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系統識別號 U0002-2906200613505900
中文論文名稱 戶外無線感測網路中元件電源管理之研究與探討
英文論文名稱 The Research and Analysis of Devices Power Management over Outdoor Wireless Sensor Networks
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 王青
研究生英文姓名 Ching Wang
學號 793350215
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-14
論文頁數 101頁
口試委員 指導教授-詹益光
共同指導教授-李維聰
委員-潘仁義
委員-朱國志
中文關鍵字 無線感測網路  省電 
英文關鍵字 LR-WPAN  IEEE 802.15.4  Beacon  coordinator  superframe  association  Wireless sensor networks 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 現在無線感測網路發展已漸趨成熟,開發應用的環境也有
從室內走向室外的趨勢,所以許多通信的規格也朝省電,輕薄,
短小去發展,尤其是省電部份。因為延長無線感測網路裝置工
作生命,這對於長時間處在電源吃緊的戶外無線感測網路裝置
而言,將無疑有如雪中送炭般可貴。例如本文所欲應用之實例,
在山區中預防土石流需自給自足(電源自生)的戶外無線感測網
路裝置而言,因為裝置身處山中,電源的獲得非常不易,所以電
源的節省以延長無線裝置的工作生命這將是十分重要的。因
此,本篇論文主要是提出一些網路工作的機制,在滿足戶外無線
感測網路裝置,最低工作臨界所需時間與能量消耗間做一個評
量。以達到戶外無線感測網路裝置能在固定的電池能量下,去
延長工作時間且網域工作穩定不易中斷,進而能實現無線感測
網路裝置自給自足的理想。
英文摘要 Since the personal wireless network development is getting more maturely, also the application developing environment has been trend from indoor to outdoor. It is easy to see that many standard of communication develop toward to power saving and tiny size characteristic. Especially in powers saving, it is more important for the wireless sensor network devices which has no other power supply expect inside battery. As the example in this article, it is difficult to obtain the power supply for the outdoor wireless sensor network devices which used for detecting landslide; usually equipment in mountainous, and have to provide power by itself. Therefore, it is an important goal to achieve the power saving and extending the working time
for the wireless sensor network devices. The propose of this paper is to evaluate between time threshold with lowest power consumption of wireless sensor network devices, and has accomplished to extend working time for the
outdoor wireless network devices with limited power, also, maintaining the stability of the network, further to realize the wireless sensor network devices can provides power supply by itself.
論文目次 目錄
第一章 緒論.....................................................................................................1
1.1 前言......................................................................................1
1.2 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 論文架構介紹.............................................. .............3
第二章 無線感測網路介紹…………………...……………....………......…5
2.1 無線感測網路概論……………………………....................................5
2.2 無線感測網路的特性………………………………………………..10
2.2.1 無線感測網路之特徵……………..……………....…………….11
2.2.2 無線感測網路很難繼承現行無基礎架構網路協定之原因…14
2.3 無線感測網路的架構……….…..…………………………….……..15
