基于mesh网络的舱内无线通信低功耗技术研究
发布时间：2021-12-16 16:38
在舱内复杂、空间有限的环境下,利用无线通信系统来检测舱内设备健康状况的检测有着重要意义。无线mesh网络具有灵活、多跳、低成本的特点,逐渐成为了一种主流的无线传感网络,本文在无线mesh网络的基础上构建应用于舱内的无线通信系统。此外,无线mesh节点完全依赖电池供电,电池电量有限,针对这些问题,本文对实现系统的低功耗进行了设计。本文的主要研究工作主要包括以下三个方面:首先,设计了低功耗mesh硬件系统。分析了应用场景对无线通信系统提出的需求,选择了具有较高通信速率的Wi-Fi芯片ESP32作为组网芯片;针对系统能量供应模块,设计了双电源方案,在主电池能量不足以维持节点工作时,可自动平稳切换至备用电池,同时也能在节点工作期间更换电池而不影响节点的正常工作;设计了高精度的模数转换电路采集传感器振动数据。硬件系统的设计均选择的低功耗器件。其次,对低功耗无线mesh网络进行了软件设计。根据mesh协议搭建了无线mesh网络;根据TPSN协议实现了网络时钟同步,在时钟同步的基础上实现网络中节点的同步休眠与唤醒;采用了功率控制机制使无线mesh节点自动调整发射功率从而实现降低节点能耗以及提高网络性...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统局域网架构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1第1章绪论1.1研究背景及意义在船舶、潜艇等舱内，空间密闭，里面遍布各种金属设备，环境复杂。当对舱内设备进行状态检测、故障诊断时，若使用有线连接通信的方式会使封闭复杂的环境更加复杂。相对而言，采用无线通信的方式无疑是更好的选择。传统的局域网络架构如图1-1所示，通常是多个无线传感器节点接入同一个中心节点AP(AccessPoint)，AP负责所有节点之间的信息交互，这样的架构其实有较多的限制[1]：节点不能距离AP太远，因为所有节点与AP直接相连，AP通信范围之外的节点无法与之建立通信；当AP故障时，将导致整个网络的瘫痪；网络容量受AP的容量限制，容易超载。而无线mesh网络是一种异常灵活的网络，其网络架构如图1-2所示，由于其多跳的特性，每个节点都可以连接多个其他节点，当中间某个节点因故障停止工作时，剩余节点可以重新自主形成新的网络拓扑结构从而形成新的数据传输通道，这种特性也可以解决舱内因障碍物遮挡造成节点间通信质量不佳的问题。图1-1传统局域网架构图1-2无线mesh网络架构无线传感网络节点通常被大量部署在舱内的各个地方，一般是依靠节点自身携带的电池供电，节点电池电量有限，且随着使用电池电量逐渐降低，当下降到一定程度不足以给节点供电时，该节点停止工作。同时，大量节点的停止工作将导致整个网络系统的瘫痪。这就决定了节点对低功耗的迫切需求[2]。节点能耗直接关系着节点的使用寿命，也就影响整个网络感知范围的大孝有效感知生命的长短。因此实现低功耗、延长无线传感网络的使用寿命是至关重要的。可以通过设计低功耗的硬件电路降低节点的硬件功耗；通过节点休眠、功率控制等技术降低无线网络的平均功耗[3]。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2本文旨在设计面向舱内应用场景的无线通信系统，在实现网络中所有节点时钟同步的基础上，实现网络节点的周期性同步休眠来降低功耗；同时利用功率控制技术进一步降低节点功耗；再结合无线mesh网络灵活、多跳转发的特点，就能建立一个稳定、持久、高质量的无线通信系统。1.2国内外发展现状1.2.1无线mesh网络的国内外研究现状无线mesh网络（WirelessmeshNetwork,WMN），即“无线网格网络”，是一种“多跳”网络，由Ad-hoc网络发展而来[4]。Ad-hoc网络中的每一个节点都是移动的，并且能以任意方式动态的保持与其它节点的连接，因此WMN继承了无线Ad-hoc网络无中心、无基础设施、多跳、自组织的特点，同时网络中的每个节点都能充当转发节点来传输数据[5]，其网络架构如图1-3所示。WMN最早被应用于美国军方，随着无线通信技术的发展，因其灵活的特点被民用市场关注，并很快成为了无线通信领域的研究热点[6]。图1-3无线mesh网络架构示意图[7]国外对于WMN的研究比较深入，已经存在许多搭建的平台和项目。1998年，摩托罗拉公司历时12年完成了铱星系统，由66颗卫星组成，在mesh网络下工作[8]。这种拓扑结构将各种无线链路与其他卫星连接起来，语音呼叫可以通过mesh网络在一颗卫星和另一颗卫星之间通过星座进行通信，而无需将信号传输到地面站，可以大大降低延迟。进入21世纪，MWN得到了迅速的发展，美国的Networks公司于2000年购买了美国军方的部分Ad-hoc技术，在此技术基础上研发出了无
