无线传感器网络应用技术研究

论文摘要

无线传感器网络是一种新型的无基础设施的无线网络,由大量的传感器节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络系统,协作地实时感知和采集各种环境或感应对象的信息,并对其进行处理,传送到需要这些信息的用户。其在军事国防、工农业控制、医疗、环境监测、家庭护理等诸多领域潜在的重大应用价值,引起了各国政府和研究机构的广泛关注。本文首先对无线传感器硬件系统的构成做了简要概述,并深入分析了节点各模块的功能特点和性能要求,详细描述了节点硬件平台的总体方案设计、电路原理图和各功能模块的工作原理,并且给出了系统软件的工作流程图,以及nRF2401收发模式的程序设计。其次,传感器节点的应用环境和传感器网络的工作特点决定了节点必须十分注重低功耗设计。针对这种情况,本文在系统研究集成电路系统的低功耗技术原理和设计方法的基础上,设计出节点各模块的低功耗处理方案,并对该方案进行了定量分析。此外,通过基于二维马尔可夫链模型分析了IEEE 802.11 DCF在饱和状态下的延迟特性,给出了分布式协调功能（DCF）中分组传输延迟的理论分析方法,并利用NS2仿真软件进行仿真,对基本接入方式和RTS/CTS方式两种传输方式的延迟性能进行比较分析,仿真结果进一步验证了理论分析方法的有效性,为研究在无线局域网中传输实时业务提供了理论依据。最后,为了使无线传感器网络能源的高效使用,本文还围绕着无线传感器网络数据链路层的MAC协议展开了设计。针对S-MAC协议在重载和节点密集时性能很差,发送分组的碰撞高,分组的重传次数增加,消耗了更多的网络能量,导致无线传感器网络能源不能高效的使用,因此作者在一般S-MAC协议的退避算法基础上进行了改进,提出了新的MAC协议,其基本思想是自适应退避算法以能量最小为准则调整分组发送概率p,仿真结果表明改进后的协议具有更优秀的能量性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 发展现状和意义
• 1.3 本文的工作与组织结构
• 1.3.1 无线传感器网络节点的硬件设计
• 1.3.2 无线传感器节点的低功耗设计与研究
• 1.3.3 WLAN中IEEE802.11 DCF延迟性能分析
• 1.3.4 S-MAC协议的改进
• 第二章 无线传感器网络节点的硬件设计
• 2.1 无线传感器网络节点的硬件平台特点
• 2.2 无线传感器网络节点的硬件平台设计
• 2.2.1 处理模块
• 2.2.2 无线通信模块
• 2.2.3 传感器模块
• 2.2.4 能量供应模块
• 2.3 主要模块电路设计
• 2.3.1 电源模块设计
• 2.3.2 无线通信模块的电路设计
• 2.3.3 串行通信模块电路设计
• 2.3.4 传感器模块与处理器的连接设计
• 2.4 无线传感器网络节点的软件设计
• 2.5 元器件的选型和硬件的搭建与调试
• 2.5.1 电阻与可变电阻器的选择
• 2.5.2 电容的选择
• 2.5.3 二极管与三极管的选择
• 2.5.4 元件安装的基本要求与原则
• 2.5.5 系统安装与调试
• 2.6 小结
• 第三章 无线传感器节点的低功耗研究与设计
• 3.1 低功耗处理对传感器节点硬件设计的意义
• 3.1.1 传感器节点能耗分布
• 3.1.2 传感器节点低功耗处理的必要性
• 3.2 节点的低功耗设计方法及效果
• 3.2.1 通信模块的低功耗设计
• 3.2.2 传感器模块的低功耗设计
• 3.2.3 处理模块低功耗设计
• 3.3 串口通信
• 3.3.1 自动检测C51串行通讯中的波特率
• 3.4 小结
• 第四章 WLAN中IEEE802.11DCF的性能分析
• 4.1 802.11DCF介绍
• 4.2 DCF的性能分析模型
• 4.3 分组传输延迟分析
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 S-MAC协议的改进
• 5.1 S-MAC协议介绍
• 5.2 S-MAC协议性能理论分析
• 5.3 S-MAC协议退避机制分析
• 5.4 ESP-MAC的基本思想
• 5.4.1 如何确定p的选取
• 5.4.2 活动节点数n的估计
• 5.5 仿真验证
• 5.6 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