基于FPGA无线传感器网络中轮询系统的应用研究

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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是传感器、计算机与无线网三大技术的交叉应用网络,凭借传感与模数转换技术、通过一系列可重构基础设施与大规模分布的传感器节点建立客观外界与信息世界的桥梁。WSN五层协议体系中媒体访问控制(Media Access Control,MAC)子层与逻辑链路控制子层共同构成其数据链路层,MAC层资源调度技术使WSN物理层中各传感器节点的采集信息公平有效地传输至总线,直接对介质访问性能产生影响。轮询协议基于点协调功能轮转为业务群终端分配传输介质,时延特性优良。此外,WSN是以数据监测与处理为中心的任务型网络,数据流量大,片上系统集成电路的速率特性成为硬件层面影响传感器节点处理性能的关键。如何根据实际服务质量要求,优化组合基本完全、门限、限定服务接入策略,实现数据高效传输,如何满足轮询系统在拓展性与普适性方面的要求,快速部署网络,成为各个领域对WSN研究的热点。FPGA的逻辑资源运行于芯片内部,支持任务并行,允许用户在线修改“逻辑描述”,无需重新设计PCB、更新“逻辑功能”,设计灵活、运行快捷,常作为实现异构加速的主控器用于搭建实时通信网的硬件平台。本文基于FPGA对轮询系统进行设计与实现,利用FPGA内置“双时钟异步存储器”软核实现各节点数据实时缓存与按需发送过程的独立控制,利用Verilog HDL语言对WSN网络接入的控制策略进行软件编程,包括区分忙闲门限服务策略、区分优先级“完全+门限”混合服务策略、两级门限服务策略,综合运用时序逻辑与组合逻辑设置有限状态机、严格控制状态转移条件与信号输出,保证簇内节点无竞争享有信道使用权、实现业务处理,并在对称式轮询系统的基础上对频率特性进一步改善,通过非对称轮询系统实现多样性业务的处理,具有更好的普适性。采用信源电路产生的具有泊松分布特性的信息分组作为激励信号,利用QUARTUSII开发工具对系统展开功能测试,时序仿真图与调度策略要求相符:通过统计平均排队队长、平均等待时间等特性参数对系统展开性能评估,统计结果与理论数值拟合度高,验证了设计的正确性,表明优化的调度策略具有更好的系统性能,适用范围更广,对于WSN业务部署具有更高的应用价值。
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