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基于应答式的无线传感器网络1-坚持CSMA协议分析

作　者: 李远壮
导　师: 赵东风；周丽华
学　校: 云南大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 无线传感器网络随机多址技术控制协议管理平台 ZigBee协议
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 22次
引　用: 0次
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内容摘要

无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)[1]是由部署在监测区域内数量庞大的廉价的微型传感器节点组成,在无线通信系统控制下形成一个多跳的自组织网络。本文对无线传感器网络进行了深入的学习,对传感器网络的历史、现状以及未来发展趋势都做了详细的调查研究。分析了当前的无线传感器网络的MAC层控制协议的发展现状,在导师的指导下,以MAC协议为切入点,对基于应答式的1-坚持CSMA协议在无线传感器网络中的应用进行了研究。本文介绍了无线传感器网络的开发平台,从硬件和软件的角度分析了WSN的实现要点。无线传感器网络的开发平台由传感器节点、软件开发平台和网络管理平台组成,传感器节点负责承载功能程序,并为功能程序的运行提供硬件支持,软件开发平台负责程序的开发和程序的下载,网络管理平台对网络进行可视化管理。论文使用了GAINZ平台作为无线传感器网络的试验平台,GAINZ平台由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成,包括了主板、光传感器芯片、温度传感器芯片、Atmega128L单片机和射频芯片CC2420。软件开发环境主要由WinAVR和AVR Studio组成,在该软件开发环境中,可以使用C语言快速进行程序的开发和部署。介质访问控制(medium access control, MAC)协议决定无线信道的使用方式,在传感器节点之间分配有限的无线通信资源,用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处在无线传感器网络协议的底层,设计出合理的、低功耗的MAC协议,对整个网络的性能具有很大的影响,是WSN中的关键网络协议。到目前为止,MAC协议主要分为随机竞争型的MAC协议和时分复用型的MAC协议。针对无线传感器网络MAC协议的研究热点,以应答式1-坚持CSMA协议作为网络的MAC层协议,并对协议进行了理论分析,从概率分布、随机变量特性和吞吐量三个方向出发,对协议的可行性进行了验证。最后对协议进行了数值计算和仿真,总结了该协议在无线传感器网络控制中的优势。无线传感器网络要实现向实际应用的过渡,网络的数据管理和分析是一个关键性的技术,主要包括数据存储、数据查询、数据分析、数据挖掘和数据决策。无线传感器网络的实现技术需要和这些技术紧密结合,协同工作,才能实现以数据为中心的无线传感器网络。显然,感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高效率传感器网络的重要和关键的任务。针对此研究热点,本文提出了一套具有自主知识产权的无线传感器网络管理平台,该平台主要由终端节点、汇聚节点和管理平台组成,可以实现传感器网络的数据采集、发送、接收、数据解析和数据处理的功能。最后,对全文进行总结,并对今后课题的研究方向做了展望。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-24
  1.1 无线传感器网络发展  10-15
    1.1.1 无线传感器网络的特点  11-12
    1.1.2 无线传感器网络关键技术  12-15
  1.2 随机多址接入系统  15-22
    1.2.1 ALOHA  16-17
    1.2.2 CSMA  17-21
    1.2.3 多通道技术  21-22
  1.3 论文结构及安排  22-24
第二章无线传感器网络开发平台  24-35
  2.1 硬件平台  26-31
    2.1.1 GAINZ节点体系架构  26
    2.1.2 处理器模块  26-28
    2.1.3 无线通信模块  28-30
    2.1.4 传感器模块  30
    2.1.5 能量供应模块  30-31
  2.2 软件平台  31-32
    2.2.1 API接口  31-32
    2.2.2 OS内核  32
  2.3 软件开发环境  32-34
    2.3.1 程序开发软件WinAVR  32-33
    2.3.2 程序下载软件  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章无线传感器网络的控制协议  35-41
  3.1 随机竞争的MAC协议  36-38
    3.1.1 IEEE 802.11 MAC层协议  36
    3.1.2 S-MAC协议  36-37
    3.1.3 T-MAC协议  37-38
    3.1.4 Sift协议  38
  3.2 时分复用型的MAC协议  38-40
    3.2.1 DEANA协议  38-39
    3.2.2 TRAMA协议  39
    3.2.3 D-MAC协议  39-40
  3.3 其他MAC协议  40-41
第四章无线传感器网络中应答式1-坚持CSMA协议  41-56
  4.1 控制协议描述  41-42
  4.2 循环期上的概率分布  42-44
  4.3 系统随机变量特性分析  44
  4.4 系统吞吐量计算  44-45
  4.5 数值计算和仿真实验  45-55
  4.6 本章小结  55-56
第五章无线传感器网络管理平台设计  56-76
  5.1 平台研发背景  56-57
  5.2 管理平台设计  57-62
    5.2.1 管理平台功能  57-58
    5.2.2 系统设计  58-62
  5.3 管理平台编程实现  62-70
    5.3.1 终端节点编程实现  62-65
    5.3.2 汇聚节点编程实现  65-67
    5.3.3 管理平台编程实现  67-70
  5.4 无线传感器网络综合试验设计  70-75
  5.5 本章小结  75-76
第六章全文总结及发展  76-78
  6.1 论文工作与成果  76-77
  6.2 新的研究工作  77-78
参考文献  78-82
附录Ⅰ:攻读硕士学位期间参与的项目及取得的成果  82-83
附录Ⅱ  83-107
致谢  107-108

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