航天器数据采集无线传感器网络网关的设计与实现

发布时间：2020-11-18 13:09

　　 无线传感器网络是一种由大量传感器通过自组织和多跳的方式构成的无线分布式网络。用无线传感器网络替代航天器内部原有的有线传输网络,可以大大减少传输线路,提高飞行器的运载能力。在合理部署传感节点并组建无线传感器网络的前提下,为了实现在同一终端实时高速地采集网络中的传感信息,就需要设计一种具有高可靠性的无线传感器网络网关,这对于航天器内部的数据采集工作具有十分重要的意义。本论文针对航天器内部数据采集工作的功能与性能需求,设计了一种无线传感器网络网关。由于航天器数据采集无线传感器网络对设备的体积和功耗都有较高要求,因此只能采用轻量级低功耗的嵌入式微控制器来进行实现。基于此条件,本论文首先给出了航天器数据采集无线传感器网络网关的总体结构,然后在此基础上,通过采用基于6LoWPAN的数据采集网关协议栈,实现了无线传感器网络到IP网络的接入;通过设计网络层的路由转发机制,实现了传感器节点到网关的路由构建。在网关的性能方面:本论文通过设计基于ContikiOS的汇聚节点多进程通信方案,实现了数据的并发采集并保证了通信的可靠性;通过设计基于FreeRTOS的主控制器多任务调度策略,实现了数据高速传输并保证了调度的实时性。最终设计实现了基于轻量级低功耗嵌入式微控制器的航天器数据采集无线传感器网络网关。网关的功能与性能测试结果表明:在网络接入功能方面,网关与传感器节点之间的连通性良好,网关能够实现WSN与IP网络之间的互联互通;在网关丢包率和吞吐量性能方面,最大传输速率下的丢包率为0.5‰,网关的整体吞吐量为1.6Mbps。网关各项指标达到预期,具备良好的功能与性能。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.9;TN929.5;V443
【部分图文】：

目的IPv6地址(16字节)图 2.4 IPv6 报文格式3)IPv6 报头压缩格式IPv6 数据报的基本头部大小为 40 字节，这会消耗掉 IEEE 802.1.5.4MAC 层数据报将近一半的载荷，而且如果传输层使用 UDP 协议则还需继续用一定的字节空间来存放 UDP 报头。此外，报头中按顺序反复发送的大部分信息都是多余的。这些都会降低IPv6数据报有效载荷的传输效此有必要对 IPv6 的报头进行压缩。RFC4944 规范定义了两种 6LoWPAN 适配层报头压缩方案[18]：用于压缩 IPv6 报头的 HC1 和压缩 UDP 报头的 HC2，其中 HC2 可选择性地被用于 HC1 之中。选择 HC1 需要使用分派字WPAN_HC1(01000010)，并通过报头字节来选择是否采用 HC2。具体地，如果 HC1 的最后一位位，则表示 HC2 也被使用，并通过另一个选项字节来表示。图 2.5 显示了不带和带 HC2 头的采C1 压缩的 IPv6 数据报格式。

第二章 航天器数据采集 WSN 网关的需求与技术4)6LoWPAN 分片格式MAC 层最小 MTU 在 IPv6 中被规定为 1280 字节，对于无法传输 1280 字节数据报的 MAC 层就需要将数据报划分成适合传输的数据链路帧，然后在 IPv6 接收节点中进行重组[19]。6LoWPAN 在分片时并未提供后续分段标志位，而是把待重组的数据报(包括 IPv6 报头和载荷)大小复制到每一个分片中，这样无论哪一个分片最先到达，接收端都能根据收到的第一个分片为整个重组单元分配缓冲区。重组后的数据报大小字段被定义为 datagram_size，其长度为 11 位，允许重组后的单元为 2047B。标识字段 datagram_tag 为 16 位，并与 datagram_size 以及发送接收方的链路层地址相结合，共同用于对重组数据报的区分。datagram_offset 为 8 位，指示出分片在重组后 IPv6 数据报中所在的位置。在 IP 层中计数单位为8B，所以 8 位能够覆盖 2047B 的范围。非初始字段被用于除 6LoWPAN 分段序列的初始段之外的所有分段，其格式如图 2.6 所示。

初始6LoWPAN分段
【参考文献】

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1 张春园;刘兴长;张伟伟;刘玮;;基于Contiki的无线传感器网络平台设计与实现[J];后勤工程学院学报;2014年06期

2 韦小刚;;一种改进型SPI高可靠通信机制设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2014年08期

3 刘乔寿;张伟;王汝言;吴大鹏;;6LoWPAN适配层分片与重组算法性能分析[J];计算机科学;2014年07期

4 朱晓荣;李凤国;;基于Contiki的6LoWPAN适配层的研究与实现[J];信息通信技术;2013年03期

5 钱志鸿;王义君;;面向物联网的无线传感器网络综述[J];电子与信息学报;2013年01期

6 周莉;曹松;安军社;;航天器内环境监测的无线传感器网络应用研究[J];空间科学学报;2012年06期

7 王晓喃;高德民;;6LoWPAN传感器节点的设计与实现[J];传感技术学报;2010年10期

8 张宏科;梁露露;高德云;;IPv6无线传感器网络的研究及其应用[J];中兴通讯技术;2009年05期

9 侯惠峰;刘湘雯;于宏毅;胡捍英;;无线传感器网络与IPv6网络的互联方式研究[J];电信科学;2006年06期

本文编号：2888753