4 实验结果及性能分析
• 4.3 基于RSSI的AODV路由选择优化
• 4.3.1 基于RSSI的测距技术
• 4.3.2 基于RSSI的路径选择优化方案
• 4.3.3 实验结果及性能分析
• 4.4 基于AODV的多径路由研究
• 4.4.1 备用路由在AODV路由协议中的应用
• 4.4.2 路由表的改进
• 4.4.3 实验结果及性能分析
• 4.5 本章小结
• 5 无线传感器网络协议栈优化
• 5.1 协议栈代码优化
• 5.2 应用层功能优化
• 5.2.1 数据查询
• 5.2.2 重新定位
• 5.2.3 损坏节点查找
• 5.3 μC/OS-II操作系统移植初探
• 5.3.1 嵌入式实时内核μC/OS-II简介
• 5.3.2 μC/OS-II在LPC2138上的移植
• 5.3.3 任务的划分
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 节点及实验照片
• 附录B 完整ZigBee帧格式
• 附录C 协议栈优化前后软件结构图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