無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗設(shè)計與研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(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)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(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)點一般被布置在高危區(qū)域或無人值守區(qū)域，供電電

2、池在電能耗盡后無法更換，導致節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)。因此，能量的高效性成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首要的性能指標。 本文圍繞實現(xiàn)低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標，主要開展了以下幾方面的研究： 1)研究分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗實現(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)建低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；利用MAC層協(xié)議調(diào)節(jié)節(jié)點的工作機制，降低節(jié)點能量消耗；利用路由層協(xié)議實現(xiàn)整個無線傳感器網(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)冗余達到減少能量消耗的目的；利用功率控制技術(shù)減少節(jié)點無線通信模塊的能量消耗?？墒怯捎谠跓o線通信模塊上的耗能，MAC層協(xié)議缺少自適應調(diào)整占空比，在路由協(xié)議中缺少多路徑機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)點是構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)，WSN中的節(jié)點由于能量受限，往往不能長時間地在無人區(qū)域完成監(jiān)測任務(wù)，無法滿足應用需求。鑒于此，本文提出了以MSP430

4、系列單片機和CC1100無線通信芯片分別作為節(jié)點的處理器模塊和無線通信模塊的設(shè)計方案，制作完成了基于此方案的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)了節(jié)點間點對點和組網(wǎng)的無線通信，最后分析計算了節(jié)點的生存期，結(jié)果表明本文設(shè)計的節(jié)點能夠在2節(jié)AA電池供電的條件下保持較長的工作時間； 3)針對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)境中進行仿真實驗，驗證了在不犧牲網(wǎng)絡(luò)中各性能指標的前提下，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，大大降低了數(shù)據(jù)收發(fā)的時延，平均減少了100秒左右的時間；當網(wǎng)絡(luò)負載流量較輕時，由于減少了偵聽時間的占空比，減少了空閑狀態(tài)下的能量消耗，平均減少了相當于采用S—MAC和A—SMAC時消耗能量的20％左右； 4)針對傳統(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

6、行傳輸，無法均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的問題，本文在．ESDSR路徑生存期的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，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可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行了處理，實現(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)點能量均衡消耗，使整個網(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了1倍； 本文主要研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低功耗的節(jié)能技術(shù)，針對節(jié)點物理層，MAC層和網(wǎng)絡(luò)層三個方面中的節(jié)能方法和協(xié)議提出了改進，并