自组织无线传感器网络设计研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.15MB 55 页 15积分

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摘要

由传感器、无线通信和网络三大技术融合而形成的传感器网络是一种全新的

信息获取和处理技术。而无线传感器网络是计算机科学和通信技术的一个新的研

究领域，由于其广阔的应用前景，近年来受到了越来越多的关注，各种面向具体

应用的无线传感器网络路由协议应运而生。无线传感器网络由大量微型传感器节

点组成，且这种微型传感器节点能量有限而且一旦布设后不再更换，因此能量是

无线传感器节点最重要的资源，它直接关系着网络的使用寿命，所以节能问题成

为研究无线传感器网络一个主要的目标。

本系统在器件选择和软件设计方面，重点考虑了无线传感器网络的低功耗要

求，通过处理器模块的低功耗模式和通信模块的休眠功能的使用，以及对应的软

件设计等方法，尽可能地降低传感器节点的功耗，延长其使用寿命。

论文首先介绍了无线传感器网络的研究背景、应用价值及国内外研究现状，

分析了无线传感器网络的特点，然后在此基础上设计了实验平台。在硬件方面，

系统主要选择了低功耗器件 MSP430F449、CC1100、SHT11、MAX1793、SP3220,

搭建了硬件系统平台，并制作了 PCB 板，实现节点的硬件设计。软件方面，采用

了中断事件驱动的程序设计方法，分别设计节点的主流程和中断流程程序。

通讯协议设计是保证可靠有效的数据传输的基础，本文分析研究了基于竞争

和基于时分复用的 MAC 协议，指出它们各自的优缺点以及所适用的场合；深入分

析了低功耗路由协议 LEACH 和PEGASIS，总结了它们各自的优缺点，同时简单

介绍了其它几种典型的路由协议，并对文中所述路由协议进行了综合对比。最后，

总结了路由协议能量优化的方法。

关键词：无线传感器网络传感器低功耗协议

ABSTRACT

Sensor network, which is made by the convergence of sensor,wireless

communication and networks technologies, is a novel technology about acquiring and

processing information. Wireless sensor network (WSN) is a new area of computer

science and communication technology, it is receiving increasing attention from all lines

due to its wide application future. There are various kinds of application-specific

routing protocols devised for wireless sensor networks by researchers around the world.

The WSN is consisted of lots of micro sensor nodes. These nodes have definite energy

and can't be replaced once they are disposed, so the energy is very important resource

for the WSN which is related with the lifetime of the network. Saving energy is one

primary goal during the study for WSN.

Low Power Cost, an important point in designing WSN, is considered with

emphasis in this paper.According to making use of the Low Power Mode of the

processor and the sleep function of the wireless communication module and designing

related software,the power cost of the sensor nodes is reduced as much as possible, as a

result of which,the lives of the sensor nodes are extended.

In this paper, the research background of wireless sensor network is introduced

and the characteristics are analyzed first. Then on the basis of the foregoing research,

The Wireless Sensor Network Experience Platform is designed.In this paper,hardware

and software are both designed. As for hardware, low power components is used in this

system, such as MSP430F449、CC1100、MAX1793、SHT11、SP3220. Then the system

platform is created,and the PCB board is designed,finally complete the hardware design

of sensor point.As for software,interrupt event-driven programming method is applied,

with which the main process and interrupt process is designed.

Communication protocol is the base of reliable and efficient data transmission,the

paper focus on the MAC protocol based on competition and time division multiplexing,

analyzing their advantages and disadvantages and different protocol applying to

different occasions.

This paper focus on in-depth analysis of the low-power routing protocols LEACH

and PEGASIS, then their respective advantages and disadvantages are summarized, and

several other typical routing protocols are introduced briefly, and routing protocol

described in the text are compared together. Finally, the routing protocol energy

III

optimization approachs are indicated.

Key word: wireless sensor network, sensor, low energy cost, protocol

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题研究背景 ................................................................................................... 1

§1.2 国内外发展现状 ............................................................................................... 1

§1.3 课题研究的主要内容 ....................................................................................... 2

第二章无线传感器网络简介 .........................................................................................4

§2.1 无线传感器网络的概念及特点 ........................................................................ 4

§2.2 无线传感器网络体系结构 ............................................................................... 5

§2.3 无线传感器网络协议栈 ................................................................................... 6

§2.4 无线传感器网络关键技术 ............................................................................... 7

§2.5 无线传感器网络的应用 ................................................................................... 8

§2.6 本章小结 ........................................................................................................... 9

