無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式。它不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其能量受限制，而且該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般被布置在高危區(qū)域或無(wú)人值守區(qū)域，供電電

2、池在電能耗盡后無(wú)法更換，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)。因此，能量的高效性成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)首要的性能指標(biāo)。 本文圍繞實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，主要開展了以下幾方面的研究： 1)研究分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗實(shí)現(xiàn)途徑，并論述了各技術(shù)目前所面臨的問題。目前在該研究領(lǐng)域中，主要有5種低功耗技術(shù)分別是構(gòu)建低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；利用MAC層協(xié)議調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)制，降低節(jié)點(diǎn)能量消耗；利用路由層協(xié)議實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡消耗

3、；通過在數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)融合，減少數(shù)據(jù)冗余達(dá)到減少能量消耗的目的；利用功率控制技術(shù)減少節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的能量消耗?？墒怯捎谠跓o(wú)線通信模塊上的耗能，MAC層協(xié)議缺少自適應(yīng)調(diào)整占空比，在路由協(xié)議中缺少多路徑機(jī)制等瓶頸限制了這些技術(shù)的發(fā)展，本文基于這些問題做了些有益的探索。 2)節(jié)點(diǎn)是構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)，WSN中的節(jié)點(diǎn)由于能量受限，往往不能長(zhǎng)時(shí)間地在無(wú)人區(qū)域完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，無(wú)法滿足應(yīng)用需求。鑒于此，本文提出了以MSP430

4、系列單片機(jī)和CC1100無(wú)線通信芯片分別作為節(jié)點(diǎn)的處理器模塊和無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)方案，制作完成了基于此方案的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和組網(wǎng)的無(wú)線通信，最后分析計(jì)算了節(jié)點(diǎn)的生存期，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)能夠在2節(jié)AA電池供電的條件下保持較長(zhǎng)的工作時(shí)間； 3)針對(duì)MAC層上S—MAC協(xié)議不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量自適應(yīng)調(diào)整占空比的缺陷，本文提出了根據(jù)平均重傳次數(shù)判斷網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量大小，調(diào)整占空比的ADC—MAC協(xié)議

5、，并通過在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在不犧牲網(wǎng)絡(luò)中各性能指標(biāo)的前提下，ADC—MAC協(xié)議能有效地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量調(diào)節(jié)占空比，在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量較大時(shí)，大大降低了數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)延，平均減少了100秒左右的時(shí)間；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量較輕時(shí)，由于減少了偵聽時(shí)間的占空比，減少了空閑狀態(tài)下的能量消耗，平均減少了相當(dāng)于采用S—MAC和A—SMAC時(shí)消耗能量的20％左右； 4)針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中路由層上協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中只利用一條路徑進(jìn)

6、行傳輸，無(wú)法均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的問題，本文在．ESDSR路徑生存期的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了能量多路徑路由協(xié)議，在該協(xié)議中利用排除法和平均法對(duì)可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中路徑的切換，從而保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量均衡消耗，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量較小的情況下延長(zhǎng)了1倍； 本文主要研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低功耗的節(jié)能技術(shù)，針對(duì)節(jié)點(diǎn)物理層，MAC層和網(wǎng)絡(luò)層三個(gè)方面中的節(jié)能方法和協(xié)議提出了改進(jìn)，并