在艙內復雜、空間有限的環(huán)境下,利用無線通信系統(tǒng)來檢測艙內設備健康狀況的檢測有著重要意義。無線mesh網絡具有靈活、多跳、低成本的特點,逐漸成為了一種主流的無線傳感網絡,本文在無線mesh網絡的基礎上構建應用于艙內的無線通信系統(tǒng)。此外,無線mesh節(jié)點完全依賴電池供電,電池電量有限,針對這些問題,本文對實現系統(tǒng)的低功耗進行了設計。本文的主要研究工作主要包括以下三個方面:首先,設計了低功耗mesh硬件系統(tǒng)。分析了應用場景對無線通信系統(tǒng)提出的需求,選擇了具有較高通信速率的Wi-Fi芯片ESP32作為組網芯片;針對系統(tǒng)能量供應模塊,設計了雙電源方案,在主電池能量不足以維持節(jié)點工作時,可自動平穩(wěn)切換至備用電池,同時也能在節(jié)點工作期間更換電池而不影響節(jié)點的正常工作;設計了高精度的模數轉換電路采集傳感器振動數據。硬件系統(tǒng)的設計均選擇的低功耗器件。其次,對低功耗無線mesh網絡進行了軟件設計。根據mesh協議搭建了無線mesh網絡;根據TPSN協議實現了網絡時鐘同步,在時鐘同步的基礎上實現網絡中節(jié)點的同步休眠與喚醒;采用了功率控制機制使無線mesh節(jié)點自動調整發(fā)射功率從而實現降低節(jié)點能耗以及提高網絡性... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數】：62 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

傳統(tǒng)局域網架構

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文1第1章緒論1.1研究背景及意義在船舶、潛艇等艙內，空間密閉，里面遍布各種金屬設備，環(huán)境復雜。當對艙內設備進行狀態(tài)檢測、故障診斷時，若使用有線連接通信的方式會使封閉復雜的環(huán)境更加復雜。相對而言，采用無線通信的方式無疑是更好的選擇。傳統(tǒng)的局域網絡架構如圖1-1所示，通常是多個無線傳感器節(jié)點接入同一個中心節(jié)點AP(AccessPoint)，AP負責所有節(jié)點之間的信息交互，這樣的架構其實有較多的限制[1]：節(jié)點不能距離AP太遠，因為所有節(jié)點與AP直接相連，AP通信范圍之外的節(jié)點無法與之建立通信；當AP故障時，將導致整個網絡的癱瘓；網絡容量受AP的容量限制，容易超載。而無線mesh網絡是一種異常靈活的網絡，其網絡架構如圖1-2所示，由于其多跳的特性，每個節(jié)點都可以連接多個其他節(jié)點，當中間某個節(jié)點因故障停止工作時，剩余節(jié)點可以重新自主形成新的網絡拓撲結構從而形成新的數據傳輸通道，這種特性也可以解決艙內因障礙物遮擋造成節(jié)點間通信質量不佳的問題。圖1-1傳統(tǒng)局域網架構圖1-2無線mesh網絡架構無線傳感網絡節(jié)點通常被大量部署在艙內的各個地方，一般是依靠節(jié)點自身攜帶的電池供電，節(jié)點電池電量有限，且隨著使用電池電量逐漸降低，當下降到一定程度不足以給節(jié)點供電時，該節(jié)點停止工作。同時，大量節(jié)點的停止工作將導致整個網絡系統(tǒng)的癱瘓。這就決定了節(jié)點對低功耗的迫切需求[2]。節(jié)點能耗直接關系著節(jié)點的使用壽命，也就影響整個網絡感知范圍的大孝有效感知生命的長短。因此實現低功耗、延長無線傳感網絡的使用壽命是至關重要的�？梢酝ㄟ^設計低功耗的硬件電路降低節(jié)點的硬件功耗；通過節(jié)點休眠、功率控制等技術降低無線網絡的平均功耗[3]。

