应用于SHM的6LoWPAN无线传感器网络设计研究

发布时间：2020-06-22 14:53

【摘要】：结构健康监测(SHM)是监测和评估土木结构运营状况的重要手段。在SHM中,对桥梁关键信息的采集与传输是至关重要的,因为只有当监测的数据准确、可靠、实时、稳定地传输时,才能保证后续数据评估和分析的准确性。传统的有线结构监测系统具有灵活性差、成本高等缺陷,无线传感器网络、(WSN)有效克服了这些缺陷,但传统WSN仍具有能耗不均衡、协议标准不统一导致信息孤岛等问题。为解决这些问题,本文设计一种基于6LoWPAN WSN的结构监测系统,并研究改进6LoWPAN网络层中RPL路由协议以均衡网络能耗,研究工作如下:基于6LoWPAN WSN的结构监测系统由无线传感器节点、边界路由节点与远程监控中心构成。无线传感器节点与边界路由节点的硬件开发基于CC2538片上系统无线收发芯片。这两类节点的嵌入式软件开发基于Contiki3.0嵌入式操作系统,包括操作系统的移植和传感器模块驱动、以太网模块驱动以及应用软件的开发。无线传感器节点采用6LoWPAN协议进行组网通信,作为IPv6终端节点,实现对桥梁的温湿度、加速度等参数的采集,并扩展了一路模拟信号输入通道。边界路由节点主要对监测区域的传感器节点的数据进行汇集与转发,通过转换IPv4数据包和IPv6数据包,实现6LoWPAN网络与IPv4互联网的通信。远程监控中心主要实现监测数据的存储、处理和在线实时显示等,包括用户界面设计和数据库设计。用户界面设计基于MATLAB GUIDE开发环境平台,包括人机界面和数据处理模块;数据库设计基于MySQL数据库,实现对数据管理。针对6LoWPAN的RPL路由协议中OFO目标函数度量单一导致网络能耗分布不均的问题,本文提出在RPL路由协议OFO目标函数的基础上,加入能量的判断标准,使子节点选择父节点时综合考虑节点跳数和能量因素。采用Contiki系统自带的Cooja仿真器对改进的协议进行仿真验证。仿真结果表明,本文提出的RPL协议改进方案可以均衡网络路由转发,从而均衡网络能耗。搭建实际的硬件平台对WSN性能和系统功能进行测试分析,系统测试包括边界路由节点与互联网的联通性、无线传感器节点能耗、远程监控中心和数据库的功能;网络性能的测试包括网络吞吐率、丢包率、通信距离。测试结果表明:系统工作稳定可靠,网络性能良好,能够准确可靠地采集和传输传感数据,并实现6LoWPAN网络与传统IPv4网络互联,具有一定的实际工程应用参考价值。
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【图文】：

方便用户查看和管理数据。逡逑２．２系统总体设计逡逑根据上述介绍的系统需求，本文设计的结构健康采集系统架构如图２－１所示。逡逑本系统由若干无线传感器节点、边界路由节点、网络路由器和远程监控中心组成。逡逑下面简单地介绍系统的工作流程。逡逑监控中心ｐ逡逑＾逦数据库逡逑远程监控中心逡逑ｊ逡逑路由器逡逑逦？逡逑ＩＰｖ４网络逦Ａ逡逑６ｌ0ｗｐａｎ邋网络逦ＣＤ邋Ｃ３逡逑0逦0逡逑0＿逡逑图２－１系统设计总体框架逡逑无线传感器节点主要部署在桥梁的关键部位，用于采集桥梁的温湿度和加速逡逑度等参数。无线传感器节点上电开启工作模式后就会根据ＲＰＬ路由协议自己寻逡逑找路由并加入网络中，因此在监测区域若干个无线传感器节点会自组织网络，将逡逑采集到的桥梁相关参数传送至边界路由节点，若干个无线传感器节点与一个边界逡逑路由节点自组织成简单６ＬｏＷＰＡＮ网络。边界路由节点即是６ＬｏＷＰＡＮ网络的根逡逑９逡逑

②ＭＡＣ层数据传输模式逡逑ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的ＭＡＣ子层提供了两种无线拓扑网络结构，分别是星形逡逑网络拓扑和对等网络拓扑，其具体拓扑结构如图２－８所示。ＭＡＣ层的数据传输逡逑方式主要取决于网络拓扑结构，星形网络拓扑有两种数据传输方式：到协调器的逡逑数据传输和来自于协调器的数据传输；对等网络拓扑支持点对点的数据传输。逡逑星形拓扑逦对等拓扑逡逑＼逦，逦彳一一一一，个逡逑／逦＼逦＼逦！逦＼邋ｚ邋方逡逑＾逦＼邋春邋ＰＡＮ＿邋＼逦，逡逑Ｖ，逦＾邋ｖ邋Ａｒ逦’敕逡逑＜逦全功能设备逦＜逦？逡逑精简功能设备逡逑图２－８星形和对等网络拓扑结构逡逑到协调器的数据传输模式又根据信标网络或非信标网络分为两种传输模式，逡逑这两种传输方式分别如图２－９和图２－１０所示。在信标网络中，发送数据给协调逡逑器的网络设备需要与协调器以一定间隔发出信标同步，如果该网络设备是星形网逡逑络的一部分且己分配好保障时隙

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