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计算机开题报告
时间:2011-01-23 浏览次数:1196次 无忧论文网
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开题报告
论文题目 无线传感器网络及其低功耗技术研究
专    业  计算机应用技术  
一、 目的意义和国内外研究概况
1. 目的意义:
无线传感器网络是最近几年来颇受世界关注的一种网络技术,与当前的移动通信网络、无线局域网等相比较,无线传感器网络具有很大的发展潜力。首先,无线传感器网络是无需基础设施支持的,各节点间可以自组成网。其次,无线传感器网络是一种面向数据获取的应用型分布式、高密度、动态链接的无线网络体系,主要针对缺乏或难以建立通信基础设施的地域,以无线网络通信为平台提供数据。
传感器网络有着巨大的应用前景,建筑在各类传感网络节点平台上的、面向海陆空全方位应用需求的各类研究项目更是层出不穷。以下仅列出其中几个代表典型应用的项目为例,比如用于环境监测、气象现象的观测和天气预报、生物群落的微观观测、洪灾的预警、农田管理、智能家居、智能交通、辐射监测的研究,用于定位的Cricket和Echo,以及用于医疗的SSIM项目,今后还会用于工厂的无线实时监控等。相信随着研究工作的不断深入和发展,各种传感器网络将最终遍布我们的生活环境,从而真正实现“无处不在的计算”。
无线传感器网络是监视远程环境的有力工具,引起了各国研究人员的重视。国外已经开发出了很多的演示系统,但是在一些关键技术上,仍然有很多的问题需要解决。在我国,这方面的研究处于起步阶段,因此对无线传感器网络的理论和应用进行研究有着十分重要的意义。

2. 国内外研究概况:
在美国自然科学基金委员会的推动下,美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。我国的哈尔滨工业大学和黑龙江大学也从2002年起开始了对传感器网络的研究。
学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上,也开展了一些感知数据查询处理技术的研究,取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段,大量的问题还没有涉及到。
传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统,构成了无线传感器网络的基础层支持平台。目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计,它们在实现原理上是相似的,只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式,比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。 典型的节点包括Berkeley Motes,Wensoria WINS,Berkeley Piconodes,MIT uAMPs,SmartMesh Dust mote,Intel iMote以及Intel Xscale nodes,ICTCAS/HKUST的BUDS等。
二、 论文的理论依据、研究方法、研究内容
1. 理论依据:
无线传感器网络的概念
无线传感器网络是由众多传感器节点以自组织、多跳方式构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网络覆盖的地理区域中感知对象的各种信息,并发送给观测者。
无线传感器网络的网络结构
监测区域中随机分布着大量的传感器节点,这些节点以自组织方式构成网络结构。每个节点既有数据采集又有路由功能,采集数据经过多跳传递给汇聚节点,连接到互联网。在网络的任务管理节点对信息进行管理、分类、处理,供用户进行集中处理。
无线传感器网络节点结构
传感器节点通常包括无线通信模块、处理模块传感器模块和能量供应模块四部分。依据应用需求,它可能还有定位模块,能源补给模块或者移动模块。传感器模块负责信息采集和数据转换;传感器的选择标准基于精度与功耗的折中;根据不同的应用,有些传感器是暂时不用的,为了达到节能的目的,系统硬件可以采用多路数字开关阵列控制各个传感器的电源,这样在应用软件中可以灵活控制不同传感器的开关;处理模块控制整个传感器节点的操作,处理本身采集的数据和其他节点发来的数据,运行高层网络协议等;处理器可以采用通用嵌入式CPU,但是随着单片机运算速度的提高以及功能的扩充,以及出于降低功耗和节约成本的考虑,现有节点的硬件一般都采用一些高性能的单片机;无线收发模块负责与其他传感器节点通信,主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常是微型蓄电池。
无线传感器网络协议
物理层负责数据的调制、发送与接收,该层的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗,研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点;数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制减少邻居节点广播的冲突。路由层实现数据融合,负责路由生成和路由选择。传输控制层负责数据流的传输控制,协作维护数据流,是保障通信质量的重要部分。TCP转文是Internet上通用的传输层协议,但无线传感器网络的资源受限、拓扑结构动态变化等特点会严重影响TCP协议的性能。基于检测任务的不同,在应用层上开发和使用不同的应用层软件。WSN的应用支撑服务包括时间同步和节点定位。其中:时间同步服务为协同工作的节点同步本地时钟;节点定位服务依靠有限的位置已知节点(信标),确定其他节点的位置,在系统中建立起一定的空间关系。路由协议和MAC(媒体访问控制)协议对无线通信模块的能量消耗起着关键影响。
无线传感器网络研究的关键性问题
安全性——安全是系统可用的前提,需要在保证通信安全的前提下,系统开销,研究节能的安全算法
能量有限——传感器的电源极其有限,网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃,电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题(传感器传输信息要比执行计算更消耗电能)。因此需要研究在网络工作过程中节省能源,在完成应用要求任务的前提下,尽量延长整个网络系统的生存期。
数据融合——数据融合是将多份数据或信息进行综合,以获得更符合需要的结果的过程。数据融合技术应用在传感器网络中,可以在汇聚数据的过程中减少数据传输量,提高信息的精度和可信度,以及网络收集数据的整体效率。在传感器网络的设计中,只有面向应用要求设计针对性强的数据融合方法,才能最大程度的获益。
移动管理——这个问题实质就是没有无线基础设施的无线传感器网络中节点查询问题。
扩展性——网络的覆盖区域可能不同,节点的个数也在变化,这就要求网络的机制具有很强的可扩展性,能够动态地适应网络规模和节点个数的变化,保证网络应用的需求。
健壮性——由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大,不可能人工照顾每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。因此,传感器网络的软硬件必须具有高强壮性和容错性。
无线传感器网络的发展前景
IEEE 802.15.4/ZigBee协议:这种协议是由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的,其突出的特点是网络系统支持极低成本、容易实现、数据传输可靠、短距离操作、功耗极低、定义了各层次的安全性等。而且这种协议简单,国际通用。
Pyxos平台:Pyxos是一个“轻量级”的新颖且独立于媒介的控制联网技术平台。首款IC大小5×5mm,Pyxos网络打算被集成到传感器或执行器内,其目标是低成本无线传感器网络市场。分析人士指出,这有可能对基于IEEE 802.15.4无线电的开放无线标准ZigBee构成挑战。

2. 研究方法:
(1) 参考国内外文献资料,研究无线传感器网络的体系结构及IEEE802.15.4/ZigBee网络协议
(2) 结合现有的CrossBow公司本毕业论文由无忧论文网www.51lunwen.net整理提供的无线传感器网络资源,分析研究无线传感器网络的节能机制, 在此基础上进一步提出优化方案(主要对链路层的MAC子层进行优化).
(3) 利用NesC编程环境PN2,编程实现优化方案;并编译下载至Mote中进行实验分析,得出结论.

3. 研究内容:
(1)  无线传感器网络的概念,体系结构及特点
(2)  无线传感器网络的各层网络协议的分析研究
(3)  根据无线传感器网络能量有限的特性,对其低功耗方面进行探索性研究
三、 研究条件和可能存在的问题
1. 研究条件:
国内外文献资料  实验设备  编程环境
2. 可能存在的问题:
四、 预期的结果
在实验平台上能实现无线传感器网络功能;
对网络协议栈进行优化后,使其尽量达到当前无线传感器网络的低功耗要求。
五、 进度安排
5月18日止提交论文终稿.

 

 

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