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WSN网络层协议研究及在土遗址微环境监测中的应用

2020-12-10阅读(86)

WSN网络层协议研究及在土遗址微环境监测中的应用

论文摘要

本文以探索无线传感器网络(WSN)潜在的应用场景为目的,利用WSN自身优势与文物保护应用背景相结合,将WSN应用于土遗址微环境监测中,为文物保护科研人员研究适合文物保存的环境因素模型提供数据支持。围绕WSN在土遗址微环境监测应用需要解决的数据收集关键技术问题,通过分析应用场景特点,以及对现有WSN路由协议、数据转发协议的研究,提出了模块化的WSN网络层协议结构,设计了适合土遗址微环境监测应用场景的路由协议和数据转发协议,通过仿真实验和原型系统验证了设计方案的有效性。本文主要研究内容如下：(1)通过研究WSN协议栈结构,针对实际应用中WSN网络层较高的功能复杂度,将WSN网络层进行功能解耦,划分为路由模块、数据转发模块,并对这两个模块的功能与交互进行定义,以实现应用中动态模块替换。在系统实现中,路由模块运行PDHP路由协议完成网络拓扑结构的建立,数据转发模块运行D2CPR数据转发协议,在网络层进行局部数据传输控制。(2)提出了基于预部署的分区域分簇路由协议(PDHP):将监测区域划分成若干小区域,在小区域中节点自组成簇,由基站节点定期发送数据收集包,建立簇首到基站的多跳反向梯度,以此簇首将收集到的数据发往基站。PDHP路由协议以分簇路由均衡网络能量消耗,以区域划分减小成簇复杂度,以应用场景特点简化协议设计。(3)提出了网络层数据转发协议(D2CPR):针对应用特点采用NACK方式进行丢失数据的局部重传,并以分布式拥塞控制思想,进行局部数据传输控制,以解决数据传输可靠性、完整性问题；另外通过获取路由模块维护的网络拓扑结构信息,进行节点功率控制与休眠调度,以达到降低能耗的目的。(4)在NS2中对PDHP协议和D2CPR协议进行仿真实验,在仿真实验验证其有效性的基础上。使用运行TinyOS2.0操作系统的Micaz系列节点,将原型系统部署在西安市唐皇城墙含光门遗址博物馆城墙遗址区域进行微环境监测,以实际应用验证了本研究的实用性和有效性,并且为文物保护人员研提供了一批有价值的文物微环境数据,同时也体现了WSN在未来智能生活中的应用潜力。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 1.1.1 无线传感器网络概述
  • 1.1.2 无线传感器网络的应用
  • 1.1.3 无线传感器网络的特点
  • 1.2 研究意义和目标
  • 1.2.1 研究意义
  • 1.2.2 研究内容
  • 1.2.3 本文主要研究工作
  • 1.3 论文组织
  • 第二章 WSN在文物保护中的应用概述
  • 2.1 土遗址保护中微环境监测问题
  • 2.2 WSN在土遗址微环境监测中的优势
  • 2.3 WSN应用于文物保护研究现状
  • 2.4 上遗址微环境监测应用特点与需求
  • 2.5 土遗址微环境监测数据收集问题
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 WSN协议栈选择与网络层模块划分
  • 3.1 WSN协议栈的发展
  • 3.2 WSN协议栈研究现状
  • 3.3 WSN网络层功能解耦
  • 3.4 土遗址微环境监测应用WSN协议栈
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 WSN网络层D2CPR数据转发协议
  • 4.1 引言
  • 4.2 动机和问题分析
  • 4.3 网络层数据转发协议研究现状
  • 4.3.1 分布式拥塞控制研究现状
  • 4.3.2 局部重传机制研究现状
  • 4.4 D2CPR数据转发协议
  • 4.4.1 D2CPR协议通信模型
  • 4.4.2 D2CPR协议设计思想
  • 4.4.3 局部重传实现
  • 4.4.4 分布式拥塞控制实现
  • 4.4.5 休眠调度与发送功率控制
  • 4.4.6 D2CPR协议整体描述
  • 4.4.7 D2CPR协议性能分析
  • 4.5 NS2仿真实验
  • 4.5.1 NS2仿真平台介绍
  • 4.5.2 仿真实验目的
  • 4.5.3 仿真实验
  • 4.6 本章小结
  • 第五章 WSN网络层PDHP路由协议
  • 5.1 引言
  • 5.2 动机与问题分析
  • 5.3 WSN网络层路由协议研究现状
  • 5.3.1 平面路由协议
  • 5.3.2 基于地理位置信息路由协议
  • 5.3.3 分层路由协议
  • 5.4 PDHP路由协议思想
  • 5.4.1 预部署区域划分
  • 5.4.2 簇首选举算法
  • 5.4.3 簇内通信与功率控制
  • 5.4.4 汇聚节点数据收集与簇间通信
  • 5.4.5 PDHP协议算法描述
  • 5.4.6 PDHP协议性能分析
  • 5.5 NS2仿真实验
  • 5.5.1 仿真实验目的
  • 5.5.2 WSN无线通信能量模型
  • 5.5.3 仿真实验
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 WSN在含光门土遗址保护的应用
  • 6.1 含光门土遗址应用背景介绍
  • 6.2 应用系统架构
  • 6.3 实验所用节点及传感器介绍
  • 6.4 TinyOS与nesC概述
  • 6.4.1 TinyOS操作系统
  • 6.4.2 nesC语言
  • 6.5 原型系统在TinyOS上的实现
  • 6.6 实际部署场景
  • 6.7 实地数据采集
  • 6.8 本章小结
  • 总结与展望
  • 全文工作总结
  • 未来工作展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得科研成果
  • 致谢

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