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ZigBee技术的无线传感器网络在海洋生态环境监测中的应用研究[J]. 刘凤庆,马海宽,吴宁,马然,曹煊. 山东科学. 2019(06)
[2]海上无线宽带网络架构研究现状及相关技术展望[J]. 段建丽,林彬,王莹,何荣希. 电讯技术. 2018(08)
[3]无线传感器网络功率控制技术研究[J]. 王云鹤,王忠宝. 南方农机. 2018(14)
[4]面向无线Mesh网的集中式IP地址分配方案[J]. 李越. 计算机应用与软件. 2017(06)
[5]基于卫星及无线Mesh网的组网技术研究与应用[J]. 付荣国,肖飞,郑黄海,张耀. 现代电子技术. 2017(11)
[6]无线Mesh网络的能耗效率分析[J]. 刘万柱. 中国新通信. 2017(05)
[7]适用于周期休眠MAC协议的分簇时间同步算法[J]. 苏金钊,刘丽艳,吴威. 计算机研究与发展. 2010(11)
[8]一种基于功率控制的无线传感器网络跨层通信协议[J]. 纪鹏,吴成东,张云洲,贾子熙. 东北大学学报(自然科学版). 2009(12)
[9]Key Technology and Experimental Research in Wireless Mesh Networks[J]. Liu Zhimin, Yang Yi, Xu Yingqing (School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871, China). ZTE Communications. 2008(02)
博士论文
[1]基于功率调节的无线传感器网络拓扑控制技术研究[D]. 赵学健.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]矿井救援人员精确定位技术研究[D]. 吴文庆.西安科技大学 2019
[2]面向轨道交通的低功耗无线传感器网络研究与实现[D]. 寸怡鹏.北京交通大学 2019
[3]基于802.11ac舱内通信抗干扰技术研究[D]. 许飞.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于排队论的低功耗无线传感技术及其应用[D]. 王志繁.宁波大学 2017
[5]无线传感器网络时间同步协议TPSN改进算法的分析与研究[D]. 杨小春.内蒙古大学 2016
[6]低功耗无线传感网络节点电路的研究[D]. 张文凯.重庆大学 2015
[7]无线传感器网络功率控制研究[D]. 柯珊珊.华北电力大学 2014
[8]DVS技术研究及其在全站仪设备中的应用[D]. 詹云.苏州大学 2011
[9]无线传感器网络节能及功率控制的设计与实现[D]. 许广红.北京交通大学 2008
本文编号：3538470
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统局域网架构
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1第1章绪论1.1研究背景及意义在船舶、潜艇等舱内，空间密闭，里面遍布各种金属设备，环境复杂。当对舱内设备进行状态检测、故障诊断时，若使用有线连接通信的方式会使封闭复杂的环境更加复杂。相对而言，采用无线通信的方式无疑是更好的选择。传统的局域网络架构如图1-1所示，通常是多个无线传感器节点接入同一个中心节点AP(AccessPoint)，AP负责所有节点之间的信息交互，这样的架构其实有较多的限制[1]：节点不能距离AP太远，因为所有节点与AP直接相连，AP通信范围之外的节点无法与之建立通信；当AP故障时，将导致整个网络的瘫痪；网络容量受AP的容量限制，容易超载。而无线mesh网络是一种异常灵活的网络，其网络架构如图1-2所示，由于其多跳的特性，每个节点都可以连接多个其他节点，当中间某个节点因故障停止工作时，剩余节点可以重新自主形成新的网络拓扑结构从而形成新的数据传输通道，这种特性也可以解决舱内因障碍物遮挡造成节点间通信质量不佳的问题。图1-1传统局域网架构图1-2无线mesh网络架构无线传感网络节点通常被大量部署在舱内的各个地方，一般是依靠节点自身携带的电池供电，节点电池电量有限，且随着使用电池电量逐渐降低，当下降到一定程度不足以给节点供电时，该节点停止工作。同时，大量节点的停止工作将导致整个网络系统的瘫痪。这就决定了节点对低功耗的迫切需求[2]。节点能耗直接关系着节点的使用寿命，也就影响整个网络感知范围的大孝有效感知生命的长短。因此实现低功耗、延长无线传感网络的使用寿命是至关重要的。