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30000字硕士毕业论文面向环境监测的无线传感器网络节点描述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:节点,传感器,网络
论文概述:

研究背景和意义无线传感器网络(WSN,WirelessSensorNetworks),作为一项新型的信息采集技术口益受到国内外科研工作者的高度重视。无线传感器网络,指在环境中布置的传感器节点以无线通信方式组

论文正文:

  第一章绪论         1.1研究背景和意义无线传感器网络(WSN,WirelessSensorNetworks),作为一项新型的信息采集技术口益受到国内外科研工作者的高度重视。无线传感器网络,指在环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络,传感器节点完成一些数据采集工作,节点通过无线传感网络将数据发送到网络中,并最终由特定的应用接收。传感器节点集成传感器件、数据处理和通信模块,并通过自组织的方式构成网络。借助十传感器节点中内置的形式多样的传感器,可以测量所在周边环境中的热、红外、声、雷达和地震波等信号,从}fn探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、速度和方向等物质现象。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式。无线传感器网络的节点通过飞行器撒播、人工埋置等方式任意散落在被监测区域内,以自组织方式构成网络。根据节点数目的多少,传感器网络可按平面结构和分簇结构川来构建。平面结构比较健壮,但是控制开销大,可扩展性不佳,主要适用十中小型网络。         在分簇结构中,网络被划分成簇,每个簇包含一个簇头和多个簇成员,簇头和网关构成虚拟骨干网。分簇结构的优点是网络可扩充性好,容易实现网络的管理和同步,主要用十大规模的无线传感器网络。无线传感器网络的平面结构如图1-1所示。在传感器网络中,大量传感器节点被随机部署在监测区域内,节点以自组织方式构成网络,节点监测到的数据通过其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输的过程中数据可能被多个中间节点处理。经过多跳路由后,监测数据传输到汇聚(Sink)节点,最后由工nternet或者卫星进行收集并传送给用户。点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时与其他节点协作完成一些特定的任务。汇聚节点(Sink节点),节点处理能力、存储能力和通信能力相对比较强,它连接传感器网络与工nternet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布管理节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的普通节点,有足够的能量供给和更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。          在平面结构的无线传感器网络中,所有节点具有相同的地位,所以又被称为对等式结构。平面结构的网络比较简单,源节点和目的节点间一般存在多条路径,网络负荷由这些路径共同承担,一般情况下不存在瓶颈,网络比较健壮。但是在无线传感器网络中,由十节点数量较大,密度较高,平面结构在节点的组织、定位、节点与基站之间的路由建立、控制与维持的报文开销上都存在着很大的问题,这些开销会占用很大的带宽,影响网络数据的传输速率,严重情况下甚至会造成整个网络的崩溃。另外,节点在进行报文传输时,由十所有节点都起着路由的作用,因此,某个节点在产生并发送报文之后,在这个节点和基站节点之间会使得大量的节点参与存储转发工作,很难进入体眠状态,从}fn使整个系统在宏观上将损耗很多能量。平面结构的可扩充性差,每个节点都需要知道到达其它所有节点的路由,维护这些动态变化的路由信息则需要大量的抓‘制信息。          在分簇结构中,网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成,这些簇头形成了高一级的网络。分簇后的网络体系结构如图1-2所示。簇成员负责数据的采集,}fn簇头节点负责簇间数据的转发,这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性。簇头可以预先指定,也可以通过分簇算法选举产生。由十簇头可以通过选举随时产生,所以分簇结构具有很强的抗毁性,维护分簇结构需要节点执行分簇算法。分簇结构存在的一个明显问题就是簇头的能量消耗问题,簇头的发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍甚至十几倍,这样簇头在发送、接收报文时会消耗很多能量,ifub‘很难进入体眠状态,从}fn相对普通节点,其寿命要短的多。这就需要在簇内执行合适的算法以更新簇头。分簇结构比平面结构复杂的多,由此也产生了很多相应的算法和l办议。分簇结构解决了平面结构中的网络堵塞问题,整体能量消耗较少,实用性也较高。监测区域用户传感器节点图1-1尤线传感器网络的平面结构无线传感器网络中的节点分为两种:普通的传感器节点和汇聚节点。普通节点,是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过携带能量有限的电池供电。 参考文献[1]陈利虎.无线传感器网络实验平台的研究[M].湖南:国防科技大学出版社,2004.石军锋,钟先信,陈帅,邵小良.无线传感器网络结构及特点分析「J].重庆大学学报(自然科学版).2005, 28 (2) : 16-19.李风保,李凌.无线传感器网络技术综述「J].仪器仪表学报.2005, 26 (8):559一561.何宁,土漫,方均,刘赐平,裴俊.面向无线传感器网络应用的传感器技术综述「J].