基于能量收集技术的无线传感网络研究与设计

摘要

无线传感网络以其应用广泛、方便携带、能耗低等独有的特点，越来越受到人们的关注，但现场节点的供电是一个瓶颈问题。大多数采用电池的系统，更换和维护电池问题较为突出，成为无线传感网络发展道路上的一道技术难题。针对该问题研究了“收集环境能量供电”、“超低功耗”无线传感网络的技术，从收集环境能量供电和节能两个方面给出了较为合理的解决方案。
　　首先研究了无线传感网络的供电问题。针对目前使用化学电池供电的弊端问题，给出了收集环境能量为其供电的思路。接着先简要介绍了环境中易获取的环境能量的特征，然后着重对太阳能、温差能、机械振动能的收集原理及其工作特性分别进行了深入研究，建立了收集环境能量的模型，给出了一种能够同时收集多种环境能量的管理系统的解决方案，解决以往收集某单一环境能量为传感器节点供电不稳定的问题。根据方案设计了能量管理电路，并通过试验论证了该系统的可行性。
　　同时对无线传感网络的总体架构进行了论述，并在此基础上设计了基于传感器节点、汇聚节点、用户系统软件组成的系统框架。其中，传感器节点的设计采用低功耗的MSP430单片机最小系统为核心模块，其符合节点的微型化、低能耗、低成本的要求。而汇聚节点设计成微型嵌入式最小系统，满足了汇聚节点要及时协作、融合节点传送过来的大量的数据以及下传工作任务的要求。另外，软件方面的设计主要包括无线传感网中节点之间的通信程序的设计和无线传感网络协议相关程序的设计，最后采用B/S模式设计了用户系统软件，实现对监测区域的实时监测与管理。
　　最后还重点对无线传感系统网络的相关节能策略进行了研究，首先对无线传感系统对数据的传送和处理的相关节能策略进行了研究与分析，接着对无线传感系统网络的 MAC层协议的研究，并着重分析其超帧结构、GT S机制，然后在此基础上引入占空比分析其网络的能耗和时延问题，给出一种自适应占空比方案，并仿真实验了该方案，最后针对传统 LEACH协议簇树路由存在的一些问题，给出了一种 LE AC H协议簇头选举以及簇形成的改进算法，通过仿真实验验证了该算法的可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究动态及发展趋势

1.3 本文的主要研究内容

1.4 论文的内容安排

第2章 无线传感器网供电问题研究

2.1 环境能量在无线传感器网中的应用

2.2 环境能量收集器的原理及其特性

2.3 环境能量管理系统模型

2.4环境能量管理系统设计方案

2.5小结

第3章 无线传感网节点硬件设计

3.1 无线传感网络结构

3.2 传感器节点设计

3.3 汇聚节点设计

3.4 本章小结

第4章 无线传感网软件设计

4.1 硬件驱动程序设计

4.2 无线传感网络协议设计

4.3 用户系统软件的设计

4.4 本章小结

第5章 无线传感网相关节能策略

5.1 无线传感网的能耗分析

5.2 无线传感网络的节能技术相关研究

5.3 无线传感器网络MAC协议相关研究

5.4 基于LEACH的簇树网络路由协议研究

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附录