【摘要】：為部署和運行符合桃園灌溉應(yīng)用要求的無線傳感網(wǎng)絡(luò),選取2470 MHz載波頻率,以長時間監(jiān)測數(shù)據(jù)包傳輸率為基礎(chǔ)獲得可靠通信距離為40 m,短時間內(nèi)數(shù)據(jù)包傳輸率監(jiān)測結(jié)果的分析表明無線鏈路在短時間內(nèi)的變化很劇烈,且鏈路間沒有明顯的相關(guān)性。根據(jù)應(yīng)用要求和鏈路特點設(shè)計了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議;為降低監(jiān)聽功耗,對泛洪時間同步協(xié)議進行改進,設(shè)計了更符合本應(yīng)用要求的泛洪-固定根節(jié)點時間同步協(xié)議;針對短時間內(nèi)鏈路質(zhì)量變化劇烈的特點,改進采集樹路由協(xié)議以提高數(shù)據(jù)包傳輸效率,將兩種協(xié)議結(jié)合,設(shè)計了較完備的通信協(xié)議,并在TinyOS無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)上用nesC的編程方法進行實現(xiàn),最后在桃園中進行現(xiàn)場實驗,結(jié)果表明:全網(wǎng)節(jié)點時間同步的誤差小于10 ms,研究的通信協(xié)議與基于MultihopLQI的通信協(xié)議相比,數(shù)據(jù)包傳輸率提高8%~15%,兩節(jié)AA電池可供節(jié)點運行264 d,具有很低的功耗。
【圖文】：

。接收機10min內(nèi)的測量結(jié)果保存在接收機的Flash存儲芯片中，實驗結(jié)束將每個接收機與計算機相連，用程序讀取Flash中的數(shù)據(jù)，然后求出每2次測量的平均值作為該時段內(nèi)該無線鏈路的數(shù)據(jù)包傳輸率。對10條無線鏈路短期內(nèi)的數(shù)據(jù)包傳輸率測量結(jié)果分析如下:①數(shù)據(jù)包傳輸率隨時間變化很大，推測是由溫度［12］、多徑衰落［13］、濕度和噪聲［6］等的影響造成的，幾種因素影響機理有待進一步研究。②無線鏈路數(shù)據(jù)包傳輸率沒有隨晝夜交替而呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。經(jīng)計算，整個短時間范圍內(nèi)，所有鏈路之間的相關(guān)系數(shù)分布如圖1所示，相關(guān)系數(shù)分布在(－0.220，0.212)之間，并且可近似忽略，因此做如下推斷:某一時段內(nèi)，一條鏈路的數(shù)據(jù)包傳輸率降低時，無法直接預(yù)測這一時段內(nèi)另外一條無線鏈路的數(shù)據(jù)包傳輸率，從而直接選擇此時合適的路由節(jié)點以提高數(shù)據(jù)包傳輸效率。圖1相關(guān)系數(shù)的分布Fig．1Distributionofcorrelationcoefficient4通信協(xié)議設(shè)計4.1通信協(xié)議總體設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間晶振周期差異造成的時鐘誤差不可避免，為最大程度減少收發(fā)模塊開啟的時間以節(jié)省節(jié)點有限的能量，需設(shè)計所有節(jié)點在整個運行時間內(nèi)的時間同步協(xié)議以實現(xiàn)所有節(jié)點同時開啟和關(guān)閉收發(fā)模塊［14］。FTSP(泛洪時間同步協(xié)議)協(xié)議［15］通過周期性的廣播時間同步消息包來達到全網(wǎng)同步，該協(xié)議能有效解決根節(jié)點失效的問題并能在原理上抑制非根節(jié)點的廣播，本研究設(shè)計并實現(xiàn)了更符合本應(yīng)用的泛洪-固定根節(jié)點時間同步協(xié)議，它完全能達到本應(yīng)用要求不高的同步精度(同步誤差在數(shù)百毫秒級上已經(jīng)足夠)，與FTSP協(xié)議對比，改進如下:①由競爭產(chǎn)生的根節(jié)點在一定數(shù)目的(本研究的協(xié)議中設(shè)定為30個)消息周期后廣播詢問其他所有節(jié)點是否已經(jīng)在一定數(shù)目的(

圖3一次通信過程示意圖Fig．3Processofcommunication持部署間隔為40m(有的節(jié)點間隔小于40m，由第2節(jié)可知，小于40m也能保證可靠通信)，用5個TelosB節(jié)點作為參考節(jié)點分散部署在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間，每隔15s發(fā)送消息，實驗過程中保持所有節(jié)點電路板平面與地平面垂直并將所有節(jié)點CC2420芯片輸出功率設(shè)置為0dBm，節(jié)點的一個工作周期由一次通信過程時間(實驗中設(shè)置為20s)和一次無線收發(fā)模塊關(guān)閉時間(實驗中設(shè)置為1780s)組成，一次通信過程中T1、T2、T3時隙分別為7.5s、5.0s、7.5s，由根節(jié)點將所有TelosB節(jié)點虛擬的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送至上位機并在Cygwin平臺下通過TinyOS-2.1.0中的Printf函數(shù)進行顯示，運行時間為2013年6月10日10:00～2013年6月20日10:00，由運行結(jié)果可見，所有節(jié)點均能同時開始和結(jié)束一次通信過程，將每個節(jié)點Flash中存儲的該節(jié)點估計的每次無線模塊開啟時刻和接收到參考節(jié)點發(fā)送的消息的時刻所對應(yīng)的根節(jié)點的時間讀出并進行誤差分析，結(jié)果表明整個實驗時間內(nèi)，，全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點的最大同步誤差均小于10ms，這一精度足夠達到桃園中無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。5.2路由協(xié)議對比實驗MultihopLQI是一個認(rèn)可度很高、測試充分、應(yīng)用廣泛的路由協(xié)議，是常用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的對比協(xié)議［16］。由于本研究設(shè)計和實現(xiàn)的通信協(xié)議融合了時間同步協(xié)議和路由協(xié)議，將其與單一的MultihopLQI路由協(xié)議進行對比實驗是不合理的，必須在共有的時間同步協(xié)議基礎(chǔ)上進行對比，因此實驗中用作對比的通信協(xié)議的設(shè)計方法是:首先完全采用本研究設(shè)計的泛洪－固定根節(jié)點時間同步協(xié)議做到時間同步，然后在開啟無線模塊的時間(一次通信過程)內(nèi)分配信標(biāo)的專用時隙以確保鏈路代價評估，之后采用MultihopLQI路由協(xié)議，即每個節(jié)點通?
【作者單位】： 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院;浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院;
【基金】：寧波市自然科學(xué)基金資助項目(2011A610135) 浙江省科技廳重大科技專項(優(yōu)先主題)工業(yè)項目(2009C11041)
【分類號】：TP212.9;TN929.5;S662.1

【參考文獻】

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【二級參考文獻】

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5 張秋月;基于強度型波/時分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)研究[D];燕山大學(xué);2011年

6 仇雷杰;無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有效數(shù)據(jù)收集技術(shù)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

7 劉瑞玲;基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D];蘭州大學(xué);2011年

8 曲南;無線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于探測拓?fù)涞母采w空洞問題[D];華東理工大學(xué);2011年

9 錢仇圣;基于TCP/IP協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究與實踐[D];蘇州大學(xué);2010年

10 彭志成;基于分簇路由協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

本文編號：2549693