计算机应用与软件.纪阳,张平.无线传感器网络的体系结构「J].中兴通讯技术.2005. 11 (4):32一35.孙亭,杨永田,李立宏.无线传感器网络技术发展现状.电子技术应用 [J].2006, 6:1一6.刘敏钎,吴泳,伍卫国.无线传感网络((WSN)研究[J].微电子学与计算机.2005, 22 (7):58一61.李风保,李凌.无线传感器网络技术综述「J].仪器仪表学报.2005, 26 (8):559一561.李晓维.无线传感器网络技术「M].北京:北京理工大学出版社,2007.Asada G, Dong M, Lin T S, Newberg F, Pottie G, Kaiser W J, Marcy H O.Wireless Integrated Network Sensors:Low Power SystemProc. of the 1998 European Solid State Circuits Conference, 1998.Kahn J M, Katz R H, Pister K S J. Mobile Networking for Smart Dust [C].ACM/IEEE Intl. Conf. on Mobile Computing and Networking (MobiCon 99),Seattle, WA, 1999.Joseph Polastre,  Robert  Szewcyzyk,  Cory  Sharp,  David  Culler.  The  moterevolution:  Low power wireless sensor network [C].In: proc. of t symposium on high performance chips(HotChips),2004.Kaiser W J. Low Power Wireless Integrated Microsensors[EB/OL].http:// www.Janet. ucla. edu/WINS/lwim一innovative. htm.Bult K,  Burstein A,  Chang D, Dong M,  Kaiser W J.  Wireless Integrated Microsensors  [C].Proceedings  of  Conference  on  Sensors  and  Systems(Sensors Expo).Anaheim, CA, USA, 1996: 33一38.Wang,  Chandrakasan  A  P.  Energy一efficient  DSPs  for  wireless  sensor  摘要 5-6 ABSTRACT 6 致谢 7-12 第一章 绪论 12-21     1.1 研究背景和意义 12-15     1.2 研究现状 15-19         1.2.1 无线传感网络节点研究的发展 15-18         1.2.2 无线传感器网络的特点 18-19     1.3 本文的工作和主要内容 19-20     1.4 本文组织结构 20-21 第二章 无线传感器网络节点设计相关技术 21-33     2.1 节点硬件结构设计 21-23     2.2 操作系统设计 23-28          2.2.1 TinyOS 的执行模式 25-26         2.2.2 TinyOS 的组件模型 26-27         2.2.3 NesC 27-28     2.3 网络协议设计 28-32         2.3.1 Zigbee 协议 30-31         2.3.2 Zigbee 的技术参数及优势 31-32     2.4 本章小结 32-33 第三章 无线传感器网络节点的总体设计 33-44     3.1 传感器节点系统结构 33-38         3.1.1 传感器节点的特点 33-34         3.1.2 传感器节点的结构 34-36         3.1.3 传感器节点的实现方案 36-37         3.1.4 传感器节点的应用限制 37-38     3.2 基于CC2431 的节点硬件设计 38-43         3.2.1 节点主要芯片选型比较 38-42         3.2.2 节点的硬件平台结构 42-43     3.3 本章小结 43-44 第四章 传感器节点的软件体系结构 44-53     4.1 基于CC2431 的传感器节点的软件系统概述 44     4.2 传感器节点的操作系统 44-50         4.2.1 TinyOS 操作系统 45-46         4.2.2 TinyOS 调度机制 46-48         4.2.3 TinyOS 的移植 48-50     4.3 传感器节点的通信协议 50-51         4.3.1 MAC 协议 50         4.3.2 路由协议 50-51     4.4 传感器节点的驱动程序 51-52         4.4.1 ADC 51         4.4.2 Timer 51-52         4.4.3 LED 52         4.4.4 UART 52     4.5 本章小结 52-53 第五章 无线传感器网络在井下环境监测系统中的应用 53-64     5.1 概述 53     5.2 井下环境监测系统的构想方案 53-55     5.3 路由协议的设计 55-58         5.3.1 基本信息表(BIT)的建立 56-57         5.3.2 路由恢复 57-58     5.4 井下无线传感器网络数据的采集 58-60     5.5 实验数据与分析 60-62     5.6 本章小结 62-64 第六章 结论与展望 64-66     6.1 工作总结 64-65     6.2 展望 65-66 参考文献 66-71 攻读硕士学位期间发表的论文 71-72