高炉冷却水系统水温差监测的无线传感器网络应用

论文摘要

传统用于环境监测等场合的无线传感器网络中传感器节点具有任意布局、高密度、自组织等特点。但是,当无线传感器网络应用于工业设备监测等场合时,传感器节点的布局受限、且分布不均匀,其特点发生了变化。本文以节点布局策略和MAC协议为重点,研究了布局受限的无线传感器网络的关键技术和设计方法;设计和构建了布局受限的无线传感器网络系统,并进行了系统集成和应用的模拟实验验证。本文的主要研究内容和成果如下:1)针对无线传感器节点由于布局受限,分布不均匀造成的无法自组织连通网络的情况,提出了一种中继节点布局策略,在保证网络生存周期的前提下实现了网络的连通,并且利用数据分流策略和数据汇集策略减少了中继节点数目,进而降低了系统的成本。研究结果表明数据分流策略和数据汇集策略的综合实施显著减少了大量中继节点的数量。2)针对中继节点布局策略实施后形成的树状拓扑结构,在分析无线传感器网络中引起能量损失和数据传输时延因素的基础上,提出并实现了一种MAC协议-HMAC。HMAC在数据采集树中采用了两级TDMA（Time Division Multiple Access）机制,同一树枝节点间的数据传输使用了类似DMAC[1]中的交错调度机制。研究结果表明,HMAC有效减少能量损失和降低数据传输时延。3)针对HMAC协议的实现需求,提出了一种时隙分配方法,采用固定长度的调度包为节点分配连续时隙。与任意分配时隙方法相比,避免了由于需要分配时隙的节点增多导致调度包长度增加所带来的能量消耗。另外,针对该种方法有可能存在调度包丢失造成的时隙分配失败情况,采用了一种侦听邻节点确定时隙的措施,提高了时隙分配的可靠性。4)针对设备监测现场要求,开发了无线传感器网络节点硬件设备,设计了包括驱动程序、HMAC协议、及应用程序的软件。基于以上研究成果,模拟实现了高炉冷却系统水温差在线监测系统。实测结果表明监测结果准确,通信可靠性达到实用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 论文研究的目的与意义
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 论文的创新点
• 1.5 本文的内容安排
• 2 无线传感器网络体系结构
• 2.1 传感器网络结构
• 2.2 传感器节点结构
• 2.3 传感器网络协议栈
• 2.4 MAC 协议
• 2.5 路由协议
• 2.6 本章小结
• 3 布局受限的无线传感器网络的相关问题
• 3.1 应用特征分析
• 3.2 网络模型定义
• 3.3 关键问题分析
• 3.3.1 中继节点的布局
• 3.3.2 能耗和时延已知（energy and delay-aware）的MAC 协议
• 3.3.3 基于星型拓扑结构的TDMA 时隙分配
• 3.4 本章小结
• 4 中继节点的布局策略
• 4.1 约束条件及能耗模型
• 4.1.1 约束条件
• 4.1.2 能耗模型
• 4.2 问题定义
• 4.3 布局策略
• 4.3.1 网络最长寿命估算
• 4.3.2 中继节点的布局策略
• 4.4 减少中继节点数目的策略
• 4.4.1 数据的分流策略
• 4.4.2 数据的汇集策略
• 4.5 本章小结
• 5 数据采集树的MAC 协议－HMAC
• 5.1 HMAC 协议设计思想
• 5.2 基于星型拓扑结构的TDMA 时隙分配方法
• 5.2.1 同步消息的结构及初始化
• 5.2.2 同步消息丢失的处理
• 5.2.3 新节点的加入
• 5.3 树枝的时隙分配和交错调度的实现
• 5.3.1 创建拓扑
• 5.3.2 树枝节点的时隙分配
• 5.3.3 交错调度机制的实现
• 5.3.4 系统的复位
• 5.3.5 节点失效的处理
• 5.4 本章小结
• 6 无线传感器网络在高炉冷却系统水温差监测中的应用
• 6.1 传感器节点设计与实现
• 6.1.1 无线传感器节点设计原则
• 6.1.2 无线传感器节点的设计
• 6.1.3 TinyOS 下驱动程序的开发
• 6.2 应用需求分析
• 6.3 系统构成与设计
• 6.4 性能分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录A TINYOS 下温度传感器的基本子函数
• 附录B TINYOS 下温度传感器的组件模型
• 在学研究成果
• 致谢