臺灣博碩士論文加值系統

工廠無線感測網路具有資料傳輸時間的限制與節點電源限制(電池供電)的問題。當感測器的電源耗盡時或者資料在傳輸過程中遭遇封包碰撞的問題，都可能造成感測資料無法在限制的時間內回傳到中央控制中心，以至於控制中心無法即時對即將要發生的事件產生適當的反應，這在工廠環境下，有可能造成嚴重的後果。目前在感測網路環境中，主要的通訊網路為Zigbee網路，所採用IEEE 802.15.4的MAC協定為Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance機制，以隨機退後競爭機制來避免隱藏節點造成的碰撞問題，但實際上它並沒有辦法完全解決隱藏節點的問題，而是讓碰撞發生的機率降低。由於碰撞機率會隨著網路負載量而大幅提升，導至無法預測網路訊框成功傳輸的時間以及網路吞吐量急速降低和重複傳輸資料訊框，更嚴重時，可能會導致整個網路癱瘓。本論文主要將採用Time Division Multiple Access MAC機制，來避免資料碰撞及有效的能源運用，並且考量空間重用，我們將時槽分配模型成一線性規劃模型，其目標函式為最小化時槽使用量以提高整體網路頻寬，並透過退火演算法以及前處理得到近似於最佳解的時槽分配。而由於TDMA MAC需要各節點間的本地時間是彼此同步的，但因為無線感測網路的某些特性例如：節點的能源限制、記憶體大小、計算能力等等，以至於傳統的時間同步方法較不適合於無線感測網路，近年來很多相關的研究針對無線感測網路設計其適合的時間同步演算法，本論文提出一快速簡便的時間同步演算法來維持整體網路間的同步。

Wireless sensor network in industrial environment (denoted IWSN) has data delivery time constraint. Due to the dynamic routing and transmission collision, the data delivery time is unpredictable. In this paper, we utilized Time Division Multiple Access (denoted TDMA) MAC to avoid data collision and to provide bounded transmission delay. A linear programing modeling and simulated anneal algorithm with pre-procedure are applied to constructs the TDMA schedules which is focus on spatial reuse and via fixed routing in IWSN. But, the TDMA schedules need local clock of sensor nodes are synchronized, Some intrinsic properties of wireless sensor networks such as limited resources of energy, storage, computation, and bandwidth, combined with potentially high density of nodes make traditional synchronization methods unsuitable for these networks. Hence there has been an increasing research focus on designing synchronization algorithms especially for WSN. We propose a convenient time synchronization algorithm which via exchange timestamp packet and simply computing to achieve whole sensor networks synchronized to a certain extent.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 論文架構 2
第二章 背景介紹 3
2.1 無線感測網路簡介 3
2.2 ZigBee感測網路簡介 3
2.3 工廠無線感測網路簡介 5
2.4 隱藏節點與曝露節點與載波偵聽多路訪問/碰撞避免(CSMA/CA) 6
2.5 無線感測網路MAC Protocols簡介 9
2.6 線性規劃(Linear Programing) 11
2.7 模擬退火演算法(Simulated Anneal Algorithm) 12
第三章 系統架構 14
3.1 網路拓普圖建置 14
3.1.1 鄰居探索 14
3.1.2 回傳鄰居資訊 15
3.1.3 建立鄰居表 15
3.1.4 建立路由表(整體網路) 16
3.2 TDMA排程 17
3.2.1 時槽分配–線性規劃 18
3.2.2 模擬退火演算法 19
3.2.3 前處理法 23
3.2.3.1 依Hop counts排序 24
3.2.3.2 依Input degree排序 26
3.2.4 時間同步 28
3.2.4.1 Pair-wise Synchronization 29
3.2.4.2 Multi-hop Synchronization 31
第四章 模擬分析 32
4.1 模擬環境 32
4.1.1 ZigBee封包格式 32
4.2 效能評估方法 34
4.2.1 時槽數量及Frame長度評估方法 34
4.3 時間同步評估方法 35
4.3.1 平均誤差值評估方法 35
4.3.2 平均睡眠時間評估方法 35
4.4 能源消耗評估方法 36
4.4.1 網路生命週期評估方法 36
4.4.2 各節點能量評估方法 36
4.5 模擬結果 37
4.5.1 網路拓普建置 37
4.5.2 空間重用效果 38
4.5.3 時槽數量&Frame長度比較 39
4.5.4 收集整體感測資料時間 40
4.5.5 時間同步誤差值 40
4.5.6 最低限度同步率 41
4.5.7 節點平均睡眠時間 42
4.5.8 網路生命週期及能源消耗 42
第五章 結論 44
第六章 未來展望 45
參考文獻 46

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