论文部分内容阅读
无线传感器网络具有分布式、自组织、扩展性强、部署方便灵活的特点,可有效弥补传统有限监测系统在封闭、大位移、旋转等特殊运用场合的不足,在机械振动监测领域有着巨大的运用前景。机械振动信号微弱,频带宽,需要节点进行高频高精度采集,这会在短时间产生大量的振动数据,且无线传感器网络中存在大量部署节点,这必然对网络传输信道带来巨大的挑战。传统的基于IEEE802.15.4协议(ZigBee)的机械振动无线传感器网络传输速率低,信道窄,会导致传输时间过长传输能耗过高的问题,多节点传输造成的信道拥塞会进一步增大传输能耗,不适用于节点能量有限的机械振动无线传感器网络监测运用。对于当前机械振动无线传感器网络存在的传输能耗问题,本文进行了基于IEEE 802.11协议(WiFi)的低能耗高效传输方法研究,主要工作内容如下:(1)针对目前机械振动无线传感器网络节点无线信道窄、通信效率低的问题,提出一种支持IEEE 802.11协议的双核心架构节点设计方法,为大量数据的低能耗高效传输提供协硬件支持。首先,通过双核心架构设计降低采集任务和网络维护的耦合性,并进行双核心的跨层同步硬件设计;其次,设计无线模块的驱动电路,验证其低功耗网络维护性能;接着,通过多路电源管理降低节点能耗;然后,设计采集前端的IEPE驱动、滤波和差分电路,提升信号抗干扰性;最后,采用24 bits SAR ADC保证采集精度和采样频率,并使用SD进行大量振动数据的可靠存储。(2)针对国内外的IEEE 802.11协议的同步和自组织等研究中较少考虑模块功耗和尺寸,不适用于底层协议较为固定的低功耗小型化无线模块的问题,提出一种基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络协议栈设计方法,为大量数据的低能耗高效传输提供协议栈支持。首先,进行协议栈架构设计;其次,开发自组网、采集控制、数据传输、网络节点运行状态上报等功能;然后,使用UDP广播和硬件跨层方法对多节点采集触发精度进行优化;最后,通过低功耗网络维护设计,解决协议功耗较高的问题。(3)针对机械振动无线传感器网络的多节点和多段链路传输、传输效率受限、传输能耗高的问题,提出一种数据分块的空间并行化传输时序调度方法。首先,通过链路反馈和超时重传机制,提升多段链路传输可靠性;其次,使用多段链路并行化的数据分块传输方法,解决多段链路通信效率过低的问题,并在多节点传输中使用集中轮转传输时序调度方法,降低节点间发包干扰;然后,基于传输链路中各阶段的传输特性,进行多阶段数据分块的传输和能耗优化方法设计,合理划分数据包大小,提升效率降低能耗;最后,将多段链路传输、多阶段分块、多节点调度进行综合优化设计,进行多节点空间并行化调度,提升多段链路传输速率和多节点调度效率,更充分的发挥高带宽通信网络的优势。文章最后对本论文的工作内容进行总结,并对后续的研究方向进行展望。