無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及定位算法研究.pdf

1、隨著微機電技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，目前傳感器技術(shù)正邁入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新時代。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本、低功耗、具備感知能力、計算能力和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)借助于無線傳感器節(jié)點中內(nèi)置形式多樣的傳感器，可以將所在周邊環(huán)境的信息，及時有效地傳輸?shù)叫畔⒔邮斩?，擴大了傳感器監(jiān)測的區(qū)域，提高了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的可靠性和生存性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、

2、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文主要圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和節(jié)點定位問題展開研究，并進行了實際應(yīng)用的探索，取得了以下研究成果： (1)本文第一部分工作主要涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧中數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的研究。由于媒質(zhì)接入控制是該層的主要功能，所以本文該部分工作的重點是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議的分析研究。最終在現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，并考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3、的條件約束和無線通信模塊支持多信道通信等因素，提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多信道媒質(zhì)接入控制協(xié)議(MCMAC)。仿真結(jié)果表明該協(xié)議提高了網(wǎng)絡(luò)的能量利用率和吞吐量，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。 (2)本文第二部分工作關(guān)注的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層中路由協(xié)議的研究。在研究中發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一方面需要支持各式各樣的應(yīng)用，其中有些是非實時性的應(yīng)用，而另一些應(yīng)用卻是有著嚴(yán)格的實時性需求。因此有必要設(shè)計一個滿足不同程度實時性需求的路由協(xié)議

4、。另一方面能量消耗也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個比較關(guān)鍵的問題。因此本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一種新穎的自適應(yīng)實時路由協(xié)議(ARTRP)，該協(xié)議不但對網(wǎng)絡(luò)中不同的應(yīng)用提供不同層次的實時性保證，而且提高了網(wǎng)絡(luò)的能量利用率。仿真實驗證明該路由協(xié)議具有較好的性能。 (3)本文第三部分工作主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位的問題。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其在測量坐標(biāo)系內(nèi)的位置信息才有意義，沒有位置信息的數(shù)據(jù)幾乎沒有利用價值。同時許

5、多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、節(jié)點的管理調(diào)度算法、拓撲控制算法都需要節(jié)點位置信息的支持，所以節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要的支撐技術(shù)。本文在研究現(xiàn)有無線傳感器定位算法基礎(chǔ)上提出了主動分布式的傳感器節(jié)點定位策略(ADLA)，該算法借鑒集中式凸規(guī)劃算法的思路，提出了一種方法簡單的分布式位置估計方法。經(jīng)過仿真實驗，證明該算法的定位精度完全可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般的定位需求。 (4)船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)是船舶自動化的重要組成部分

6、，其功能主要是監(jiān)測各機電設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)，并進行指示、報警、控制和記錄。該系統(tǒng)工作的可靠性直接影響到船舶的航行安全。現(xiàn)有的船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)主要有四種類型一常規(guī)儀表型、集中型、集散型和現(xiàn)場總線型。這些系統(tǒng)都需要鋪設(shè)一定數(shù)量的通信電纜。由于船舶機艙的惡劣環(huán)境使得這些通信電纜容易損壞，需要大量的維修和維護工作。本文第四部分提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，并做出了實驗原型系統(tǒng)。系統(tǒng)試運行情況良好，達到了設(shè)計的要求。該