一种无线传感器网络系统的分析与设计

论文摘要

无线传感器网络的发展需要三个不同研究领域的技术的融合,包括感知、通信和计算。它将信息的采集、传输和处理融合于一体,形成一个综合的智能信息系统,通过各类集成化的微型传感器节点相互协作进行对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集,这些信息通过无线的方式被发送出去,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。本文设计的温湿度传感器网络,通过广泛分布在监控区域的传感器节点周期性的上传实时数据,实现对监控区域的温湿度实时监控。对于实现智能楼宇,显著的提高居住者的舒适程度,并减少能源消耗具有重要意义。本课题主要工作包括以下几点：1)通过对无线传感器网络的深入研究,简述了传感器网络的特征,现状和发展。进行了系统整体结构方案的设计,系统的基本元素包括三类节点：传感器、中继器、接收器。在物理层设计中,对系统的频段选择和器件的选型进行了讨论,并简要介绍了器件的性能特征。选用MSP430单片机作为处理器,以nRF905射频模块作为无线收发器,以SHT15为传感器,设计网络节点。2)详细的分析和总结了当前无线传感器网络的MAC协议。以MAC协议为切入点,完成了整个网络系统的通信协议设计。在通讯协议设计中,采用了基于时分复用的分簇协议和基于周期性调用相结合的方式。在分簇网络中,信息传输选择单跳机制,简化了协议设计。中继器指定为各分簇的簇头,并且通过中继器的级联,使得数据可以多跳传输,实现了网络的大范围覆盖。通信协议有两类模式：快速路由模式和工作模式。快速路由模式主要是为了加快前期组网速度,弥补在工作模式中组网速度慢的缺点。工作模式主要是收集网络中各传感器节点的数据,此模式也有自组网功能,但是速度相对快速路由模式慢很多。按照本方案设计实现的无线传感器产品已经投入商用,验证了本方案的实用性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络系统概述
• 1.2 无线传感器网络的特征
• 1.3 无线传感器网络的发展与应用
• 1.3.1 无线传感器网络的发展
• 1.3.2 无线传感器的应用现状
• 1.4 论文结构
• 第二章 MAC协议介绍
• 2.1 基于竞争的协议
• 2.1.1 IEEE 802.11 MAC协议
• 2.1.2 S-MAC协议
• 2.1.3 T-MAC协议
• 2.1.4 Sift协议
• 2.2 基于时分复用的MAC协议
• 2.2.1 基于分簇网络的MAC协议
• 2.2.2 基于周期性调度的MAC协议
• 2.3 其他类型的协议
• 2.3.1 SMACS/EAR协议
• 2.3.2 基于CDMA方式的MAC协议
• 2.4 小结
• 第三章 无线传感器网络的分析与设计
• 3.1 需求分析
• 3.2 系统设计分析
• 3.2.1 网络拓扑结构的设计分析
• 3.2.2 无线网络能耗的设计分析
• 3.3 网络设计原则
• 3.4 性能设计目标
• 3.5 物理层的设计及器件选型
• 3.5.1 频率波段的选择
• 3.5.2 节点的组成与核心模块设计
• 3.6 网络协议的设计
• 3.6.1 网络结构
• 3.6.2 协议要素介绍
• 3.7 协议模式说明
• 3.7.1 快速路由模式介绍
• 3.7.2 工作模式介绍
• 3.7.3 自动路由模式
• 3.7.4 设备自行恢复设计
• 3.7.5 数据上传协议设计
• 3.8 小结
• 第四章 结束语
• 4.1 论文工作总结
• 4.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