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基于概率检测的CSMA/CA无线传感器网络协议及控制电路分析

作　者: 谭明川
导　师: 赵东风
学　校: 云南大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 传感器网络 CSMA/CA协议 概率函数检测 多通道 节点电路
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


无线传感器网络是一种新型的传感器网络,同时也是多学科领域的交叉,使用IEEE802.11协议标准,由多个具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器终端节点构成,通过无线通信方式组成一个多跳和自配置的网络系统,其目的在于采集信息,并通过网络覆盖区域内的传感器终端节点,以无线通信的方式将采集的信息发送给信息处理中心。在军事、医疗、防爆、工业、救灾等许多领域都有着广泛应用。现在研究的主要方向是可以降低数据发送冲突率、提高吞吐量、缩短时延、降低能耗的无线传感器网络协议,用以解决传感器终端节点携带能量有限、更换电池或者补充能量工作困难的问题。本文研究分析的主要对象是无线传感器网络MAC协议及传感器终端节点,学习研究了关于无线传感器MAC协议的文献及终端节点的电路,介绍了CSMA/CA技术和多通道随机多址技术,以研究分析得到节能的传感网络协议为主要目标。本文认真分析了基于概率函数检测的CSMA/CA无线传感器网络MAC协议,采用平均周期的方法,定义每个传输周期为TP,将信息分组的传输周期TP(1+2a+τA)进行划分,分为信息分组发送时间“1”、ACK信息时间τA和线路延时时间α几部分,对整个周期TP内到达的所有信息分组都以p概率函数检测的方式接入信道。到达的信息分组以概率函数值p持续侦听信道,以概率(1-p)放弃侦听信道,通过取不同的概率p值动态控制休眠节点数目。根据协议的工作原理,建立数学模型和系统模型。把信道内可能发生的三类随机事件：信道空闲、分组发送成功和信息分组发送发生碰撞,对三种随机事件进行划分,建立系统和数学模型,经过严格的数学公式推导,分别计算得到三类随机事件的平均长度,采用平均周期的分析方法,分别得到系统吞吐量、时延、终端节点生命周期等性能指标的理论解析式。使用仿真语言进行编程,得到相应的仿真结果,理论分析值与仿真结果数据保持了较好的一致,验证了理论推导的正确性,达到了提高吞吐量、缩短时延、延长节点生命周期的目标。在第四章中,分析了传感器终端节点的工作原理,并对硬件电路进行了详尽的分析,使用软件设计出电路原理图,并焊制电路板制作终端节点。介绍了无线传感器网络实验平台GAINZ,分别对两类节点的开发平台做了简要介绍,结合实验室现有的设备进行无线传感器网络的相关实验。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 课题背景  9-14
    1.1.1 无线传感器网络  9
    1.1.2 传感器网络的体系结构  9-11
    1.1.3 无线传感器网络MAC协议  11-13
    1.1.4 无线传感器网络节点控制电路  13-14
  1.2 论文研究目的及意义  14-15
  1.3 论文创新点及主要内容  15-17
第二章 基于概率检测的CSMA/CA无线传感器网络协议  17-38
  2.1 随机多址接入技术  17-22
    2.1.1 ALOHA协议系统  17-19
    2.1.2 CSMA协议系统  19
    2.1.3 CSMA/CA协议  19-22
  2.2 协议分析  22
  2.3 协议模型描述  22-24
  2.4 协议吞吐量分析  24-30
  2.5 信息分组平均时延分析  30-32
  2.6 协议能量有效性分析  32-34
  2.7 协议仿真结果分析  34-37
  2.8 本章小结  37-38
第三章 无线传感器网络节点单片机控制电路设计及实验  38-86
  3.1 无线传感器网络  38-40
  3.2 传感器节点结构设计  40-47
    3.2.1 传感器  40-41
    3.2.2 处理器模块  41-42
    3.2.3 无线通信模块  42-45
    3.2.4 能量供应模块  45
    3.2.5 硬件电路板的制作  45-47
  3.3 无线传感器网络实验系统  47-53
    3.3.1 GAINZ硬件平台  49-50
    3.3.2 GAINZ节点软件结构  50-51
    3.3.3 WinAVR开发环境介绍  51-53
  3.4 WSN网络分析与管理平台(SNAMP)介绍  53-57
    3.4.1 总体架构  53-54
    3.4.2 SNAMP功能简介  54-57
  3.5 传感器网络实验  57-85
    3.5.1 IEEE 802.15.4帧格式  57-60
    3.5.2 CC2420的标准数据包发送实验  60-62
    3.5.3 智能灯光控制实验  62-85
  3.6 本章小结  85-86
第四章 全文总结与展望  86-88
  4.1 全文总结  86-87
  4.2 展望  87-88
参考文献  88-93
附录Ⅰ: 攻读硕士学位期间参与的项目及取得的成果  93-94
附录Ⅱ  94-102
致谢  102

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 传感器的应用
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