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1、毕业设计答辩,水声传感器网络通信与竞争型,MAC,协议研究,毕业设计答辩水声传感器网络通信与竞争型MAC协议研究,报告提纲,01,课题背景,02,03,04,05,06,方案设计,传感器节点研制,协议仿真与移植,系统测试,总结展望,报告提纲01课题背景0203040506方案设计传感器节点研,01,课题,背景,01课题背景,01,课题,背景,“,PLUSNET,”,水声传感网监控系统,应用领域,海底作业：,海底设备控制、故障诊断等,海洋科学考察：,长期连续观测数据的传输,海洋资源勘探：,勘探数据上传,海洋监测网络：,海洋环境、海啸、地震,军事海防：,目标监测、潜艇通信,ATM,系列水,声,传感
2、,监测网,“,SEAWEB,”,水声传感网,01 课题背景“PLUSNET”水声传感网监控系统应用领域海,02,方案设计,02方案设计,02,方案设计,工作原理,02 方案设计工作原理,02,方案设计,设计要求,水声传感器节点研制,（,1,）功耗小于,20W,（,2,）通信传输成功率大于,90%,（,3,）集收发功能于一体,MAC,协议仿真与移植,（,1,）高吞吐量,（,2,）低能耗,（,3,）可移植性强,02 方案设计设计要求 （1）功耗小于20W,02,方案设计,硬件方案,02 方案设计硬件方案,02,方案设计,水声换能器,水声换能器,型号,MODEL T235,谐振频率,17KHz,有效
3、频带,1025KHz,谐振频率处的电导值,0.55mS,谐振频率处的电纳值,2.2mS,发送模式的激励电压幅度值,120V,声源级,180dB,发射指向性指数,5dB,电声转换效率,30%,02 方案设计水声换能器水声换能器型号MODEL T235谐,02,方案设计,水声换能器,MAC,协议方案,仿真平台,Network Simulator Version 3,（,1,）免费、开源、易拓展,（,2,）,C+,编写、,Python,绑定,（,3,）,MAC,协议模块丰富,MAC,协议,CW,（,Contention Window,）,-MAC,（,1,）节约信道资源,（,2,）低碰撞率,（,3,
4、）适应网络拓扑变化,02 方案设计水声换能器MAC协议方案,03,传感器节点研制,03传感器节点研制,03,传感器节点研制,水声换能器,详细框图,03 传感器节点研制水声换能器详细框图,03,传感器,节点研制,水声换能器,电源转换电路,24V-5V-3.3V,24V-12V,24V-5V,03 传感器节点研制水声换能器电源转换电路24V-5V,03,传感器,节点研制,水声换能器,微控制器核心电路,03 传感器节点研制水声换能器微控制器核心电路,03,传感器,节点研制,水声换能器,工作模式切换电路,（,1,）,CTR_Power,引脚拉高，“发送模式”开启,（,2,）,CTR_Receiver,
5、引脚拉高，“接收模式”开启,03 传感器节点研制水声换能器工作模式切换电路（1）CTR_,03,传感器,节点研制,水声换能器,驱动放大电路,驱动放大后的信号功率可以达到,16W,03 传感器节点研制水声换能器驱动放大电路驱动放大后的信号功,03,传感器,节点研制,水声换能器,阻抗匹配电路,（,1,）变阻匹配：,EC28/34,变压器,最大,传输功率,100,（,W,）,工作频率,10500,（,KHz,）,磁芯的有效截面积,83.4,（,mm,2,）,工作磁感应强度,160,（,mT,）,电感系数,2.410,-6,（,H,）,尺寸大小,281711.3,（,mm,3,）,（,2,）谐振匹配：
6、串联电感,（,3,）相关参数：初级匝数,-52,匝,次级,匝数,-,130,匝,串联电感,-,4mH,正负,120V,交替输出,03 传感器节点研制水声换能器阻抗匹配电路（1）变阻匹配：E,03,传感器,节点研制,水声换能器,增益放大电路,放大增益：,73dB,03 传感器节点研制水声换能器增益放大电路放大增益：73dB,03,传感器,节点研制,水声换能器,带通滤波电路,通带频段：,1025KHz,中心频率：,17KHz,通带增益：,-3dB,03 传感器节点研制水声换能器带通滤波电路通带频段：102,03,传感器,节点研制,水声换能器,软件组成与状态机,03 传感器节点研制水声换能器软件组成
7、与状态机,03,传感器,节点研制,水声换能器,数据链路层软件设计,物理层传输接口,UML,类,图,载波侦听流程,MAC,层封装后的数据帧格式,03 传感器节点研制水声换能器数据链路层软件设计物理层传输接,04,协议仿真与移植,04协议仿真与移植,04,协议仿真与移植,水声换能器,CW-MAC,协议,工作状态机,握手流程,数据包长度,Length,数据包类型,Type,发送地址,ID,Source,ID,接收地址,ID,Destination ID,网络分配矢量,NAV,数据帧校验,CRC,发送,地址,ID,Source,ID,接收地址,ID,Destination ID,网络分配矢量,NAV,
