无线传感器网络低功耗MAC协议的研究与应用

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无线传感器网络由大量部署在监测区域的传感器节点组成,在军事、医疗、交通、环境等检测领域具有广泛的应用前景。传感器节点具有传感、数据处理和无线通讯功能,彼此之间通过自组织方式构成网络,通过节点之间多跳的方式进行数据通讯,将数据信息及时有效的发送给用户。由于节点能量供给有限,故降低节点能耗,延长网络寿命在无线传感器网络中显得十分重要。因此,设计低功耗无线传感器网络协议,是无线传感器网络实用化的重要技术支撑。媒体接入访问控制(MAC)在无线通信中决定无线信道的使用方式,为传感器节点分配有限的无线通信资源,有着重要的作用。无线传感器网络以能耗为首要考虑指标,根据无线传感器网络的链路层造成能量浪费的主要问题,针对某些以数据为中心的监测系统,如高压输电网监测系统,本文提出了一种事件驱动机制为核心的自适应MAC协议——ED-MAC协议和一种基于WSN的高压输电网的监测系统方案。本文提出的ED-MAC协议利用事件驱动机制体系理论,将事件驱动机制与无线传感器网络的特点相结合,是一种流量自适应低功耗的MAC层协议;定义了4种事件状态,分别为闲置事件状态、普通事件状态、激烈事件状态和预警事件状态,根据不同的事件状态执行相应的事件处理措施,以降低网络中冗余数据量;通过定义数据帧的优先级,当数据传输发生冲突时,则优先级高的数据帧更有机会占据信道传输数据;通过合理分配虚拟专用通道来保证事件数据信息的快速可靠安全传输到服务器端。ED-MAC协议采用休眠机制以节约能耗,虚拟簇机制以降低网络的复杂度。NS2仿真实验证明,ED-MAC协议比S-MAC协议具有好的能量高效性和较低的数据帧延时。基于WSN的高压输电网监测系统方案利用传感器技术、无线网络技术、多传感器信息融合技术、综合信息处理技术和计算机应用技术,对高压输电网的状态进行统一数据采集、传输、显示和预警,实现电网的实时在线监测,提高了电网的安全性、可靠性与经济性。本文设计了系统方案的总体框架和综合监测平台框架,完成了监测系统试验样机软硬件的开发。该低功耗多功能试验节点空间限制小、灵活性好、无需复杂的布线,具有较强的实用性。实验测试说明:ED-MAC协议具有良好的数据融合性能,减少了网络中冗余数据的收发,降低了节点的能耗,延长了节点的工作寿命。
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