2.4 無線感測元件的結構……..…………………………………………16
2.4.1 微處理器單元…………..………..……………...……...……….17
2.4.1.1 美商TI的MSP430F1612處理器………………….……….17
2.4.1.2 美商ATMEL的ATmeag128…………….…………………19
2.4.2 感測器單元…………..……...……..……………...…………….21
2.4.2.1 溫度感測器………….…………………………………….23
2.4.2.2 超音波感測器……….…………………….………………24
2.4.3 電池單元.……………………...…………………………….….25
2.4.3.1 常見的電池…………...……………..…….………………25
2.4.3.2 鎳鎘、鎳氫、鋰電池的優缺點……….…….………………27
2.4.4 無線收發單元………….………………..………………………29
2.5 無線感測元件的發展重點……..……………………………………32
2.6 無線感測網路的應用………..………………………………………32
2.6.1 CodeBlue………………………………...……………………….32
2.6.2 SmokeNet………………………………..……….………………34
2.6.3 Elder Healthcare………...………………….…….………………34
2.6.4 智慧灰塵(Smart Dust)………………….……….………………34
第三章 IEEE 802.15.4/Zigbee通訊協定概述………..……………….....…36
3.1 IEEE 802.15.4/Zigbee之通訊協定架構…..…..………………...……36
3.2 IEEE 802.15.4之特性規格介紹…………………………….…..……38
3.2.1 低成本及低功率耗損……………………………………...……39
3.2.2 IEEE 802.15.4有三種操作頻帶可共選擇………………………41
3.2.3 Superframe架構……………………..……………………...……41
3.2.4 使用類似IEEE 802.11的CSMA/CA 方式競爭通訊……...……43
3.2.5 IEEE 802.15.4網路中,裝置可以是簡化或是全功能裝置……..44
3.2.6 IEEE 802.15.4點對點及星狀網路拓樸架構…...…..…………….45
3.3 資料傳輸模型 (Data transfer model)…………………………..……46
3.4 一些相關研究與論文方法概述………………………………..……48
3.5 一些論文所提方法的相關技術………………………………..……50
第四章 增強IEEE 802.15.4元件省電之方法………...……………………54
4.1 遴選無線感測網路協調者……………………...……………...……59
4.2 裝置工作週期之決定…………………………...……………...……62
4.3 協調者工作週期之決定………………………...……………...……62
4.4 CFP模式的取消……………...………………...……...………...……63
4.5 協調者及裝置的換手……………………………..….....……...……63
第五章 用數學方法分析協調者之換手行為………………...…………6
第六章 軟體模擬及討論………………………………..……………….…79
6.1 產生協調者之行為模擬………..……………...……………...…..…80
6.2 協調者信標週期決定及總行為時間電力耗損模擬……………..…82
6.3 用MATLAB模擬協調者在不同信標週期起來工作之耗電情形..…90
第七章 結論及未來研究方向…………………………..……………….…97
參考文獻….……………………..............................................................…..99
圖目錄
圖2.1 無基礎架構之無線區域網路示意圖……………...………...………..6
圖2.2 有基礎架構之無線區域網路示意圖..……..…..…………….……….8
圖2.3 無線感測網路環境架構圖………….……………………………….10
圖2.4 各網路傳輸距離及能力之比較.…………………………………….12
圖2.5 無線感測網路之抽象架構圖.………………...……………………..15
圖2.6 無線感測元件系統架構圖….…..……..…...………………………..16
圖2.7 MSP430F1612系統功能方塊圖….…………...……………………...18
圗2.8 MSP430F1612 PIN腳圖….………………………..…………………18
圖2.9 Atmega128系統功能方塊圖構圖.……………….………...…………20
圖2.10 ATmega128的PIN腳圖….…….……………...……………………..21
圖2.11 溫測電阻型溫度感測器….……………………………………..….23
圖2.12 熱電偶型溫度感測器………………………………..……………..23
圖2.13 壓電型超音波感測器…………………………...………...………..24
圖2.14 鋰離子電池..…………………………….....………...…….……….26
圖2.15 鉛酸性電池………….………………………………..…………….26
圖2.16 鎳鎘柱狀電池.………………………………………..…………….27
圖2.17 CC2420晶片圖.………………...……………...………………….....29
圖2.18 CC2420特性規格….…..…………….…...………...………………..30
圖2.19 STLC2150晶片圖…………………………………………………...30
圖2.20 STLC2150特性規格….……………………………..………………31
圖2.21 AL4100晶片圖.……………………………...…….……...…………31
圖2.22 AL4100特性規格….……………………………………….………..31