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文2本文旨在設計面向艙內應用場景的無線通信系統(tǒng)，在實現網絡中所有節(jié)點時鐘同步的基礎上，實現網絡節(jié)點的周期性同步休眠來降低功耗；同時利用功率控制技術進一步降低節(jié)點功耗；再結合無線mesh網絡靈活、多跳轉發(fā)的特點，就能建立一個穩(wěn)定、持久、高質量的無線通信系統(tǒng)。1.2國內外發(fā)展現狀1.2.1無線mesh網絡的國內外研究現狀無線mesh網絡（WirelessmeshNetwork,WMN），即“無線網格網絡”，是一種“多跳”網絡，由Ad-hoc網絡發(fā)展而來[4]。Ad-hoc網絡中的每一個節(jié)點都是移動的，并且能以任意方式動態(tài)的保持與其它節(jié)點的連接，因此WMN繼承了無線Ad-hoc網絡無中心、無基礎設施、多跳、自組織的特點，同時網絡中的每個節(jié)點都能充當轉發(fā)節(jié)點來傳輸數據[5]，其網絡架構如圖1-3所示。WMN最早被應用于美國軍方，隨著無線通信技術的發(fā)展，因其靈活的特點被民用市場關注，并很快成為了無線通信領域的研究熱點[6]。圖1-3無線mesh網絡架構示意圖[7]國外對于WMN的研究比較深入，已經存在許多搭建的平臺和項目。1998年，摩托羅拉公司歷時12年完成了銥星系統(tǒng)，由66顆衛(wèi)星組成，在mesh網絡下工作[8]。這種拓撲結構將各種無線鏈路與其他衛(wèi)星連接起來，語音呼叫可以通過mesh網絡在一顆衛(wèi)星和另一顆衛(wèi)星之間通過星座進行通信，而無需將信號傳輸到地面站，可以大大降低延遲。進入21世紀，MWN得到了迅速的發(fā)展，美國的Networks公司于2000年購買了美國軍方的部分Ad-hoc技術，在此技術基礎上研發(fā)出了無

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用研究[J]. 劉鳳慶,馬海寬,吳寧,馬然,曹煊.  山東科學. 2019(06)
[2]海上無線寬帶網絡架構研究現狀及相關技術展望[J]. 段建麗,林彬,王瑩,何榮希.  電訊技術. 2018(08)
[3]無線傳感器網絡功率控制技術研究[J]. 王云鶴,王忠寶.  南方農機. 2018(14)
[4]面向無線Mesh網的集中式IP地址分配方案[J]. 李越.  計算機應用與軟件. 2017(06)
[5]基于衛(wèi)星及無線Mesh網的組網技術研究與應用[J]. 付榮國,肖飛,鄭黃海,張耀.  現代電子技術. 2017(11)
[6]無線Mesh網絡的能耗效率分析[J]. 劉萬柱.  中國新通信. 2017(05)
[7]適用于周期休眠MAC協議的分簇時間同步算法[J]. 蘇金釗,劉麗艷,吳威.  計算機研究與發(fā)展. 2010(11)
[8]一種基于功率控制的無線傳感器網絡跨層通信協議[J]. 紀鵬,吳成東,張云洲,賈子熙.  東北大學學報(自然科學版). 2009(12)
[9]Key Technology and Experimental Research in Wireless Mesh Networks[J]. Liu Zhimin, Yang Yi, Xu Yingqing (School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871, China).  ZTE Communications. 2008(02)

博士論文
[1]基于功率調節(jié)的無線傳感器網絡拓撲控制技術研究[D]. 趙學健.南京航空航天大學 2011

碩士論文
[1]礦井救援人員精確定位技術研究[D]. 吳文慶.西安科技大學 2019
[2]面向軌道交通的低功耗無線傳感器網絡研究與實現[D]. 寸怡鵬.北京交通大學 2019
[3]基于802.11ac艙內通信抗干擾技術研究[D]. 許飛.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[4]基于排隊論的低功耗無線傳感技術及其應用[D]. 王志繁.寧波大學 2017
[5]無線傳感器網絡時間同步協議TPSN改進算法的分析與研究[D]. 楊小春.內蒙古大學 2016
[6]低功耗無線傳感網絡節(jié)點電路的研究[D]. 張文凱.重慶大學 2015
[7]無線傳感器網絡功率控制研究[D]. 柯珊珊.華北電力大學 2014
[8]DVS技術研究及其在全站儀設備中的應用[D]. 詹云.蘇州大學 2011
[9]無線傳感器網絡節(jié)能及功率控制的設計與實現[D]. 許廣紅.北京交通大學 2008



本文編號：3538470