第三章传感器节点硬件设计 .......................................................................................10

§3.1 总体方案设计 ................................................................................................. 10

§3.2 各模块设计 ......................................................................................................11

§3.2.1 处理器模块 ..............................................................................................11

§3.2.2 无线通信模块 ..........................................................................................14

§3.2.3 传感器模块 ..............................................................................................17

§3.2.4 液晶显示模块 ..........................................................................................20

§3.2.5 电源模块 ..................................................................................................21

§3.2.6 串口模块 ...................................................................................................22

§3.3 系统设计总结 ................................................................................................. 24

§3.3.1 系统原理图 ...............................................................................................24

§3.3.2 PCB 各层布置图 ...................................................................................... 26

§3.3.3 系统硬件抗干扰措施 ...............................................................................26

§3.4 本章小结 ......................................................................................................... 27

第四章传感器节点软件设计 .......................................................................................28

§4.1 传感器节点低功耗设计 ................................................................................. 28

§4.1.1 MSP430 低功耗结构 ...............................................................................28

§4.1.2 传感器节点的低功耗控制 ......................................................................29

§4.2 传感器节点程序设计 ..................................................................................... 30

§4.2.1 中断事件驱动的程序设计方法 ..............................................................30

§4.2.2 节点主流程 ..............................................................................................32

§4.2.3 节点中断流程 ..........................................................................................32

§4.2.4 串口通信程序设计 ..................................................................................33

§4.3 本章小结 ......................................................................................................... 34

第五章无线传感器网络协议研究 ...............................................................................35

§5.1 无线传感器网络 MAC 协议 .......................................................................... 35

§5.1.1 基于竞争的 MAC 协议 ..............................................................................36

§5.1.2 基于时分复用的 MAC 协议 .................................................................. 37

§5.1.3 MAC 协议选择 ....................................................................................... 38

§5.2 无线传感器网络路由协议 ............................................................................. 39

§5.2.1 低功耗路由协议 ......................................................................................39

§5.2.2 其他典型路由协议 ..................................................................................42

§5.2.3 路由协议对比分析 ..................................................................................43

§5.3 无线传感器网络应用案例 ............................................................................. 44

§5.4 本章小结 ......................................................................................................... 46

第六章总结与展望 .......................................................................................................46

参考文献 .........................................................................................................................48

在读期间公开发表论文和承担科研项目以及取得成果 .............................................51

致谢 ...............................................................................................................................52

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

近年来，随着微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低

功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理

和无线通信等多种功能。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)就是部署

在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多

跳的自组织的网络系统。

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术

和无线通信网络技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信

息并处理，传送到需要的用户。

无线传感器网络与传统的无线网络虽然有着相似之处，但同时存在很大的差

异。传感器节点往往数量庞大，且分布更为密集，由于环境影响和能量损耗，节

点更容易出现故障。环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化，这对网络

各种算法的有效性提出了严峻的挑战。与传统无线网络相比，传感器节点由于受

价格、体积和功耗的限制，节点的计算、存贮和通信能力都十分有限。此外，传

感器节点由微型电池供电，能量有限且一般无法补充。在网络设计方面，传统无

线网络的首要设计目标是提供高性能的服务质量和高效利用网络带宽。而传感器

网络的首要设计目标是能量的高效利用，通过设计有效的网络协议来延长网络的

生命周期。

无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预

报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探

索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传

感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

1999 年和 2003 年美国《商业周刊》和 MIT《技术评论》在预测未来技术发展报告

中，分别将无线传感器网络列为 21 世纪最有影响力的 21 项技术和改变世界的 10

大新技术之一[32]。

§1.2 国内外发展现状

无线传感器网络的研究起始于 20 世纪 90 年代末期，从 21 世纪开始，传感

器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注。国外的许多大学和研究机构纷

纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，早期研究

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I摘要由传感器、无线通信和网络三大技术融合而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。而无线传感器网络是计算机科学和通信技术的一个新的研究领域，由于其广阔的应用前景，近年来受到了越来越多的关注，各种面向具体应用的无线传感器网络路由协议应运而生。无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，且这种微型传感器节点能量有限而且一旦布设后不再更换，因此能量是无线传感器节点最重要的资源，它直接关系着网络的使用寿命，所以节能问题成为研究无线传感器网络一个主要的目标。本系统在器件选择和软件设计方面，重点考虑了无线传感器网络的低功耗要求，通过处理器模块的低功耗模式和通信模块的休眠功能的使用，以及对应的软件设计...

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