可以通过设计低功耗的硬件电路降低节点的硬件功耗；通过节点休眠、功率控制等技术降低无线网络的平均功耗[3]。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2本文旨在设计面向舱内应用场景的无线通信系统，在实现网络中所有节点时钟同步的基础上，实现网络节点的周期性同步休眠来降低功耗；同时利用功率控制技术进一步降低节点功耗；再结合无线mesh网络灵活、多跳转发的特点，就能建立一个稳定、持久、高质量的无线通信系统。1.2国内外发展现状1.2.1无线mesh网络的国内外研究现状无线mesh网络（WirelessmeshNetwork,WMN），即“无线网格网络”，是一种“多跳”网络，由Ad-hoc网络发展而来[4]。Ad-hoc网络中的每一个节点都是移动的，并且能以任意方式动态的保持与其它节点的连接，因此WMN继承了无线Ad-hoc网络无中心、无基础设施、多跳、自组织的特点，同时网络中的每个节点都能充当转发节点来传输数据[5]，其网络架构如图1-3所示。WMN最早被应用于美国军方，随着无线通信技术的发展，因其灵活的特点被民用市场关注，并很快成为了无线通信领域的研究热点[6]。图1-3无线mesh网络架构示意图[7]国外对于WMN的研究比较深入，已经存在许多搭建的平台和项目。1998年，摩托罗拉公司历时12年完成了铱星系统，由66颗卫星组成，在mesh网络下工作[8]。这种拓扑结构将各种无线链路与其他卫星连接起来，语音呼叫可以通过mesh网络在一颗卫星和另一颗卫星之间通过星座进行通信，而无需将信号传输到地面站，可以大大降低延迟。进入21世纪，MWN得到了迅速的发展，美国的Networks公司于2000年购买了美国军方的部分Ad-hoc技术，在此技术基础上研发出了无
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ZigBee技术的无线传感器网络在海洋生态环境监测中的应用研究[J]. 刘凤庆,马海宽,吴宁,马然,曹煊. 山东科学. 2019(06)
[2]海上无线宽带网络架构研究现状及相关技术展望[J]. 段建丽,林彬,王莹,何荣希. 电讯技术. 2018(08)
[3]无线传感器网络功率控制技术研究[J]. 王云鹤,王忠宝. 南方农机. 2018(14)
[4]面向无线Mesh网的集中式IP地址分配方案[J]. 李越. 计算机应用与软件. 2017(06)
[5]基于卫星及无线Mesh网的组网技术研究与应用[J]. 付荣国,肖飞,郑黄海,张耀. 现代电子技术. 2017(11)
[6]无线Mesh网络的能耗效率分析[J]. 刘万柱. 中国新通信. 2017(05)
[7]适用于周期休眠MAC协议的分簇时间同步算法[J]. 苏金钊,刘丽艳,吴威. 计算机研究与发展. 2010(11)
[8]一种基于功率控制的无线传感器网络跨层通信协议[J]. 纪鹏,吴成东,张云洲,贾子熙. 东北大学学报(自然科学版). 2009(12)
[9]Key Technology and Experimental Research in Wireless Mesh Networks[J]. Liu Zhimin, Yang Yi, Xu Yingqing (School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871, China). ZTE Communications. 2008(02)
博士论文
[1]基于功率调节的无线传感器网络拓扑控制技术研究[D]. 赵学健.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]矿井救援人员精确定位技术研究[D]. 吴文庆.西安科技大学 2019
[2]面向轨道交通的低功耗无线传感器网络研究与实现[D]. 寸怡鹏.北京交通大学 2019
[3]基于802.11ac舱内通信抗干扰技术研究[D]. 许飞.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于排队论的低功耗无线传感技术及其应用[D]. 王志繁.宁波大学 2017
[5]无线传感器网络时间同步协议TPSN改进算法的分析与研究[D]. 杨小春.内蒙古大学 2016
[6]低功耗无线传感网络节点电路的研究[D]. 张文凯.重庆大学 2015
[7]无线传感器网络功率控制研究[D]. 柯珊珊.华北电力大学 2014
[8]DVS技术研究及其在全站仪设备中的应用[D]. 詹云.苏州大学 2011
[9]无线传感器网络节能及功率控制的设计与实现[D]. 许广红.北京交通大学 2008
本文编号：3538470
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3538470.html
