基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络高效传输方法研究

摘要

无线传感器网络具有分布式、自组织、扩展性强、部署方便灵活的特点，可有效弥补传统有限监测系统在封闭、大位移、旋转等特殊运用场合的不足，在机械振动监测领域有着巨大的运用前景。机械振动信号微弱，频带宽，需要节点进行高频高精度采集，这会在短时间产生大量的振动数据，且无线传感器网络中存在大量部署节点，这必然对网络传输信道带来巨大的挑战。传统的基于 IEEE 802.15.4 协议（ZigBee）的机械振动无线传感器网络传输速率低，信道窄，会导致传输时间过长传输能耗过高的问题，多节点传输造成的信道拥塞会进一步增大传输能耗，不适用于节点能量有限的机械振动无线传感器网络监测运用。　　对于当前机械振动无线传感器网络存在的传输能耗问题，本文进行了基于IEEE 802.11协议（WiFi）的低能耗高效传输方法研究，主要工作内容如下：　　① 针对目前机械振动无线传感器网络节点无线信道窄、通信效率低的问题，提出一种支持IEEE 802.11协议的双核心架构节点设计方法，为大量数据的低能耗高效传输提供协硬件支持。首先，通过双核心架构设计降低采集任务和网络维护的耦合性，并进行双核心的跨层同步硬件设计；其次，设计无线模块的驱动电路，验证其低功耗网络维护性能；接着，通过多路电源管理降低节点能耗；然后，设计采集前端的 IEPE 驱动、滤波和差分电路，提升信号抗干扰性；最后，采用24 bits SAR ADC保证采集精度和采样频率，并使用SD进行大量振动数据的可靠存储。　　② 针对国内外的IEEE 802.11协议的同步和自组织等研究中较少考虑模块功耗和尺寸，不适用于底层协议较为固定的低功耗小型化无线模块的问题，提出一种基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络协议栈设计方法，为大量数据的低能耗高效传输提供协议栈支持。首先，进行协议栈架构设计；其次，开发自组网、采集控制、数据传输、网络节点运行状态上报等功能；然后，使用UDP广播和硬件跨层方法对多节点采集触发精度进行优化；最后，通过低功耗网络维护设计，解决协议功耗较高的问题。　　③ 针对机械振动无线传感器网络的多节点和多段链路传输、传输效率受限、传输能耗高的问题，提出一种数据分块的空间并行化传输时序调度方法。首先，通过链路反馈和超时重传机制，提升多段链路传输可靠性；其次，使用多段链路并行化的数据分块传输方法，解决多段链路通信效率过低的问题，并在多节点传输中使用集中轮转传输时序调度方法，降低节点间发包干扰；然后，基于传输链路中各阶段的传输特性，进行多阶段数据分块的传输和能耗优化方法设计，合理划分数据包大小，提升效率降低能耗；最后，将多段链路传输、多阶段分块、多节点调度进行综合优化设计，进行多节点空间并行化调度，提升多段链路传输速率和多节点调度效率，更充分的发挥高带宽通信网络的优势。　　文章最后对本论文的工作内容进行总结，并对后续的研究方向进行展望。

目录

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究意义

1.3 机械振动无线传感器网络高效传输研究现状

1.4 论文的主要工作和内容安排

2基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络节点硬件设计

2.1 引言

2.2 支持IEEE 802.11协议的双核心架构

2.3 节点硬件设计

① 多路电源管理

② 无线模块驱动电路

④ 信号采集前端

⑤ 高精度ADC 和高速数据存储

2.4 采集节点采集精度测试

2.5 本章小结

3基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络协议栈设计

3.1 引言

3.2 协议栈总体架构

3.3.1 自组网功能实现

3.3.2 多节点采集功能实现

3.3.3 数据传输功能实现

3.3.4 节点运行状态上报实现

3.3.5 节点低功耗网络维护实现

3.4 无线传感器网络功能测试

3.5 本章小结

4基于IEEE 802.11协议的数据低能耗高效传输方法

4.1 引言

4.2 多段链路的数据可靠传输

4.3.1 多段链路的并行化数据分块传输方法

4.3.2 并行的集中轮转传输时序调度方法

4.4 多阶段数据分块的传输和能耗优化方法

4.5.1 分块优化的并行传输方法

4.5.2 分块优化的空间并行化轮转传输时序调度方法

4.6.1 单节点的传输性能测试

4.6.2 多节点的传输性能测试

4.7 本章小结

5基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络监测系统集成

5.1 引言

5.2.1 系统需求分析

5.2.2 系统总体架构

5.3 系统硬件平台

5.4 系统软件设计

5.5实验和验证

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续研究展望

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B．作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