【摘要】：伴隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣泛,從傳統(tǒng)的軍事、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用到現(xiàn)在的智能家居、人體健康、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域,無不彰顯其具重要的應(yīng)用價值。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也遇到了一些問題,如信號傳輸距離與功耗難以平衡的問題,不過隨著低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,這個問題也迎刃而解。LoRa就是一種新興的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù),同時該技術(shù)還具有工作頻段免授權(quán)的特點,近些年已經(jīng)在世界各地獲得廣泛的應(yīng)用。本文首先介紹了基于LoRa的低功耗傳感網(wǎng)組網(wǎng)協(xié)議的研究背景以及低功耗傳感網(wǎng)和LoRa的研究現(xiàn)狀;然后介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)、特點、應(yīng)用場景,隨后介紹了傳感器節(jié)點的模塊功耗和低功耗傳感網(wǎng)的設(shè)計策略,然后又介紹了LoRa技術(shù)特點、LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和軟件層次結(jié)構(gòu)。并通過研究及實際測試發(fā)現(xiàn)了LoRaWAN架構(gòu)存在個別場景下單網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍不足和采用純的Aloha協(xié)議導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸成功率低的問題。然后針對現(xiàn)有機(jī)制未能解決兩跳節(jié)點的隨機(jī)接入問題和其存在兩跳節(jié)點的入網(wǎng)時延及數(shù)據(jù)傳輸時延過大問題,提出了一種新的節(jié)點入網(wǎng)機(jī)制和一種新的兩跳TDMA時隙分配機(jī)制,然后基于這兩種新機(jī)制設(shè)計了基于LoRa的兩跳TDMA組網(wǎng)協(xié)議,并詳細(xì)闡述了網(wǎng)關(guān)節(jié)點的操作過程,中繼節(jié)點的操作過程和終端節(jié)點的操作過程。之后通過將該協(xié)議應(yīng)用于基于LoRa的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)中進(jìn)行實現(xiàn),實現(xiàn)主要是在銳米通信的LoRa終端開發(fā)板和個人電腦上進(jìn)行,并基于Contiki系統(tǒng)平臺開發(fā)實現(xiàn)該系統(tǒng)。最后通過對該系統(tǒng)的節(jié)點組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)關(guān)吞吐量和節(jié)點功耗進(jìn)行測試,驗證了基于LoRa的兩跳TDMA組網(wǎng)協(xié)議能夠解決LoRa在實際應(yīng)用中存在的問題,達(dá)到預(yù)期效果。此外還對提出的兩種新機(jī)制與舊機(jī)制分別在節(jié)點入網(wǎng)時延和數(shù)據(jù)包傳輸時延方面進(jìn)行對比測試與分析,結(jié)果表明新機(jī)制在這兩方面有著明顯的優(yōu)勢,并且這種優(yōu)勢會隨著網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的增多而更加明顯。最后總結(jié)全文,對基于LoRa的兩跳TDMA組網(wǎng)協(xié)議的未來工作進(jìn)行了展望。
【圖文】：

圖 2.4 協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu) LoRaWAN 的軟件層次結(jié)構(gòu)中，各層的功能如下：理層：主要作用是負(fù)責(zé) LoRa 無線信號的收發(fā)與調(diào)制解調(diào)，物理層號的工作頻段因地區(qū)的不同而不同。具體地區(qū)工作頻段為：歐盟 8633MHz 頻段、美國 915MHz 頻段、亞洲地區(qū) 430MHz 頻段等。AC 層：主要負(fù)責(zé) LoRa 信號接入控制、邏輯鏈路的管理。LoRa 的 三種不同的設(shè)備類別[39]分別為：Class A、Class B 和 Class C。詳細(xì)介紹 Class Aass A 是 LoRaWAN 協(xié)議 MAC 層的基礎(chǔ)通信模式，其允許終端與網(wǎng)信。如圖 2.5 所示，終端在發(fā)給網(wǎng)關(guān)一個上行信號后方可進(jìn)行下行通一個上行信號后打開兩個接收窗口。上行通信的信號傳輸參數(shù)與終端求有關(guān)，下行通信的信號參數(shù)與上行一致。

圖 4.3 系統(tǒng)實際工作圖件平臺系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)的硬件平臺主要有個人電腦、銳米通信的 LoRa 終端K V2 仿真器以及 USB 轉(zhuǎn) TTL 串口線。其中個人電腦和仿真器及串介紹，下面將詳細(xì)介紹銳米通信的 LoRa 終端開發(fā)板。米通信的 LoRa終端開發(fā)板是一款集成了 MCU與 LoRa無線射頻模該開發(fā)板的實物如和所示。其中圖 4.4 為該開發(fā)板的正面圖，該開CU 模塊，該模塊的 MCU 采用意法半導(dǎo)體推出的基于 8 位內(nèi)核的器 STM8LC8T6 作為控制芯片，與 32 位的 MCU 相比，8 位 MCU 功小，更適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)。該芯片的最高工作頻率為 16MHz，同時擁 和 64KB 的 ROM，低功耗出色且性能穩(wěn)定，，這些參數(shù)都能滿足系
【學(xué)位授予單位】：重慶郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5;TP212.9

【參考文獻(xiàn)】

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1 王瑞;李躍忠;;基于SX1278的水表端無線抄表控制器[J];電子質(zhì)量;2015年12期

2 呂濤;朱清新;張路橋;;一種基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)算法[J];電子學(xué)報;2011年06期

3 陳杰;易本順;;一種低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多徑路由優(yōu)化協(xié)議[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2008年12期

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本文編號：2619408