基于自组网协议的无线传感器网络研究与实现

论文摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线通讯的方式形成的一个多跳的网络系统。传感器节点通常部署在特定的物理环境中,依靠电池供电,且数据的处理和存储能力、通讯能力都十分有限。这就要求无线传感器网络具有自组网、自动恢复的能力。本文结合文物保护的具体背景,提出一种简单、易实现的自组网协议。系统由传感器节点、中继节点、网关节点和上位机共同组成。各节点在其通讯范围内,通过控制信息自动生成多跳的、稳定的无线网络;同时,在确保信号强度的前提下,按照跳数最小的原则选择数据传输路径。为满足低功耗系统的设计要求,硬件设计上选择了支持低功耗工作模式的ATmega128L单片机作为处理器,以CC1100作为射频收发器;使用8MHz,26MHz和32768Hz三种不同的晶振以满足处理器和射频收发器的使用需要;采用2节5号高能电池供电。用C语言编写各类型节点软件,实现节点之间、网关与上位机之间可靠的数据通信。自组织协议位于软件体系结构中的网络层部分,主要负责路由的发现和维护,包括了两个方面的基本功能:一个是路径选择,即寻找源节点和目的节点间的优化路径;另一个功能是数据转发,即要将数据沿优化路径正确转发。当节点之间的通讯路径因为某种原因失效后,该协议能够迅速自动的寻找另外一条通讯路径,确保数据传输的可靠性。用多个传感器节点、中继节点和一个网关节点搭建了无线传感器网络,并分别进行性能测试和功能测试。整个系统稳定可靠,完全符合设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 WSN相关技术
• 1.2.1 WSN概念
• 1.2.2 WSN特点
• 1.2.3 WSN自组网算法研究现状
• 1.2.4 WSN典型应用
• 1.3 本文研究内容
• 2 博物馆无线传感器网络监测系统的结构
• 2.1 系统硬件体系结构
• 2.2 系统软件体系结构
• 2.3 本章小结
• 3 硬件设计
• 3.1 设计要求
• 3.2 节点体系结构
• 3.3 节点设计
• 3.3.1 处理器模块
• 3.3.2 无线通信模块
• 3.3.3 供电电路
• 3.3.4 温湿度传感器模块
• 3.3.5 紫外线传感器模块
• 3.3.6 灰尘传感器模块
• 3.4 本章小结
• 4 软件研发
• 4.1 自组织协议研究
• 4.1.1 自组网协议格式
• 4.1.2 自组网过程
• 4.1.3 网络拓扑结构
• 4.2 网关节点软件
• 4.2.1 网关节点程序流程图
• 4.2.2 网关节点软件各层描述
• 4.3 中继节点软件
• 4.3.1 中继节点程序流程图
• 4.3.2 中继节点软件各层描述
• 4.4 传感器节点软件
• 4.4.1 传感器节点程序流程图
• 4.4.2 传感器节点软件各层描述
• 4.5 上位机软件
• 4.6 CC1100驱动程序
• 4.6.1 SPI数据接口时序与软件设计
• 4.6.2 数据收发流程
• 4.7 灰尘传感器驱动程序开发
• 4.7.1 工作原理
• 4.7.2 工作脉冲的生成
• 4.7.3 采集数据程序设计
• 4.8 本章小结
• 5 调试与实验
• 5.1 系统性能测试
• 5.1.1 节点发射功率测试
• 5.1.2 无线通讯测试
• 5.2 系统功能测试
• 5.3 系统功耗
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 设计与研究工作总结
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间的研究成果