电气设备在线监测的无线传感器网络时间同步及通信程序研究

发布时间：2016-06-13 08:02

  本文关键词：电气设备在线监测的无线传感器网络时间同步及通信程序研究，由笔耕文化传播整理发布。

《重庆大学》 2010年

电气设备在线监测的无线传感器网络时间同步及通信程序研究

李罗  

【摘要】： 电气设备运行状态的在线监测是用来预防电力系统故障的重要手段。目前,电气设备在线监测的通信方式主要为有线通信,由此引发接线多,方式复杂,增加了整个系统隐患,给故障的排查与维修带来不便。无线传感器网络作为一种新兴的测控网络技术,是解决上述问题的理想选择,其网络的自组织、自适应性可大大提高在线监测系统的可靠性。而准确的时间同步是实现传感器网络自身协议运行、数据融合、TDMA调度、协同睡眠、定位等的基础;网络通信程序是无线传感器网络进行组网、路由、数据传输的基础;无线传感器网络的应用领域不需要很高的带宽,只要求低延迟、低功耗,而ZigBee协议恰好满足这种要求。本文基于此进行了相关的探究,主要进行了以下的工作: 首先,初步分析了无线传感器网络在电气设备在线监测中应用的可行性,总结了无线传感器网络在电力系统中应用的关键技术,提出了电气设备在线监测的无线传感器网络基于分簇算法的监测体系结构,并进行了实验测试。 其次,在剖析无线传感器网络时间同步原理的基础之上比较性地分析了已有典型无线传感器网络时间同步协议、机制和算法,提出了一种适用于电气设备在线监测的时间同步方案,此方案结合外同步和内同步,在进行同步的过程当中采用单向广播同步和线性回归结合的方法,最后在仿真软件NS中与常用算法TPSN进行了仿真对比分析,结果证明该算法满足监测网络的要求。 然后,在TinyOS2.x操作系统下针对无线传感器网络的网络通信程序进行了系统性的开发。网络通信程序是无线传感器网络进行组网、路由、数据传输的基础,深刻剖析了TinyOS2.x操作系统的硬件抽象体系结构以及通信机制,在此基础之上给出了网络通信程序的开发实现过程。同时在TinyOS2.x操作系统下对设计的时间同步算法进行了部分的实现。 最后,针对ZigBee协议应用于无线传感器网络进行了实验性的研究。首先对ZigBee协议规范进行了概述,深刻剖析了TinyOS操作系统的硬件抽象体系结构;比较性地分析了ZigBee协议相对于传统无线电技术所具有的优势,同时给出了基于CC2430的节点设计框图及相关的开发系统,在TinyOS2.x操作系统中分析CC2430应用程序抽象体系结构的基础之上给出了程序设计的实现过程,并且实现了一个基于ZigBee协议的在线监测系统,对于把ZigBee协议应用于电气设备在线监测的无线传感器网络具有现实可行的意义。

【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM764
【目录】：

中文摘要3-4

英文摘要4-9

1 绪论9-16

1.1 课题背景及意义9-11

1.2 国内外发展现状11-13

1.2.1 无线传感器网络研究概述11

1.2.2 电力系统中无线通信技术应用概况11

1.2.3 无线传感器网络现有研究成果11-12

1.2.4 时间同步技术概述12-13

1.3 主要研究内容及创新点13-15

1.4 本章小结15-16

2 无线传感器网络概述16-22

2.1 无线传感器网络体系结构16-18

2.1.1 网络体系结构分析16-17

2.1.2 网络协议栈分析17-18

2.2 传感器网络的主要特点18-19

2.3 传感器网络的关键机制19-20

2.4 无线传感器网络的应用20-21

2.4.1 无线传感器网络的应用分类20

2.4.2 在线监测的无线传感器网络20

2.4.3 电力系统中应用的关键技术20-21

2.5 本章小结21-22

3 无线传感器网络时间同步的基本原理及分析22-29

3.1 时间同步的基本原理22

3.2 时间同步的关键因素22-24

3.3 时间同步设计的评价指标24

3.4 无线传器网络时间同步算法研究24-27

3.5 典型时间同步算法的比较与分析27-28

3.6 本章小结28-29

4 在线监测的无线传感器网络时间同步设计及仿真29-45

4.1 发电机在线监测的无线传感器网络29-30

4.2 层次型拓扑结构控制算法30-33

4.2.1 基本思想30

4.2.2 分簇算法30-31

4.2.3 实验测试31-33

4.3 时间同步算法设计33-34

4.4 无线传感器网络仿真34-35

4.4.1 通信网络模拟概述34

4.4.2 常用的仿真软件34-35

4.5 时间同步算法仿真分析35-44

4.5.1 洪泛路由协议36-39

4.5.2 MobileNode 模型分析39

4.5.3 功率控制39-40

4.5.4 仿真结果分析40-44

4.6 本章小结44-45

5 通信程序开发及时间同步实现45-54

5.1 无线传感器网络的操作系统需求45

5.2 TinyOS 简介45-46

5.2.1 TinyOS 框架分析45-46

5.2.2 TinyOS2.x 分析46

5.3 nesC 编程语言46-47

5.3.1 nesC 语言46-47

5.3.2 nesC 的编译47

5.4 TinyOS2.x 通信机制分析47-48

5.4.1 主动消息通信机制47

5.4.2 AM 模型接口分析47-48

5.4.3 AM 模型组件分析48

5.5 网络通信程序开发48-51

5.5.1 程序结构48-50

5.5.2 实验分析50-51

5.6 时间同步算法实现51-53

5.6.1 实验硬件51-52

5.6.2 程序结构52

5.6.3 主要接口及组件52-53

5.6.4 程序中的主要结构53

5.7 本章小结53-54

6 基于 ZigBee 协议的在线监测系统程序设计54-64

6.1 ZigBee 概述54-55

6.1.1 ZigBee 体系结构54-55

6.1.2 ZigBee 主要技术特点55

6.1.3 ZigBee 的应用前景55

6.2 无线射频模块CC243055-57

6.2.1 CC2430 简介55-56

6.2.2 CC2430 无线单片机移植系统56-57

6.3 TinyOS 体系结构57-58

6.3.1 TinyOS 硬件抽象体系结构57-58

6.3.2 TinyOS2.x 中的 CC2430 应用程序体系结构58

6.4 串口程序设计58-60

6.4.1 程序结构58-59

6.4.2 程序的编译和下载59

6.4.3 测试结果59-60

6.5 基于 ZigBee 协议的在线监测系统60-63

6.5.1 监测系统组成60-61

6.5.2 监测系统软件61-62

6.5.3 实验结果分析62-63

6.6 本章小结63-64

7 总结与展望64-66

7.1 主要工作和结论64-65

7.2 工作展望65-66

参考文献66-70

致谢70-71

附录71

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文71

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目71

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本文编号：56733