面向水質(zhì)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化與綜合評估研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），即隨機分布于監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點通過無線通信的方式，協(xié)同工作并構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將偵聽到的有效信息經(jīng)過計算和融合等簡單處理，再發(fā)送至基站。微傳感器、低功耗電子技術(shù)和射頻通信技術(shù)的發(fā)展推動了WSN的產(chǎn)生和蓬勃發(fā)展。雖然WSN以低功耗和靈活自組織的特點，取得廣泛的應用前景，然而WSN的應用環(huán)境大多是復雜多變、不宜部署有線網(wǎng)絡(luò)的工程應用和環(huán)境監(jiān)測，要求節(jié)點采用微型化設(shè)計，并使

2、用電池供電。電池的能量極為有限，且部署之后再次補充電能極為不易，故在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量和通信要求的前提下減少能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率，延長節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的生存時間，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要內(nèi)容。
　　WSN的能量消耗可以分為“必要能耗”和“非必要能耗”。其中必要能耗有三個用途：（ⅰ）發(fā)送與接收數(shù)據(jù)；（ⅱ）處理查詢請求；（ⅲ）向鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)查詢或數(shù)據(jù)包。“非必要能耗”是用以：(ⅰ)空閑偵聽；（ⅱ）數(shù)據(jù)包沖突導致的重發(fā)；(ⅲ）偵聽；(ⅳ)

3、產(chǎn)生或處理控制包。網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的方式有減少“非必要能耗”的，也有以減少“必要能耗”為手段的。這些節(jié)能方法可以分為三類：第一類，高能效路由技術(shù)；第二類，數(shù)據(jù)處理技術(shù)；第三類，拓撲控制技術(shù)。這些方法都是節(jié)約能量、提高網(wǎng)絡(luò)能效性能的有效方法，但是仍有許多理論障礙技術(shù)瓶頸尚未解決。
　　本文在“基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)在線檢測裝置”等應用需求下，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，在綜合分析WSN分簇路由原理與方法的基礎(chǔ)上，建立能耗均衡的

4、分簇路由協(xié)議，以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間；針對水質(zhì)監(jiān)測與評價的應用環(huán)境，研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的策略與方法，提出了一種高能效的基于分簇路由的數(shù)據(jù)融合策略和基于變異系數(shù)的模糊綜合指數(shù)數(shù)據(jù)融合算法；最后總結(jié)若干描述能效的概念，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議的能量效率綜合評估模型與方法。論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新性成果包括：
　?。?）分簇是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)約能耗、提高能效的一種有效途徑，傳統(tǒng)的分簇路由協(xié)議的簇頭選擇，大多是產(chǎn)生隨機數(shù)并與閾值比較

5、的方式實現(xiàn)，這種方式導致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭選擇的隨機性、簇頭數(shù)目和性能參數(shù)的浮動性。本文以LEACH等分簇協(xié)議為基礎(chǔ)，摒棄隨機數(shù)與閾值比較的簇頭選擇方法，提出兩種基于報告包的分簇協(xié)議：PNSCH和PCHSIF協(xié)議。PNSCH協(xié)議將節(jié)點剩余能量信息在每輪結(jié)束時以報告包形式發(fā)送至當前簇頭，并選擇簇內(nèi)剩余能量最大的節(jié)點作為下一輪的簇頭。PCHSIF協(xié)議將節(jié)點剩余能量和距基站距離作為簇頭判定的依據(jù)，并將其發(fā)送至當前輪的簇頭，以備下一輪簇頭判定使

6、用，且簇頭數(shù)目調(diào)整為最優(yōu)值。這兩種協(xié)議在簇的建立過程中，成員節(jié)點和簇頭節(jié)點之間會進行報告包發(fā)送和接收，雖然消耗一定的能量，但是可以達到平衡網(wǎng)絡(luò)能耗、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)整體能耗的目的。
　?。?）減少數(shù)據(jù)通信量也是提高能耗的有效途徑，數(shù)據(jù)通信量與傳感器采集信號的信息量大小密切相關(guān)，這些信息存在一定的冗余。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可解決數(shù)據(jù)冗余問題。為此，研究工作綜合監(jiān)測區(qū)域整體水質(zhì)評價的問題，研究多傳感器的數(shù)據(jù)融合策略和算法：提出了三種應用于隨機部署環(huán)境

7、的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合策略，并分析了三種策略在能效方面的性能；提出了一種面向整個監(jiān)測區(qū)域水質(zhì)綜合評價的數(shù)據(jù)融合算法，該算法以模糊理論為基礎(chǔ)，通過變異系數(shù)法確定不同水質(zhì)指標的權(quán)重，并設(shè)計了一種加權(quán)綜合平均算法以弱化局部特異數(shù)據(jù)對整個監(jiān)測區(qū)域的綜合評價的影響，最終以模糊綜合指數(shù)表征局部區(qū)域的水質(zhì)綜合評價類別，以及整個區(qū)域的水質(zhì)綜合評價類別。
　　（3）首次提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議能效綜合評估的概念，研究了能效參數(shù)體系，并將多