基于IEEE 802.11协议的机械振动无线传感器网络高效传输方法研究.pdf

中文摘要 摘 要 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 IEEE 802.15.4 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 I 重庆大学硕士学位论文 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。 关键字：机械振动，无线传感器网络，IEEE 802.11 协议，数据分块，空间并行化 传输 II 英文摘要 ABSTRACT Wireless sensor network has the characteristics of distributed, self-organizing, strong expansibility, convenient and flexible deployment. It can effectively make up for the shortcomings of traditional limited monitoring system in closed, large displacement, rotation and o