面向节能的无线传感器网络跨层协议研究与实现

【摘要】：无线传感器网络综合了传感器技术、网络技术、无线通信技术和微机电系统技术,是当前国际上备受关注的、由多学科交叉的一个热点领域。由于传感器节点通常运行在工作人员无法接近的恶劣环境中,能源不能更换,所以节点从软件到硬件的设计,从部署到运行都要把能量消耗作为重要的问题来考虑 目前对无线传感器网络的节能研究大多是基于分层结构,这种分层结构下的节能研究大都是局部的优化,存在较大的局限性,难以达到更好的延长网络生存期的结果。因为能量贯穿于无线传感器网络协议栈的各层,是一个跨层的问题,所以在考虑无线传感器网络的能量优化时,必须对各层的能量消耗进行综合优化,从而达到网络节能最大化的目的。 本文首先分析了无线传感器网络跨层设计的必要性、设计原则与方法,探讨了协议栈各层对跨层的需求并对具有代表性的节能无线传感器网络协议进行分析。其次针对分簇间的冲突问题,提出基于TDMA时隙优化的分簇跨层路由协议,通过优化簇头选择算法和建立优化的TDMA时隙分配表来构建该节能算法,并使用MATLAB能量建模仿真进行LEACH算法与跨层算法性能的对比,仿真表明跨层算法具有更好的能耗特性。然后针对以CYRF7936为射频模块,Atmega128L为MCU的无线传感器网络节能跨层协议测试验证平台进行软件方案设计,设计的主要内容有射频芯片CYRF7936的SPI驱动程序,射频芯片CYRF7936的应用程序,中断程序以及节能跨层协议程序。最后使用TOSSIM仿真工具对基于跨层协议运行的网络拓扑结构和路由建立进行了仿真。 【关键词】：无线传感器网络 跨层协议 TOSSIM CYRF7936 节能
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-11
• 1.1 课题研究的背景和意义7-8
• 1.2 WSN 跨层协议设计的研究现状8-9
• 1.3 本文所做工作以及论文安排9-11
• 第二章 跨层协议设计综述11-19
• 2.1 跨层设计的必要性和设计原则11-13
• 2.2 跨层设计的一般方法13-15
• 2.3 协议栈各层对跨层设计的需求15-16
• 2.3.1 物理层对跨层的需求15-16
• 2.3.2 MAC 层对跨层的需求16
• 2.3.3 网络层对跨层的需求16
• 2.3.4 应用层对跨层的需求16
• 2.4 跨层设计面临的问题和发展方向16-17
• 2.5 本章小结17-19
• 第三章 节能无线传感器网络协议分析19-31
• 3.1 传感器网络能量分析概述19-20
• 3.2 MAC 层节能协议分析20-25
• 3.2.1 基于竞争的MAC 协议20-22
• 3.2.2 基于调度的MAC 协议22-23
• 3.2.3 混合类型的MAC 协议23-25
• 3.3 网络层节能协议分析25-28
• 3.3.1 平面路由协议25-26
• 3.3.2 层次路由协议26-28
• 3.4 本章小结28-31
• 第四章 节能跨层协议优化设计31-45
• 4.1 跨层协议设计目标31
• 4.2 跨层协议优化问题分析31-32
• 4.3 跨层协议方案框架32
• 4.4 跨层算法分析32-41
• 4.4.1 路由机制选择33-35
• 4.4.2 分簇间的冲突模型35
• 4.4.3 簇间冲突解决方法35-36
• 4.4.4 结合TDMA 的分簇路由优化算法设计36-41
• 4.5 能量模块建模41-42
• 4.6 MATLAB 模拟结论分析42-44
• 4.7 本章小结44-45
• 第五章 节能跨层协议验证平台设计45-69
• 5.1 节能跨层协议验证平台方案框架45
• 5.2 实验测试硬件平台构成45-47
• 5.2.1 平台主体硬件电路图45-46
• 5.2.2 低功耗控制器选择——Atmega128L46-47
• 5.2.3 低功耗射频芯片选择——CYRF793647
• 5.3 实验测试平台软件设计47-67
• 5.3.1 软件开发环境48-49
• 5.3.2 CYRF7936 工作流程49-50
• 5.3.3 SPI 驱动程序设计50-53
• 5.3.4 数据收发程序设计53-57
• 5.3.5 中断处理程序设计57-59
• 5.3.6 节能跨层协议nesC 设计实现59-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-76

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