無線傳感器網絡系統(tǒng)設計與應用.pdf

1、無線傳感器網絡系統(tǒng)已經成為當前國內、外的重要的研究領域之一；研究表明無線傳感器網絡系統(tǒng)具有廣泛的應用背景，特別是在特殊應用場景(軍事或人員無法到達的地方)應用中，由于目標區(qū)域的特殊限制，使得無線傳感器網絡系統(tǒng)的優(yōu)越性得到很好的體現(xiàn)。 本文通過研究無線傳感器網絡系統(tǒng)的關鍵技術和難點，設計了面向特殊應用場景的無線傳感器網絡系統(tǒng)的解決方案，并詳細地描述了系統(tǒng)中各個功能模塊的細節(jié)，對模塊中的各種協(xié)議和算法完成了相應的仿真實驗，并得出了相

2、應的性能評價；最后在實驗室中結合“無線燃氣抄表系統(tǒng)”項目的開發(fā)，對無線傳感器模塊進行了研制和測試，為今后進一步研究和實際應用打下良好的基礎。 本文研究內容如下： 1)結合無線傳感器網絡系統(tǒng)技術的發(fā)展和針對在特殊應用場景應用的需求，給出了無線傳感器網絡系統(tǒng)模型，并分析了系統(tǒng)模型中各個功能模塊的要求與設計原則；整個系統(tǒng)以無線傳感器網絡技術為核心，增強了系統(tǒng)的靈活性、可維護性和可擴展性，同時系統(tǒng)模塊化、開放式的結構使系統(tǒng)具有良

3、好的可移植性。 2)在無線傳感器節(jié)點形成無線網絡的過程中，需要考慮網絡的拓撲結構問題，且拓撲管理在能量有效性中扮演關鍵角色。本文給出了一個隨機拓樸管理規(guī)則(RTMR)。在隨機拓撲管理規(guī)則(RTMR)中，將節(jié)點隨機地劃分若干子集，再用修正子集準則(MSR)去處理出現(xiàn)的孤立節(jié)點，使網絡的連通性和覆蓋性都得到加強；通過理論推導進一步明確了節(jié)點覆蓋密度、網絡覆蓋密度、子集數(shù)及網絡節(jié)點數(shù)之間的關系，這在實際應用中有著重要的應用價值。它具有

4、以下優(yōu)點：①在不依靠傳感器的精確定位信息和感知半徑與通訊半徑之間的關系情況下，滿足網絡覆蓋和連通性的要求；②每個處于工作狀態(tài)的節(jié)點都知道自己到SINK節(jié)點的最少跳數(shù)；在這種情景下，隨機拓撲管理規(guī)則解決了路由中不必要的的系統(tǒng)花費；③通過簡單的調整k，可以動態(tài)的調整覆蓋密度；④算法對時間不同步有一定的彈性；⑤這個算法很容易實施，同時拓樸建立時，系統(tǒng)的時間開銷非常的小。仿真結果驗證了隨機拓撲管理規(guī)則的有效性。 3)根據(jù)無線傳感器網絡系

5、統(tǒng)路由過程中，節(jié)點能量和網絡能量發(fā)生改變的情況，并結合蟻群算法，提出了一種基于蟻群算法的能量均衡路由協(xié)議(ACO-EBR)。在ACO-EBR協(xié)議算法中，充分地考慮了節(jié)點的能量、網絡能量以及通訊中的能耗因素，并將之反映在協(xié)議算法的路徑轉移概率和信息素增量的計算中；目的是能夠均衡無線傳感器網絡能量的消耗；仿真結果表明，ACO-EBR協(xié)議很好的配合了上章中的隨機拓撲控制規(guī)則，同時對比LEACH協(xié)議和PEGASIS協(xié)議，ACO-EBR協(xié)議在網絡

6、生存時間、能量有效性、數(shù)據(jù)完整性上都有很大的提高。ACO-EBR協(xié)議算法具有以下特點：①由于是基于能量考慮的啟發(fā)式蟻群算法，可以在較短的時間得到最優(yōu)解(或近優(yōu)解)，從而降低了傳感器網絡中數(shù)據(jù)傳輸中通信的能耗，延長了網絡的生存時間；②算法具有良好的可擴展性；基于蟻群算法的正反饋性和協(xié)同性特點，使ACO-EBR協(xié)議可用于分布式系統(tǒng)，其隱含的并行性(計算在各個SINK節(jié)點進行)具有極強的發(fā)展?jié)摿Α?4)針對無線傳感器網絡中傳感器節(jié)點電

7、池能量較小、無線帶寬有限以及數(shù)據(jù)遠程傳輸中的延遲問題，給出了一種數(shù)據(jù)壓縮的方法，以達到減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高網絡生存時間的目的。文中首先構建了無線傳感器網絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層次模型，通過對模型的仿真得出在給定的網絡環(huán)境下，對采集數(shù)據(jù)進行壓縮可以放在SINK層和基站層進行，這樣對減少網絡流量、節(jié)省節(jié)點能量以及保證數(shù)據(jù)傳輸延時的平穩(wěn)性等方面較為合理；接著分析了小波的特點，給出了基于多分辨率分析的數(shù)據(jù)壓縮算法和實現(xiàn)的步驟；通過對采集數(shù)據(jù)進行壓縮處

8、理的分析表明，算法可以得到10左右的壓縮比，在允許的相對誤差范圍內，得到了較好的壓縮效果，節(jié)省了數(shù)據(jù)的存儲空間和減少了網絡中數(shù)據(jù)的傳輸量。 5)設計開發(fā)基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感器網絡原型系統(tǒng)。包括基于Philiphs的P89LV51RD2處理器和Freescale的MC13192無線芯片的無線傳感器節(jié)點硬、軟件設計開發(fā)，以及SINK節(jié)點、基站服務器設計。并將原型系統(tǒng)應用于“無線燃氣抄表系統(tǒng)”項目，為無線傳感器網