时间同步技术在无线传感网中的应用研究

发布时间：2017-04-07 21:26

  本文关键词：时间同步技术在无线传感网中的应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传感技术获取信息靠传感器,当许多传感器协同组成一个网络系统进行信息检测时,这些传感器就形成一个无线传感器网络(WSN)。WSN的应用研究在军事方面、环境方面、医疗方面、家庭方面、工业方面等都有涉及,但WSN的研究面临着许多挑战,包括网络技术、信号处理技术以及分布式算法等。WSN不同应用对传感器节点的时序要求各不相同。有的系统对时序精度要求较高,希望能够保证各个节点间时序同步,才能协作完成对复杂的物理环境的准确感知、信息采集或目标监测任务。这些对时序有较高要求的网络,使得时问同步技术在WSN通信中成为关键。有线网络的时间同步技术已经得到很多关注,但这些技术并不适用于WSN。文章详细介绍3种WSN时间同步技术同步原理和目前现有的已经成熟的同步算法机制,为文章研究WSN多跳时间同步技术奠定良好的基础。研究生期间做如下工作：(1)重点研读接收端-接收端时间同步机制。掌握其代表算法RBS同步算法,并进一步深入研究RBS多跳区域同步状况,发现RBS多跳算法,发射端只能作为第三方节点,不能和接收节点同步；另外,RBS算法运算过程开销比较大。(2)针对RBS多跳情况下存在问题,提出RBRS算法(References Broadcast Ring Synchronization, RBRS)该算法建立环形物理网络拓扑,采用广播分组和最小平方线性回归的方法实现整个网络的时间同步。并使用matlab软件进行仿真,实验结果表明RBRS算法和RBS多跳算法相比同步开销显著减少并且发送方能实现和接收方同步。(3) RBRS算法虽然存在一定的优势,但在同步精度方面没有太大的提高。因此,提出IRBRS (Improved References Broadcast Ring Synchronization, IRBRS)算法。其加入可变周期同步法和最小二乘线性回归法实现中小型网络多跳时间同步。仿真沿用RBRS算法仿真环境,实验结果显示,IRBRS算法同步开销又一次降低,能量消耗降低,同时同步精度显著提高。(4)网络系统硬件设计的过程中,首先搭建网络硬件模型,着重对网络节点进行设计。根据网络系统的要求,选用TMS320F2812作为节点的主控制芯片和nRF24L01为无线收发模块芯片,以及对F2812最小系统进行设计,制作网络节点。在网络系统中,赋予网络节点身份,进行单区域中网络节点的信标分组的发送和接收调试。结果表明,IRBRS算法对网络节点时钟的矫正精度相较于RBRS算法和RBS算法要高,和理论分析结果、仿真结果一致,取得较好的效果。在软件设计方面,设计F2812控制流程以及节点间的发送和接收流程。在系统软硬件的基础之上对系统进行调试和检测。由于条件和时间的限制,基于多跳RBS时间同步算法的研究,只进行到这一步,网络多变的拓扑结构,有限的节点能量和存储资源等问题今后可进一步考虑和探究。
【关键词】：WSN 多跳 时间同步算法 误差开销分析 网络节点
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景及现状13-16
• 1.1.1 课题研究背景13-15
• 1.1.2 课题研究现状15-16
• 1.2 课题研究目的和意义16-19
• 1.2.1 课题研究目的16-17
• 1.2.2 课题研究意义17-19
• 1.3 课题研究的主要内容19-21
• 第2章 WSN时间同步算法简介21-26
• 2.1 引言21
• 2.2 WSN时间同步技术分类21-23
• 2.2.1 单向信息交换21-22
• 2.2.2 双向信息交换22
• 2.2.3 接收端-接收端同步22-23
• 2.3 WSN时间同步算法机制23-25
• 2.3.1 基于树的轻量级同步23
• 2.3.2 基于发射端-接收端同步23
• 2.3.3 洪泛时间同步协议23-24
• 2.3.4 时间扩散同步协议24
• 2.3.5 Mini-Sync和Tiny-Sync同步24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 WSN多跳时间算法的研究26-35
• 3.1 引言26
• 3.2 RBS多跳时间同步算法26-28
• 3.2.1 多跳同步过程26-27
• 3.2.2 RBS多跳算法的评析27-28
• 3.3 RBRS算法实现28-30
• 3.3.1 区域划分阶段28-29
• 3.3.2 同步阶段29-30
• 3.4 RBRS算法性能分析30-31
• 3.4.1 误差分析30-31
• 3.4.2 同步开销分析31
• 3.5 仿真结果分析31-34
• 3.6 本章小结34-35
• 第4章 WSN多跳优化算法的研究35-44
• 4.1 引言35
• 4.2 RBRS算法评析35-36
• 4.3 IRBRS同步算法36-40
• 4.3.1 可变同步周期法36-39
• 4.3.2 相位偏差估计法39-40
• 4.4 算法仿真验证40-42
• 4.5 本章小结42-44
• 第5章 WSN时间同步优化算法的软硬件设计44-64
• 5.1 系统总体设计44-45
• 5.2 系统组成功能45-46
• 5.3 网络节点硬件设计46-53
• 5.3.1 网络节点处理器46-48
• 5.3.2 晶振电路设计48
• 5.3.3 存储器FLASH电路设计48-49
• 5.3.4 JTAG接口电路设计49-50
• 5.3.5 电源电路设计50
• 5.3.6 显示电路设计50-51
• 5.3.7 串口电路设计51-52
• 5.3.8 无线收发模块设计52-53
• 5.4 系统控制设计53-59
• 5.4.1 F2812控制实现53-56
• 5.4.2 节点间发送和接收流程56-59
• 5.5 系统硬件调试59-62
• 5.6 本章小结62-64
• 第6章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-71
• 攻读学位期间发表的学术论文目录71-72
• 攻读学位期间取得的科研成果目录72-73
• 攻读学位期间获得的奖励目录73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王玉秀;黄剑;石欣;王小刚;;基于分簇的低功耗多跳无线传感器网络层次时间同步算法[J];计算机应用;2013年02期

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本文编号：291360