桃园中无线传感网络通信协议改进设计

发布时间：2019-10-15 15:09

【摘要】：为部署和运行符合桃园灌溉应用要求的无线传感网络,选取2470 MHz载波频率,以长时间监测数据包传输率为基础获得可靠通信距离为40 m,短时间内数据包传输率监测结果的分析表明无线链路在短时间内的变化很剧烈,且链路间没有明显的相关性。根据应用要求和链路特点设计了无线传感网络的通信协议;为降低监听功耗,对泛洪时间同步协议进行改进,设计了更符合本应用要求的泛洪-固定根节点时间同步协议;针对短时间内链路质量变化剧烈的特点,改进采集树路由协议以提高数据包传输效率,将两种协议结合,设计了较完备的通信协议,并在TinyOS无线传感网络操作系统上用nesC的编程方法进行实现,最后在桃园中进行现场实验,结果表明:全网节点时间同步的误差小于10 ms,研究的通信协议与基于MultihopLQI的通信协议相比,数据包传输率提高8%~15%,两节AA电池可供节点运行264 d,具有很低的功耗。
【图文】：

。接收机10min内的测量结果保存在接收机的Flash存储芯片中，实验结束将每个接收机与计算机相连，用程序读取Flash中的数据，然后求出每2次测量的平均值作为该时段内该无线链路的数据包传输率。对10条无线链路短期内的数据包传输率测量结果分析如下:①数据包传输率随时间变化很大，推测是由温度［12］、多径衰落［13］、湿度和噪声［6］等的影响造成的，几种因素影响机理有待进一步研究。②无线链路数据包传输率没有随昼夜交替而呈现明显的规律。经计算，整个短时间范围内，所有链路之间的相关系数分布如图1所示，相关系数分布在(－0.220，0.212)之间，并且可近似忽略，因此做如下推断:某一时段内，一条链路的数据包传输率降低时，无法直接预测这一时段内另外一条无线链路的数据包传输率，从而直接选择此时合适的路由节点以提高数据包传输效率。图1相关系数的分布Fig．1Distributionofcorrelationcoefficient4通信协议设计4.1通信协议总体设计无线传感网络中，节点之间晶振周期差异造成的时钟误差不可避免，为最大程度减少收发模块开启的时间以节省节点有限的能量，需设计所有节点在整个运行时间内的时间同步协议以实现所有节点同时开启和关闭收发模块［14］。FTSP(泛洪时间同步协议)协议［15］通过周期性的广播时间同步消息包来达到全网同步，该协议能有效解决根节点失效的问题并能在原理上抑制非根节点的广播，本研究设计并实现了更符合本应用的泛洪-固定根节点时间同步协议，它完全能达到本应用要求不高的同步精度(同步误差在数百毫秒级上已经足够)，与FTSP协议对比，改进如下:①由竞争产生的根节点在一定数目的(本研究的协议中设定为30个)消息周期后广播询问其他所有节点是否已经在一定数目的(

图3一次通信过程示意图Fig．3Processofcommunication持部署间隔为40m(有的节点间隔小于40m，由第2节可知，小于40m也能保证可靠通信)，用5个TelosB节点作为参考节点分散部署在网络节点之间，每隔15s发送消息，实验过程中保持所有节点电路板平面与地平面垂直并将所有节点CC2420芯片输出功率设置为0dBm，节点的一个工作周期由一次通信过程时间(实验中设置为20s)和一次无线收发模块关闭时间(实验中设置为1780s)组成，一次通信过程中T1、T2、T3时隙分别为7.5s、5.0s、7.5s，由根节点将所有TelosB节点虚拟的土壤湿度数据传送至上位机并在Cygwin平台下通过TinyOS-2.1.0中的Printf函数进行显示，运行时间为2013年6月10日10:00～2013年6月20日10:00，由运行结果可见，所有节点均能同时开始和结束一次通信过程，将每个节点Flash中存储的该节点估计的每次无线模块开启时刻和接收到参考节点发送的消息的时刻所对应的根节点的时间读出并进行误差分析，结果表明整个实验时间内，，全网内所有节点的最大同步误差均小于10ms，这一精度足够达到桃园中无线传感网络的应用要求。5.2路由协议对比实验MultihopLQI是一个认可度很高、测试充分、应用广泛的路由协议，是常用的无线传感网络路由协议的对比协议［16］。由于本研究设计和实现的通信协议融合了时间同步协议和路由协议，将其与单一的MultihopLQI路由协议进行对比实验是不合理的，必须在共有的时间同步协议基础上进行对比，因此实验中用作对比的通信协议的设计方法是:首先完全采用本研究设计的泛洪－固定根节点时间同步协议做到时间同步，然后在开启无线模块的时间(一次通信过程)内分配信标的专用时隙以确保链路代价评估，之后采用MultihopLQI路由协议，即每个节点通?
【作者单位】： 浙江大学生物系统工程与食品科学学院;浙江大学宁波理工学院;
【基金】：宁波市自然科学基金资助项目(2011A610135) 浙江省科技厅重大科技专项(优先主题)工业项目(2009C11041)
【分类号】：TP212.9;TN929.5;S662.1

【参考文献】

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【共引文献】

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