TinyOS中无线传感器网络路由协议的研究与应用

论文摘要

作为一种新型的信息获取、数据处理的智能化嵌入式设备,无线传感器网络是大量微型节点通过无线通信方式形成的自组织网络,在环境监测、建筑物状态监控、智能家居、军事侦察、健康护理、空间探索以及大型工业生产的安全监测等领域越来越受关注,且应用越来越广泛。无线传感器网络各方面的研究也相继成为目前学术界的研究热点,路由协议也成为无线传感器网络在网络层上的一个关键研究课题。本文在深入研究了无线传感器网络概念、结构、特点及应用的基础上,引入无线传感器网络路由,详细介绍了现有几种典型的无线传感器网络路由协议的优缺点,并就TinyOS中一种标准多跳路由协议LEPS (Link Estimate and Parent Selection)进行分析,给出该协议的改进方案。探讨了TinyOS系统具有轻量级线程技术、组件化编程、事件驱动模式及主动消息通信等的特性,应用nesC语言分别从路由表更新、路由选择及数据包转发三个方面对改进后的协议ILEPS (Improved LEPS)进行接口设计及总体设计,并将其在TinyOS中实现。然后,结合矿井人员定位系统的硬件特点,实现了传感器节点的软件设计,包括基站节点、固定节点和移动节点的设计,并将ILEPS应用到此系统中,与LEPS协议对比分析对系统性能的影响。结果表明,ILEPS路由协议在几乎不牺牲端到端延时的基础上,丢包率比LEPS路由协议平均降低了33.86%。最后,总结了ILEPS路由协议在应用中存在的问题,并提出相应的可行的解决方法及针对此系统今后研究的主要方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究现状及发展
• 1.2.2 国内研究现状及发展
• 1.3 论文主要内容及研究意义
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究意义
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络概念
• 2.2 无线传感器网络体系结构
• 2.2.1 传感器网络通信协议栈
• 2.2.2 无线传感器网络结构
• 2.2.3 传感器节点硬件结构
• 2.3 无线传感器网络特点
• 2.4 无线传感器网络应用
• 2.4.1 军事领域
• 2.4.2 环境监测
• 2.4.3 健康护理
• 2.4.4 智能家居
• 2.4.5 建筑领域
• 2.4.6 空间、海洋探索
• 2.4.7 工业领域
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器路由协议分析及比较
• 3.1 无线传感器路由协议概述
• 3.2 无线传感器路由协议分类
• 3.2.1 按网络拓扑结构分类
• 3.2.2 按协议工作特性分类
• 3.3 几种典型的路由协议
• 3.3.1 Flooding和Gossiping协议
• 3.3.2 基于协商的路由协议SPIN
• 3.3.3 定向扩散协议DD
• 3.3.4 低能量自适应聚类LEACH
• 3.3.5 SPEED协议
• 3.3.6 能量位置意识路由GEAR
• 3.3.7 HREEMR协议
• 3.4 本章小结
• 第四章 TinyOS中LEPS路由协议研究及改进
• 4.1 LEPS路由协议分析
• 4.1.1 链路质量评估
• 4.1.2 父节点选择的依据及过程
• 4.1.3 协议的优缺点
• 4.2 LEPS路由协议的改进
• 4.2.1 ILEPS思想描述
• 4.2.2 ILEPS算法分析
• 4.3 ILEPS算法在TinyOS中的执行过程
• 4.4 ILEPS路由协议在TinyOS中的实现
• 4.4.1 TinyOS操作系统简介
• 4.4.2 ILEPS路由协议的实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 ILEPS在矿井人员定位系统中的应用
• 5.1 系统硬件设计
• 5.1.1 无线识别器
• 5.1.2 标识卡
• 5.1.3 传输分站
• 5.1.4 用户终端
• 5.2 系统主要硬件结构介绍
• 5.2.1 处理器模块
• 5.2.2 无线通信模块
• 5.2.3 传感器与电源
• 5.3 系统节点软件设计
• 5.4 ILEPS在矿井人员定位系统中性能分析
• 5.4.1 实验环境及硬件平台构建
• 5.4.2 性能分析
• 5.5 存在的问题及可行的解决方法
• 5.5.1 链路存在不对称性和不可靠性
• 5.5.2 传输效率低
• 5.5.3 其他问题
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 不足与下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录1:相关代码
• 附录2:攻读硕士期间参与的科研项目与公开发表的论文