无线传感器网络汇聚节点可靠性研究

论文摘要

无线传感器网络(WSN)是当前国内外传感器技术领域的热点研究课题,在军事和民用领域有着非常广阔的应用前景。可靠性是网络性能的一个重要指标,在对可靠性要求较高的应用领域,确保网络的可靠性尤为重要。目前国内外关于WSN可靠性研究的成果较多,但是主要从网络拓扑、可靠协议和应用层故障纠错等方面提高网络可靠性,从网络底层设备考虑可靠性的较少。节点是网络的基本组成单元,其可靠性是保证网络可靠运行的前提,而汇聚节点作为网络的中间路由设备,其可靠性直接关系到数据能否可靠传输至用户,因此研究汇聚节点可靠性模型、提高汇聚节点数据传输可靠性是十分必要的。实际应用中大多采用层次化WSN,本文分析了层次化网络基本结构及特点,总结了节点故障源,在此基础上提出提高汇聚节点可靠性的方法,即借鉴提高机械可靠性的备件措施,结合对常用软故障采取的重发机制,从硬件和软件两个方面提高汇聚节点可靠性,并对该方法所涉及到的影响节点可靠性的重要参数进行定性分析,建立可靠性泛函模型。运用Markov状态图及概率分析方法,定量分析备件数与重发次数对可靠性的影响,建立重发次数与通信时间及能耗之间的量化关系,并以应用于电力系统中WSN为例,对汇聚节点的可靠性模型进行求解,得到最佳备件数及重发次数。根据最佳模型参数,应用MSP430系列超低功耗单片机MSP430F135和支持IEEE802.15.4协议的CC2420、CC2420无线收发芯片实现汇聚节点的硬件设计,并结合已有的传感器节点搭建汇聚节点可靠性测试平台,对汇聚节点及传感器节点进行软件设计。在确保硬件和软件正常工作的前提下对本课题研究节点和一般汇聚节点的可靠性做对比实验,具体研究三个方面,即障碍物干扰、传输距离和发射功率对汇聚节点可靠性的影响,通过分析各实验中节点LQI变化规律和LQI统计均值得出可靠性测试结果。实验结果表明,与一般汇聚节点相比,本课题研究的汇聚节点在一定程度上可以避免通信链路的瞬时故障,抗干扰能力强;在通信距离较长或发射功率较低的情况下,具有更大的数据包接收率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 国内外无线传感器网络研究现状
• 1.2.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络可靠性问题
• 1.3.1 国内外无线传感器网络可靠性研究现状
• 1.3.2 无线传感器网络可靠性研究尚存问题
• 1.4 本文工作及论文组织结构
• 第二章 WSN汇聚节点可靠性模型
• 2.1 层次化WSN基本结构及特点
• 2.1.1 层次化WSN基本结构
• 2.1.2 网络特点
• 2.2 节点故障源分析
• 2.3 汇聚节点可靠性模型
• 2.4 模型定量分析
• 2.4.1 可靠性分析
• 2.4.2 重发次数分析
• 2.5 实例仿真分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 汇聚节点可靠性设计硬件实现
• 3.1 汇聚节点硬件设计要求
• 3.2 节点系统结构框图
• 3.3 关键器件选型
• 3.3.1 主模块处理器芯片及无线收发芯片
• 3.3.2 备用模块处理器芯片及无线收发芯片
• 3.4 节点硬件电路设计
• 3.4.1 主处理器外围核心电路
• 3.4.2 主处理器通信接口电路
• 3.4.3 调试接口电路
• 3.4.4 显示电路
• 3.5 PCB抗干扰措施
• 3.6 本章小结
• 第四章 可靠性实验平台软件设计
• 4.1 基于时槽的网络数据传输策略
• 4.2 无线传感器网络协议栈设计
• 4.2.1 物理层（PHY）、MAC层设计
• 4.2.2 应用层（APL）设计
• 4.3 无线通信流程设计
• 4.3.1 子网内通信流程
• 4.3.2 子网间通信流程
• 4.4 汇聚节点工作流程设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验平台调试与实验研究
• 5.1 实验平台调试
• 5.1.1 硬件调试
• 5.1.2 软件调试
• 5.2 可靠性实验研究与分析
• 5.2.1 障碍物干扰
• 5.2.2 传输距离
• 5.2.3 发射功率
• 5.3 实验结果总体评价
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文