面向事件驱动型应用的无线传感器网络关键技术研究

摘要

事件驱动型应用是无线传感器网络的核心应用场景之一，在工业控制、结构健康和生态环境等领域发挥重要作用。本文以铁路桥梁结构健康为具体场景，对事件驱动型无线传感器网络进行研究。该领域关键技术包含高性能结构健康监测传感器、传感器微型化、嵌入式网络系统、集成电路和事件行为建模等。本文从嵌入式网络系统方向开展研究工作。 首先，影响铁路桥梁结构健康的行驶列车具有随机性和稀少性特点，与传感器节点能量限制和感知模块高功耗因素共同决定了事件驱动型无线传感器网络面临低功耗感知技术挑战。其次，桥梁上并非时刻都有列车经过，事件稀少性导致网络长期空闲。加之传感器通信模块高能耗因素共同决定了低功耗通信技术挑战。第三，列车到达桥梁时网络流量突发性及数据多样化决定了事件驱动型无线传感器网络面临高可靠数据传输技术挑战。 针对以上三方面技术挑战，本文主要研究工作和贡献如下： （1）提出一种具有按需感知与通信的传感器节点。在传统无线传感器节点基础上增加按需连接单元，此单元具有被动事件感知功能和电源控制功能。被动事件感知用于零功耗实时监测感兴趣事件的存在性。电源控制负责只有在感兴趣事件到来时激活节点进行感知和通信。空闲时段电源断开连接避免能量浪费。所提出的新型节点完全消除传感器无用环境采样与收发机的冗余唤醒，从而大幅度降低感知能耗和无线通信能耗。 （2）设计适用于铁路桥梁结构健康应用的按需监测电路。在所提出的新型节点基础上，进行具体电路设计研究。利用无源器件构建振动探测器，进行实时的列车感知。同时对列车振动进行能量采集，将其转化为电能激活传感器节点进行按需桥梁状态采样。研究设计无源自适应关闭控制电路，满足不同节点采样与通信的多样化需求。建立理论能耗分析模型并与相关设计方案进行对比，结果表明所提出的方案在性能上有较大改善。 （3）改进传统分布式拥塞避免媒体接入控制。基于队列长度进行载波侦听多路访问的竞争窗自适应调节，并结合随机前导间隔机制，实现铁路桥梁结构健康监测应用中高数据量节点的优先传输，从而缓解网络拥塞；基于缓存限制的批量传输机制避免接收节点缓存溢出，保证通信可靠性。通过以上机制，实现列车到来时突发流量的分布式拥塞避免接入控制。 （4）设计基于跨层优化的时域频域复用调度机制。建立基于组合数学理论和概率论的频时域理论模型，定量分析突发流量情况下节点个体及全局网络拥塞状况，以及多跳数据传输延时。在此理论基础上，结合动态跳频技术和分布式最佳组合算法，实现频域范围内拥塞避免。利用跨层信息和时分复用技术，实现时域范围内的资源优化及低延时多跳数据传输。最终实现多跳节点的高可靠数据传输。

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博士毕业论文-答辩后修改版(定稿)