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基于大规模WSN的电子标牌低功耗及可维护性研发

基于大规模WSN的电子标牌低功耗及可维护性研发

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作者：邱垂统中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

与传统的纸质标签相比,电子标牌可以提高购物商场的工作效率,减少出错的可能性,降低运营成本。随着人工成本的增长,越来越多的大型购物中心和超级市场将使用电子标牌系统来管理和显示产品信息。本文以电子标牌系统为载体,对无线传感器... 详细信息

与传统的纸质标签相比,电子标牌可以提高购物商场的工作效率,减少出错的可能性,降低运营成本。随着人工成本的增长,越来越多的大型购物中心和超级市场将使用电子标牌系统来管理和显示产品信息。本文以电子标牌系统为载体,对无线传感器网络（Wireless sensor network,WSN）的低功耗和可维护性进行研究,设计了基于WSN的电子标牌系统,采用低功耗的电子纸显示屏,可以达到显示内容丰富,视角好,功耗极低,能够满足电子标牌系统功能和低功耗的需求。系统的通信采用自组织分簇网络的形式,网络具有良好的可扩展性和灵活的组网特性。利用嵌入式操作系统自带的Rime协议中的确认和重传机制,实现网络的可靠传输。电子标牌系统中的终端节点由电池供电并且节点数量非常多,一旦电池能量耗尽,很难更换所有节点的电池。对于电子标牌,通常需要在不更换电池的情况下使用5年以上。另一方面,电子标牌系统要求通信具有一定的实时性,电子标牌节点需要及时地对上层节点下发的指令做出响应,因此电池寿命是电子标牌系统适用过程中的关键问题。本文提出了一种基于统计方法的低功耗睡眠调度策略,并且提出求解最优睡眠周期的算法,根据节点功耗和响应时间的期望值建立目标平衡函数,得到节点最优睡眠周期。通过合理设置节点在不同时间段采用不同的睡眠周期,在保证节点响应时间的前提下最大程度地减少节点功耗。仿真结果表明,该方法能够减少节点的能量消耗,大大增加电池使用寿命。基于WSN的电子标牌通常节点数目多,如果节点经常出现问题,维护难度较高,因此,WSN可维护性的研究对于减少维护成本具有重要意义。本文提出了一种WSN可维护性评估方法,目标在于在设计阶段尽可能提高系统的可维护性。根据可维护性的影响因素,利用证据推理与置信规则库的方法,对系统的可维护性进行了综合评估,评估结果可作为系统设计的参考,以确保软件和硬件设计的可维护性,减少后续维护成本。另外,本文设计并开发了一种可维护性辅助设备,可以快速检测系统故障,从而提高维护效率。论文最后测试了系统性能的主要参数,结果表明,本文设计的电子标牌系统功能齐全,节点通信性能好,传输可靠性高。通过比较不同传输策略下的功耗和传输延迟,电子标牌节点的电池使用寿命为5.5年,平均传输时延是7.5s,证明了本文提出的低功耗传输策略可以保证节点的电池寿命,并尽可能减少传输延迟。

关键词：电子标牌无线传感器网络低功耗可维护性

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