基于信标网络的机械振动无线传感器网络低功耗传输方法研究

作     者：赵春华 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤宝平

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：机械振动监测 无线传感器网络 数据采集 低功耗传输 

摘      要：机械振动无线传感器网络节点由能量有限的电池供电,同时具有高采样率、高精度同步算法、传输数据量大等高性能需求,导致其高能耗弊端。此外,节点状态包括采集状态、传输状态、空闲状态,其中单位时间内传输状态能量消耗最高,尤其是在传输大量机械振动数据时,节点能量耗散尤其显著,使得现有的机械振动无线传感器网络节点传输功耗过高,无法满足长期振动状态监测的需求。影响机械振动无线传感器网络节点传输能耗的因素有很多,包括了拓扑控制、发射功率、休眠调度、传输速率、数据压缩等多个环节。因此,本文围绕以下三点影响机械振动无线传感器网络节点能耗的关键因素进行研究:(1)针对机械振动多跳无线传感器网络因拓扑不均衡导致增加传输时延和网络传输能耗的问题,提出了一种基于模糊层次分析的均衡拓扑构建方法。该方法由构建模糊判断矩阵和计算权重向量组成,首先传感器节点进行簇内通信获取信标广播信息,将信标节点网络决策因子统一量纲化,利用网络决策因子构建模糊判断矩阵,然后检验模糊判断矩阵一致性,采用行和归一化处理或拉格朗日最小二乘法计算权重向量;最后,传感器节点通过权重向量计算出各个信标节点综合权值,关联最优信标节点为父节点加入网络,从而构建多跳均衡网络拓扑,优化数据传输路径,降低数据传输时延,降低因空闲等待的传输能耗。(2)针对机械振动无线传感器节点为了保证数据传输可靠性采用固定最大发射功率,导致部分传感器节点传输能耗浪费的问题,提出了一种无线传感器节点最小二乘发射功率自适应控制方法。首先传感器节点在机械振动监测中进行簇内通信获得发射功率与链路质量的离散关系,然后采用最小二乘法对离散数据进行线性拟合,建立数据可靠、节能传输的最小二乘发射功率自适应数学模型。最后结合链路质量指示阈值以及无线通信模块自身的发射功率范围限制,计算出节点间数据传输的最优发射功率。(3)针对IEEE 802.15.4协议中载波侦听多路访问/冲突避免机制(CSMA-CA)在机械振动无线传感器网络大量原始数据传输需求下存在多次载波侦听导致高侦听能耗、隐藏节点问题导致高重传能耗等问题,提出一种基于信标同步触发的机械振动无线传感器网络传输休眠时序调度方法。首先利用在信标网络中广播信标帧具有全网周期性同步的特点,对超帧结构进行设计,为物理上具有分散性的各节点接收时序调度信息提供基本的时间同步条件;然后以各节点网络短地址为调度信息并利用信标可携带负载的特点,将调度信息载入信标进行广播,实现低开销的调度信息通知机制;最后,各节点根据调度信息进行数据传输、休眠时序调度。明显降低数据在汇聚过程中的数据碰撞次数以及空闲电流,改善并优化CSMA-CA在传输大量原始数据时存在无谓的传输能耗浪费缺陷。(4)机械振动无线传感器网络监测系统集成及低功耗传输验证。基于C#.NET平台开发了数据监控中心软件,实现了多跳均衡网络管理功能、节点电压监测功能设计,通过实验验证了本文提出的基于信标网络的机械振动无线传感器网络低功耗传输方法的有效性。文章最后对本论文工作进行了回顾总结,并展望后续的相关研究方向。