低功耗小型无线传感器网络的研究与设计

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近几年来,无线传感器网络在智能交通、环境监测以及仓储管理等大型领域得到了广泛应用。但现有几种应用于无线传感器网络的无线通信标准(如:Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee等近距离无线通信技术)因其“通用性强“的特点,在开发周期、功耗、成本等方面有着局限性。然而,小范围的通信场合对近距离、低功耗、低成本的专用无线网络有很大的需求,本文设计了一种面向小型化应用、低功耗的无线通信网络——SWSN网络。文章介绍了无线传感器网络的国内外研究现状和成果,分析了几种现有短距离无线通信技术在实际应用中的不足。基于以上分析,文章提出了一种面向小型化应用的、低功耗的无线通信网络——SWSN网络。然后,文章分别从网络协议栈框架、网络设备类型、网络拓扑结构以及协议帧格式四个方面对SWSN网络协议内容进行了详细地阐述,同时给出了SWSN协议的软件实现方法,结果表明,实现SWSN协议仅需要12K Bytes左右的存储空间。网络层设计是SWSN网络的核心部分,本文主要从网络层管理、网络层数据服务管理以及网络安全管理对网络层的设计进行了研究。同时本文从网络节点设计和无线通信控制两个方面对SWSN网络的低功耗进行了研究,引入了一种基于接收信号强度的发送功率控制方法SSB-TPC,在通信过程中能根据无线信道的状况自适调整发送功率。实验结果表明,在引入SSB-TPC机制后网络节点的功耗下降了35.7%。最后,本文对SWSN网络无线通信的能量消耗进行了测试,并与其他无线通信网络的功耗进行了对比。测试结果表明,SWSN网络中的无线通信能量消耗得到了有效地控制和降低。最后文章对SWSN网络的通信性能进行了测试和验证。首先设计一个面向SWSN网络的测试系统,然后基于此系统,对SWSN网络的通信强度、通信范围以及数据丢包率分别进行了测试。实验结果表明:SWSN网络在一定范围内具有较强的通信能力且网络稳定,同时具有开发周期短、网络能耗低、组网简便灵活等特点。
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