无线传感器网络低功耗节点设计与实现

摘要

无线传感器网络由大量部署于特定区域的节点构成，可用于对特定环境的监测与控制。节点间以相互协作的方式完成组建网络，传输信息等功能。无线传感器网络可广泛地应用于军事，医疗，农业等领域，具有很高的研究与应用价值。无线传感器网络节点体积较小，无法配备大容量电池，而网络中往往存在随机分布大量节点，且网络可能被部署于难以接近的地区，这对节点能耗提出了巨大的挑战。能量受限是无线传感器网络设计中应优先考虑的问题。
　　本文依托国家科技重大专项“基于IPv6的无线传感器网的网络协议研发及验证”，设计低功耗无线传感器网络节点供项目使用。
　　文章首先从硬件及软件两方面研究无线传感器网络架构，硬件方面分析各模块作用及可选技术方案，软件方面研究无线传感器网络协议栈及项目中使用到的主要协议，并对无线传感器网络操作系统进行分析与对比。在前文硬件模块划分的基础上，提出节点设计的原则与需求，并根据需求进行硬件芯片对比与选型，以模块化方式设计并实现具有硬件低功耗特性的无线传感器网络节点平台MSN-213。随后本文在MSN-213平台上设计低功耗软件，结合Contiki OS两级优先级进程调度机制，设计并实现微处理器模块的动态电压调度机制，通过改变微处理器模块运行状态与频率动态实现节约能耗。并在Contiki MAC的基础上，设计射频模块动态休眠-唤醒频率调节机制，使MAC层动态适应当前网络状态，调整休眠-唤醒频率，并基于所选型的射频模块芯片AT86RF231进行实现。
　　最后，在实验室环境下搭建平台，对节点软硬件进行实际测试。测试结果表明:本文所设计的MSN-213无线传感器网络节点平台可以完成自组织网络组建，IPv6地址分配及传感数据采集发送等功能。节点硬件具有低功耗特性，且通过动态电压调度机制及自适应休眠-唤醒频率调节机制优化，节点能耗进一步降低，可降低至未优化前的1/5。实验结果证明本文设计的低功功耗无线传感器网络节点达到设计目标，性能良好。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 目的与意义

1．3 国内外现状

1．4 工作及结构安排

2 无线传感器网络体系架构研究

2．1 无线传感器网络体系架构概述

2．2 无线传感器网络节点硬件架构

2．2．1 微处理器模块

2．2．2 射频模块

2．2．3 传感模块

2．2．4 能量管理模块

2．3 无线传感器网络节点软件架构

2．3．1 无线传感器网络协议栈

2．3．2 无线传感器网络操作系统

2．4 本章小结

3 低功耗节点硬件设计与实现

3．1 低功耗节点硬件设计

3．1．1 节点设计原则与需求

3．1．2 低功节点芯片选型

3．2 低功耗节点硬件实现

3．2．1 微处理器模块实现

3．2．2 射频模块实现

3．2．3 传感模块实现

3．2．4 能量管理模块实现

3．2．5 其他模块实现

3．2．6 节点整体实现

3．3 本章小结

4 低功耗节点软件设计与实现

4．1 低功耗节点软件设计

4．1．1 低功耗节点物理层设计

4．1．2 低功耗MAC层协议研究

4．1．3 基于Contiki MAC的低功耗MAC层协议设计

4．2 低功耗节点软件实现

4．2．1 Contiki OS操作系统移植与配置

4．2．2 低功耗节点物理层实现

4．2．3 基于Contiki MAC的低功耗MAC层协议实现

4．3 本章小结

5 低功耗节点测试

5．1 节点功能测试

5．1．1 网络组网测试

5．1．2 传感器数据采集测试

5．2 节点低功耗性能测试

5．2．1 物理层节能机制性能测试

5．2．2 基于Contiki MAC的低功耗MAC层协议性能测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集