基于TinyOS的无线传感器网络簇内MAC协议设计

摘要

随着计算机、通信、传感器、集成电路等各行业的技术发展,“物联网”的概念越来越频繁地出现在人们的视野之中。传感器与无线网络技术的结合极大地拓展了传感器的应用范围,无线传感器网络节点的硬件配置比较简单,一般只有射频发射模块、控制器以及少量的存储单元,能量、计算和存储资源都非常有限,而无线传感器网络的应用环境多种多样,目前还没有哪种协议能够完全适合所有的应用环境。对于特定的环境,为高效、节能的实现功能,需要根据具体情况分析、开发、改进协议,并对协议的实现代码提出体积小、效率高的要求。本文针对分簇的无线传感器网络,提出一种在簇内使用的结合了基于竞争型的S-MAC协议的不严格时间同步和基于预分配型协议的低功耗侦听机制的I-MAC协议,其由簇头分配无线信道资源减少了信道上的竞争,低功耗侦听节省了节点的能耗。协议的实现选择了TinyOS软件环境和CC2430硬件节点。开源的TinyOS是针对无线传感器网络的操作系统,它在设计之初便考虑到无线传感器网络节点的硬件特性,使用了专门开发的nesC语言,编译产生的代码体积小,基于组件的架构方式目的在于方便应用程序的开发和系统对硬件平台支持的扩展性,随着学习、研究、应用TinyOS的使用者的增多,它的前景值得期待。文中提出的I-MAC应用于CC2430节点平台,实现了预定的通信目标,并在NS2中仿真,结果显示在网络规模较小的情况下,由于同步唤醒、低功耗侦听相结合及簇头优先的设计,I-MAC的性能要优于经典的S-MAC协议,是一种针对小规模网络的较好的MAC协议。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 本文研究的背景及意义

1.2 WSN 的MAC 协议研究及现状

1.3 WSN 项目

1.4 TinyOS 系统

1.5 本文的主要工作

1.6 本文的结构

第二章 无线传感器网络及 MAC 协议

2.1 无线传感器网络简介

2.2 WSN 与Ad hoc

2.3 WSN 主要MAC 协议简介

2.3.1 基于预分配方式MAC 协议

2.3.2 基于随机竞争方式MAC 协议

2.3.3 其他MAC 协议

2.4 本章小结

第三章 改进的无线传感器网络簇内 MAC 协议

3.1 协议设计背景

3.2 协议设计思路和使用的机制

3.2.1 低功耗侦听机制(LPL)

3.2.2 簇头优先机制

3.2.3 信道竞争机制

3.2.4 前导/应答(Preamble/Ack)握手机制

3.2.5 周期性休眠机制

3.3 协议总体设计

3.4 本章小结

第四章 TinyOS 及 CC2430

4.1 无线传感器网络的操作系统介绍

4.1.1 MANTIS 操作系统

4.1.2 SOS 操作系统

4.1.3 其他操作系统

4.2 TinyOS 操作系统

4.2.1 TinyOS 体系架构

4.2.2 TinyOS 组件模型

4.2.3 事件驱动

4.2.4 轻量级线程和调度机制

4.2.5 主动消息与并发模型

4.2.6 内存分配与能量管理

4.2.7 TinyOS 与MANTIS OS、SOS

4.3 CC2430 与TinyOS

4.3.1 CC2430 节点

4.3.2 CC2430 中TinyOS 的应用

4.4 本章小结

第五章 协议在 TinyOS 中的实现

5.1 nesC 语言

5.1.1 nesC 语言基本概念

5.1.2 接口、组件

5.1.3 nesC 并发模型及竞争检测

5.2 协议实现

5.3 NS2 与仿真

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

致谢

附录

上海交通大学学位论文答辩决议书