8、确认接收标志,FLAG,数据帧校验,CRC,RTS/CTS,帧格式,ACK,帧格式,04 协议仿真与移植水声换能器CW-MAC协议工作状态机握手,04,协议仿真与移植,水声,优缺点分析,优点：,（,1,）随机退避，降低碰撞率,（,2,）,RTS/CTS,、,DATA/ACK,握手交互，保证可靠性,（,3,）,MAC,层参数：,CW,（竞争窗口）与,（固定时隙），算法实现简单,缺点：缺乏信道竞争“公平性”，,CW,值需要根据节点位置调整,04 协议仿真与移植水声优缺点分析优点：（1）随机退避，降低,04,协议仿真与移植,水声,HCW-MAC I,协议,（,CW,i,：节点,i,配置的,CW cw
9、,：,CW,初始值,）,04 协议仿真与移植水声HCW-MAC I协议（CWi：节,04,协议仿真与移植,水声,HCW-MAC II,协议,原理：基于按到静默节点距离异构调整,CW,值,作用：降低“碰撞率”影响,（节点,i,不会与静默节点产生数据包碰撞的概率）,（节点,i,到所有静默节点的平均距离）,（,CW,i,：节点,i,配置的,CW cw,：,CW,初始值）,04 协议仿真与移植水声HCW-MAC II协议原理：基于按,04,协议仿真与移植,水声,仿真场景,仿真参数,NS-3,仿真流程,星型拓扑结构,04 协议仿真与移植水声仿真场景仿真参数NS-3仿真流程星型,04,协议仿真与移植,水声
10、,性能指标,平均吞吐量,（,bits/second,）,：,（,发送节点,能耗）,（接收节点能耗）,（静默节点能耗）,（数据包单次传输成功）,（数据包单次传输失败）,（仿真周期内的平均能耗）,04 协议仿真与移植水声性能指标 平均吞吐量（,04,协议仿真与移植,水声,CW-MAC,协议仿真,04 协议仿真与移植水声CW-MAC协议仿真,04,协议仿真与移植,水声,CW-MAC,及其改进协议仿真,04 协议仿真与移植水声CW-MAC及其改进协议仿真,04,协议仿真与移植,水声,CW-MAC,及其改进协议仿真,04 协议仿真与移植水声CW-MAC及其改进协议仿真,04,协议仿真与移植,水声,HCW
11、-MAC II,协议移植,04 协议仿真与移植水声HCW-MAC II协议移植,04,协议仿真与移植,水声,收发工作流程,04 协议仿真与移植水声收发工作流程,05,系统测试,05系统测试,05,系统测试,水声,测试环境,水池的长宽高为,5m,1.7m,1.5m,探头两端距离初始值为,0.5m,05 系统测试水声测试环境水池的长宽高为5m1.7m1.,05,系统测试,水声,传感器节点硬件,05 系统测试水声传感器节点硬件,05,系统测试,水声,发送电路调试,初始信号波形,驱动电路输出波形,驱动换能器的信号波形,05 系统测试水声发送电路调试初始信号波形驱动电路输出波形驱,05,系统测试,水声,
12、接收电路调试,接收,信号,波形,增益放大,电路输出波形,滤波电路输出,波形,05 系统测试水声接收电路调试接收信号波形增益放大电路输出波,05,系统测试,水声,系统通信测试,换能器成本高，测试采用两个节点,发送节点功耗：,13.2W,接收节点功耗：,1.2W,05 系统测试水声系统通信测试换能器成本高，测试采用两个节点,05,系统测试,水声,上位机界面,05 系统测试水声上位机界面,05,系统测试,水声,测试结果记录,05 系统测试水声测试结果记录,06,总结展望,06总结展望,06,总结展望,水声,总结,START!,FINISH!,确定了系统的总体框架、水声传感器节点研制的软硬件架构以及,
13、MAC,协议仿真移植的实现方案,确定方案,硬件上，微控制核心电路、驱动放大电路、带通滤波电路等电路设计；软件上，物理层、应用层、数据链路层的软件设计,传感器节点研制,在,NS-3,平台上对,CW-MAC,及其两种改进协议进行仿真对比，并实现了在硬件上的移植,MAC,协议仿真移植,搭建实验环境，验证系统的通信功能以及,低,功耗特性,系统测试,06 总结展望水声总结START!FINISH!确定了系统的,06,总结展望,水声,展望,提升系统的工作深度，支持更大的信号发射角,更换换能器,通过增加系统校验等方式提升系统的抗干扰能力,在改进的,HCW-MAC,协议中补充定量分析,优化,MAC,协议,增加换能器数量，记录吞吐量等性能指标,增加测试节点个数,利用网络层的路由信息跨层设计,MAC,协议，实现数据包的多跳传输,跨层设计协议,06 总结展望水声展望提升系统的工作深度，支持更大的信号发射,
水声传感器网络通信与竞争型MAC协议研究课件
