Mesh网络路由器算法在WSN分布式采集中的优化

摘要

获取青藏铁路沿线冻土区域路基的地温，一直是相关工作人员的基础工作，但长期以来主要采用传统的人工观测方式，这种观测方式容易受恶劣环境的影响，数据的准确性差，实时性无法得到保证。
　　本文背景项目是青藏铁路北麓河路堑段星云测控WSN分布式地温监测系统，系统采用基于WSN技术的节点将其分布在长约2公里、宽约1公里且起伏不平无法通视的25个点位37个测孔的冻土进行监测，利用自组网技术和高精度多路数据采集技术，汇集到基于Android的分中心（网关）。由于前期节点采用原ZigBee路由协议，其记忆的失效节点判决机制经常将暂时无法连接的节点判决为永久失效节点而加以排除，而受行车遮挡和天气等因素影响，节点暂时无法入网的情况无法避免，从而导致在经过一段时间的运行后，能够入网节点的数量越来越少。
　　本文根据系统的实际应用情况对发现的路由问题给出了相应的解决方案。首先介绍了WSN分布式采集系统的总体设计框架，并对系统的各个组成部分及工作过程进行了简要的描述。针对WSN采集系统所采用的ZigBee协议只支持终端节点的休眠机制而路由节点需要始终保持在工作的模式，无法满足系统长期监测的低功耗要求以及节点入网率不高、路由信息不完善的现状，本文重点研究了ZigBee路由算法、WSN网络的休眠唤醒机制等，设计实现了一种分层唤醒、逐层入网的网络唤醒和路由建立机制，采用定时芯片和定时器中断的方法对链路节点的工作模式进行切换，实现了路由节点的休眠与定时唤醒的软硬件设计，解决了路由节点不能休眠的问题，降低了网络的耗能。针对传感器节点入网不全和路由维护的问题，采用了基于关联表的路由优化方法，解决了路由不稳定造成的数据采集不完整的问题。针对网络节点的关联情况不直观的缺陷，采用了基于邻居表的方法对网络的路由信息和节点关系进行获取，使网络节点的管理和路由的分析更加方便。
　　本文围绕着ZigBee协议的路由算法展开了深入的理论研究并经过了实践的检验，提高了网络的稳定性降低了功耗，具有一定的现实意义和应用价值。经改进后的路由算法在青藏铁路北麓河路堑试验段的一年运行表明，与以前的路由算法相比节点入网率提高5倍以上。

目录

摘要

1 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 课题研究意义

1．1．3 ZigBee相关应用

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 WSN发展趋势

1．3 论文主要内容与结构

1．3．1 论文主要内容

1．3．2 论文结构安排

2 WSN监测系统中的路由问题

2．1 WSN监测系统介绍

2．1．1 WSN系统总体框架

2．1．2 Mesh拓扑选择依据

2．2 WSN路由节点硬件设计

2．2．1 节点电源电路设计

2．2．2 AD与模拟开关等单元的供电设计

2．2．3 通道切换电路设计

2．2．4 AD转换电路

2．3 路由规划方案

2．3．1 现场环境介绍

2．3．2 路由规划原则与设计

2．4 问题的提出与分析

2．5 本章小结

3 Zstack路由算法分析与优化

3．1 路由地址分配机制

3．2 路由深度测试

3．3 Zstack中的AODV路由算法

3．3．1 算法基本原理

3．3．2 路由控制分组

3．3．3 AODV算法评价

3．4 AODVjr算法

3．5 路由休眠算法设计

3．5．1 协调器休眠与定时唤醒实现

3．5．2 路由节点的休眠实现

3．6 路由维护优化方案

3．6．1 基于删除过期关联表的路由维护方案

3．6．2 孤儿节点重新路由方案

3．7 本章小结

4 路由及拓扑信息获取的应用层协议实现

4．1 基础路由信息获取

4．2 路由信息分析

4．3 邻居信息的上报

4．4 路由信息上报程序设计

4．5 本章小结

5 试验数据分析

5．1 路由休眠试验数据分析

5．2 路由维护试验数据分析

5．3 邻居路由信息获取验证

5．4 本章小结

6 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

硕士学位期间发表的论文

致谢

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