基于Zigbee的无线传感网络能耗控制方法研究

发布时间：2017-04-13 15:18

  本文关键词：基于Zigbee的无线传感网络能耗控制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代通信技术发展越来越迅速,尤其是无线通信技术,其典型代表为无线传感网络技术。而Zigbee技术在无线传感网络技术中发展速度最快,已经被广泛的应用在人们的日常生活中。Zigbee技术越来越受到关注的原因在于其低功耗、低成本、高稳定性以及高安全性等优点。但是,随着Zigbee技术的不断推广,限制Zigbee技术继续发展的一些关键问题也渐渐凸显出来。其中最为重要的是基于Zigbee技术的传感器节点续航时间问题。如何才能延长传感器节点正常工作使用寿命?各种解决方案相继被提出:如研发超低功耗Zigbee芯片、采用可在生能源,由外界生物能转化为电能给传感器节点供电;内部数据压缩算法的提出;功率控制;终端设备休眠管理。本文就如何降低传感器节点能耗也给出了一些建议。首先从硬件选型上阐明了低功耗MCU能最大限度的降低节点能耗。而且低功耗MCU必须具备可调的电源工作模式,即必须可以在正常工作状态与休眠状态下互相转换。为了满足通信需求,节点还需要具备射频收发功能,且发送功率可调。然后对其软件设计部分做了相应的优化,使网络在完成通信任务的同时尽可能少的执行其他数据处理操作,以此来降低能耗。其次研究了在无线传感网络物理层中发送功率对无线传感器节点能量消耗的影响,得到了在AWGN衰减信道、Rayleigh衰减信道下动态的改变传输信号发送功率相比固定信号传输发送功率更能节省节点能量消耗。最后本文对zstack协议进行了优化配置,启动了可调电源工作模式;然后实现了终端节点的睡眠函数,使节点能够在无任务空闲侦听的情况下进入休眠工作模式。通过电阻-示波器测试法观测了终端节点在休眠与非休眠状态下节点的电流消耗,估算出在这两种状态下终端节点的具体能量消耗,结果表明在休眠状态下终端节点能量消耗大大降低,相比于非休眠工作状态,节点生命周期延长了98.56%。
【关键词】：无线传感网络 衰减信道 低功耗 功率控制 休眠策略
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN92
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 无线传感网络概述11-13
• 1.2 无线传感网络的能耗控制13-14
• 1.3 国内外研究动态14-15
• 1.4 论文的研究背景及意义15-16
• 1.5 论文的主要内容和章节安排16-17
• 第2章 Zigbee无线传感器网络原理及其结构介绍17-31
• 2.1 Zigbee技术概述17-19
• 2.1.1 Zigbee技术17-18
• 2.1.2 Zigbee技术的应用18-19
• 2.2 Zigbee无线传感器网络拓扑结构19-20
• 2.2.1 星状网络拓扑结构19-20
• 2.2.2 网状网络拓扑结构20
• 2.3 Zigbee协议架构20-30
• 2.3.1 物理层21-24
• 2.3.2 介质访问控制层24-29
• 2.3.3 网络层29-30
• 2.3.4 应用层30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 Zigbee无线传感网络节点整体设计31-39
• 3.1 低功耗芯片选型31-32
• 3.1.1 选型要求31
• 3.1.2 低功耗芯片的比较分析31-32
• 3.2 硬件系统框架32-35
• 3.2.1 处理器模块33-34
• 3.2.2 JTAG接口模块34
• 3.2.3 射频模块34-35
• 3.2.4 复位电路35
• 3.2.5 电源电路35
• 3.3 节点软件设计35-38
• 3.3.1 软件设计整体框架36
• 3.3.2 系统初始化程序36-37
• 3.3.3 电源电压检测37-38
• 3.3.4 数据发送流程38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 不同信道下节点能耗控制的性能优化39-52
• 4.1 功率控制方法39-40
• 4.2 物理层能耗模型40-41
• 4.3 OQPSK调制解调原理概述41-44
• 4.3.1 QPSK调制解调原理41-43
• 4.3.2 OQPSK调制解调原理43-44
• 4.4 不同信道下能耗性能分析44-47
• 4.4.1 AWGN信道45-46
• 4.4.2 Rayleigh衰减信道46-47
• 4.5 仿真分析47-51
• 4.5.1 能耗优化分析48-50
• 4.5.2 最优发送功率50-51
• 4.6 本章小结51-52
• 第5章 可动态休眠的节点能耗控制策略与测试52-64
• 5.1 无线传感节点能耗管理优化策略52-53
• 5.2 无线传感节点优化策略的实现53-56
• 5.2.1 协议栈配置53-54
• 5.2.2 用户消息的建立与睡眠函数实现54-56
• 5.3 测试方案介绍56-57
• 5.3.1 测试电阻的选取56
• 5.3.2 测试平台搭建56-57
• 5.4 终端节点带休眠测试数据分析57-60
• 5.4.1 定时发送数据请求包57-59
• 5.4.2 定时发送传感数据和定位数据59-60
• 5.5 终端节点带休眠与不带休眠测试数据对比分析60-62
• 5.5.1 带休眠测试数据估算60-61
• 5.5.2 不带休眠测试数据估算61-62
• 5.5.3 休眠与不带休眠比较62
• 5.6 本章小结62-64
• 总结与展望64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 附录A （攻读学位期间发表论文情况）70

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