无线传感器网络节能及功率控制的设计与实现

摘要

近年来，无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)以其十分重要的科研价值和实用价值，引起了国内外研究机构和政府组织的广泛关注，被列为21世纪最有影响的技术之一。在生态环境监测、森林火灾监测等传感器网络的诸多应用中，节点部署规模大，电池供电能量受限且环境约束等众多因素导致更换电池非常困难，因此，节能是无线传感器网络设计最为关键的技术之一。此外，节点密集部署造成数据包碰撞的概率增大，误码率增加，节点间通信效率降低，影响网络的吞吐量和连通性，因此设计高效优化的无线传感器网络功率控制机制对保证网络覆盖、降低节点功耗、优化网络性能具有重要意义。 本论文依托于国家自然科学基金项目“可信传感器网络路由交换理论与关键技术”，设计并实现了无线传感器网络的节能与功率控制方案，有效地延长了无线传感器网络的生存时间，提高了网络整体性能。 本文首先论述了无线传感器网络节能和功率控制技术的研究背景以及国内外研究现状，然后在遵循节点协议栈的基础上，考虑无线传感器网络的特点并结合实际硬件开发环境，设计和实现了节能与功率控制方案。节能部分是在研究节能方法以及分析传感器节点各模块的能耗基础上，精简器件，运用MCU(Micro Controller Unit)的分频及休眠来实现单个节点较长时间休眠，并通过一种网络同步机制，实现整个网络的同步休眠，延长网络的生存时间。功率控制部分是在深入分析Ad Hoe网络与无线传感器网络功率控制机制的基础上，设计了一种借助路由协议的MAC(Media Access Control)层功率控制机制，该机制根据节点问距离的不同来确定数据通信的最优发射功率，并建立地址功率映射表，在数据传输时可以根据下一跳地址来调整自身发射功率。最后，通过搭建实验系统、进行实验数据测试、分析，验证了节能和功率控制方案的可行性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景

1.2国内外研究现状

1.3选题的意义

1.4主要工作和论文结构

2 无线传感器网络体系结构

2.1无线传感器网络结构

2.2微型传感路由器硬件结构

2.3无线传感器网络节点协议栈

2.3.1微型传感路由器协议栈体系

2.3.2 IEEE802.1 5.4MAC层规范

2.3.3微型传感路由协议MSRP

3 无线传感器网络节能的设计与实现

3.1 无线传感器网络节点的节能

3.1.1无线传感器网络节能方法研究

3.1.2无线传感器网络节点的耗能分析

3.1.3无线传感器网络单个节点的休眠设计与实现

3.2无线传感器网络同步休眠机制设计

3.3无线传感器网络节点同步休眠实现流程

3.3.1协调者代码实现流程

3.3.2续传节点代码实现流程

3.3.3监听节点代码实现流程

4 无线传感器网络功率控制的设计与实现

4.1 无线传感器网络功率控制机制的研究

4.1.1网络层功率控制

4.1.2链路层功率控制

4.1.3混合功率控制

4.2无线传感器网络功率控制方案的设计

4.2.1无线传感器网络功率控制的理论依据

4.2.2无线传感器网络功率控制方案的设计

4.3无线传感器网络功率控制的实现

4.3.1 CC2420发射功率相关参数

4.3.2节点功率控制机制实现

5 测试与性能分析

5.1传感器网络同步休眠的测试与性能分析

5.1.1续传节点加入网络

5.1.2监听节点通过续传节点加入网络

5.1.3网络的同步休眠

5.2无线传感器网络功率控制的测试与性能分析

6 总结与展望

6.1 总结

6.2展望

参考文献

作者简历