圖2.23 Wireless pulse oximeter sensor及Wireless two-lead EKG……...…..33
圖2.24 CodeBlue之應用…….…………………………………...……….....33
圖2.25 Smart Dust與硬幣之比較圖…………………...………......………..35
圖3.1 IEEE 802.15.4/ZigBee通訊協定堆疊架構..……………..….……….38
圖3.2 IEEE 802.15.4的Superframe架構示意圖……….………...………….41
圖3.3 LR-WPAN星狀拓樸.……………………………………...………….45
圖3.4 LR-WPAN點對點拓樸.……………...…………………...…………..46
圖3.5 資料傳送模式(裝置至協調者)..…...……..…...………..…………..47
圖3.6 資料傳送模式(協調者至裝置)….……………………..…………...48
圖3.7 Beacon Frame架構………………………………………...………….51
圖3.8 Frame control field.………….…………...………………...…………51
圖3.9 Association request command frame 架構.………………...………...52
圖3.10 Capability information field 之結構………………………………..52
圖4.1 廣播剩餘電量的方法決定無線網路的協調者之流程圖…..………61
圖4.2 協調者決定自身Beacon週期 wake up之流程圖……..…..………...64
圖4.3 Device向協調者提出association request之流程圖..………...………65
圖4.4 協調者進行換手之流程圖.…………………………………..…..….66
圖4.5 裝置接收換手命令之流程圖.………………...……………………..68
圖5.1 Ct(n)與換手次數之關係圖….…..………….....…...…………………72
圖5.2 Node(n)與第幾次做CD之關係圖….…..……..…...…………………75
圖5.3 x(換手率)與Node1之關係圖….……………………………....…...…77
圖5.4 Node1最佳換手率與參與裝置數目之關係圖………………………78
圖6.1 協調者的競選中廣播最高電力重覆之模擬….……………….....…79
圖6.2 協調者信標週期決定及總行為時間電力耗損模擬.………….……79
圖6.3 協調者的競選中「最高電力相同數非唯一」之模擬….…………….81
圖6.4 裝置廣播Timer亂數值強迫協調者產生之模擬….………………81
圖6.5 協調者不允許裝置提出加入網路之模擬……………...………...…82
圖6.6 協調者可選擇信標及非信標模式..……..…..…………….…….…..83
圖6.7 協調者強迫甦醒時間模式之選擇………….…………………….…84
圖6.8 協調者接收裝置Association request command之情形.………….…84
圖6.9 協調者電力耗計量欄.……………..…………………………….......86
圖6.10 首位協調者決定信標工作週期及總行為時間電力耗損模擬…....87
圖6.11 首位協調者強迫工作為16個信標週期之耗電模擬…….………...88
圖6.12 首位當協調者強迫工作為32個信標週期之耗電模擬...………….88
圖6.13 首位協調者強迫工作為非信標之耗電模擬...…………………….89
圖6.14 MATLAB模擬協調者每個信標週期起來工作之耗電情形(P=0.5
時)……………………………………………….…………………...………92
圖6.15 MATLAB模擬協調者每16個信標週期起來工作之耗電情形(P=0.5
時)……………………………………………………………………………92
圖6.16 MATLAB模擬協調者每32個信標週期起來工作之耗電情形(P=0.5
時)……………………………………………………………………………93
圖6.17 MATLAB模擬協調者每個信標週期起來工作之耗電情形(P=0.01
時)……………………………………………………………………………93
圖6.18 MATLAB模擬協調者每16個信標週期起來工作之耗電情形(P=0.01
時)……………………………………………………………………………94
圖6.19 MATLAB模擬協調者每32個信標週期起來工作之耗電情形(P=0.01
時)……………………………………………………………………………94
圖6.20 協調者的生命時間與不同信標數起來工作之關係(P=0.5 時)…...95
圖6.21 協調者的生命時間與不同信標數起來工作之關係(P=0.01 時) …95
圖6.22 MATLAB模擬協調者非信標週期工作之耗電情形.....………….96
圖6.23 不同P值之協調者的生命時間與不同信標數起來工作之關係比
較…………………………………………………………………………….96
表目錄
表2.1 各家CPU之執行速度與電力消耗與8051 之比較表.……………....12
表3.1 2.4GHz/ 868/915MHz 頻帶實體層的區別.……………………….....41
表3.2 Frmae type value 所表意義…...…….………………………….....….51
表3.3 Frame control field bit 7-bit 9 之意義…...…………….……….....….52
表3.4 Capability information field 之bit4 及bit5 所表之意義.….………….53
表3.5 MAC command frame……………………………………..…...…….53
表4.1 MAC PIB Attributes………………………………………………….57
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論文使用權限
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