應(yīng)用于工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的WSN混合MAC協(xié)議研究.pdf

1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一門(mén)快速發(fā)展的高新技術(shù)，在安全監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康醫(yī)療、前沿軍事、精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。這種新的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)方興未艾，正逐漸成為各大科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)的研究熱點(diǎn)。高效的無(wú)線(xiàn)傳感器MAC協(xié)議是保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)作、高效通信的關(guān)鍵。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)信道分配機(jī)制主要有隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、TDMA機(jī)制、FDMA機(jī)制以及CDMA機(jī)制?；陔S機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議存在空閑偵聽(tīng)和數(shù)據(jù)碰撞等能

2、耗問(wèn)題；基于TDMA的MAC協(xié)議則存在時(shí)間同步和擴(kuò)展性差問(wèn)題；基于FDMA和CDMA的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，傳感器節(jié)點(diǎn)需要較高的處理能力。因而設(shè)計(jì)一種混合型協(xié)議，通過(guò)多種機(jī)制的優(yōu)化組合，達(dá)到最大的應(yīng)用性能，成為目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
　　本文提出一種應(yīng)用于工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的混合 TDMA/CSMA/FDMA MAC協(xié)議---Reliable-MAC。該協(xié)議利用當(dāng)前無(wú)線(xiàn)傳感器硬件提供的同時(shí)在多個(gè)頻道上偵聽(tīng)和操作信

3、道（FDMA）的能力實(shí)現(xiàn)并行通信，并采用TDMA機(jī)制實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞信道訪問(wèn)，從而降低端到端的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量；針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用研究領(lǐng)域的需要，對(duì)閾值敏感的數(shù)據(jù)通過(guò)在超幀內(nèi)CSMA幀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更快更可靠的傳輸，保證對(duì)系統(tǒng)異常事件無(wú)遺漏的捕獲；同時(shí)超幀內(nèi)的CSMA幀使新節(jié)點(diǎn)能夠方便的加入網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)在適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓樸結(jié)構(gòu)的變化，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。
　　為了驗(yàn)證Reliable-MAC協(xié)議的性能，我們?cè)谝延袑?shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采

4、集模塊進(jìn)行一些改造，從而可以獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（風(fēng)速、溫濕度等）；在TinyOS中實(shí)現(xiàn)了Reliable-MAC和 S-MAC協(xié)議，并在無(wú)信號(hào)干擾情況下，以端到端的延遲、丟包率、吞吐量和敏感數(shù)據(jù)快速可靠傳送作為協(xié)議評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了一系列的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Reliable-MAC在5跳內(nèi)端到端的數(shù)據(jù)延時(shí)下降到20ms左右，基本滿(mǎn)足工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（如工藝風(fēng)力和風(fēng)力送絲實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)）的要求；丟包率也大幅下降，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；尤其是?duì)閾值