無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)、外的重要的研究領(lǐng)域之一；研究表明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用背景，特別是在特殊應(yīng)用場景(軍事或人員無法到達(dá)的地方)應(yīng)用中，由于目標(biāo)區(qū)域的特殊限制，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了面向特殊應(yīng)用場景的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的解決方案，并詳細(xì)地描述了系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的細(xì)節(jié)，對模塊中的各種協(xié)議和算法完成了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，并得出了相

2、應(yīng)的性能評價(jià)；最后在實(shí)驗(yàn)室中結(jié)合“無線燃?xì)獬硐到y(tǒng)”項(xiàng)目的開發(fā)，對無線傳感器模塊進(jìn)行了研制和測試，為今后進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。 本文研究內(nèi)容如下： 1)結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和針對在特殊應(yīng)用場景應(yīng)用的需求，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，并分析了系統(tǒng)模型中各個(gè)功能模塊的要求與設(shè)計(jì)原則；整個(gè)系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，同時(shí)系統(tǒng)模塊化、開放式的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有良

3、好的可移植性。 2)在無線傳感器節(jié)點(diǎn)形成無線網(wǎng)絡(luò)的過程中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題，且拓?fù)涔芾碓谀芰坑行灾邪缪蓐P(guān)鍵角色。本文給出了一個(gè)隨機(jī)拓樸管理規(guī)則(RTMR)。在隨機(jī)拓?fù)涔芾硪?guī)則(RTMR)中，將節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地劃分若干子集，再用修正子集準(zhǔn)則(MSR)去處理出現(xiàn)的孤立節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋性都得到加強(qiáng)；通過理論推導(dǎo)進(jìn)一步明確了節(jié)點(diǎn)覆蓋密度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋密度、子集數(shù)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系，這在實(shí)際應(yīng)用中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。它具有

4、以下優(yōu)點(diǎn)：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(guān)系情況下，滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連通性的要求；②每個(gè)處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)都知道自己到SINK節(jié)點(diǎn)的最少跳數(shù)；在這種情景下，隨機(jī)拓?fù)涔芾硪?guī)則解決了路由中不必要的的系統(tǒng)花費(fèi)；③通過簡單的調(diào)整k，可以動態(tài)的調(diào)整覆蓋密度；④算法對時(shí)間不同步有一定的彈性；⑤這個(gè)算法很容易實(shí)施，同時(shí)拓樸建立時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)間開銷非常的小。仿真結(jié)果驗(yàn)證了隨機(jī)拓?fù)涔芾硪?guī)則的有效性。 3)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系

5、統(tǒng)路由過程中，節(jié)點(diǎn)能量和網(wǎng)絡(luò)能量發(fā)生改變的情況，并結(jié)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(diǎn)的能量、網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)移概率和信息素增量的計(jì)算中；目的是能夠均衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的消耗；仿真結(jié)果表明，ACO-EBR協(xié)議很好的配合了上章中的隨機(jī)拓?fù)淇刂埔?guī)則，同時(shí)對比LEACH協(xié)議和PEGASIS協(xié)議，ACO-EBR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)

6、生存時(shí)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(diǎn)：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(shí)間得到最優(yōu)解(或近優(yōu)解)，從而降低了傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸中通信的能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間；②算法具有良好的可擴(kuò)展性；基于蟻群算法的正反饋性和協(xié)同性特點(diǎn)，使ACO-EBR協(xié)議可用于分布式系統(tǒng)，其隱含的并行性(計(jì)算在各個(gè)SINK節(jié)點(diǎn)進(jìn)行)具有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?4)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)電

7、池能量較小、無線帶寬有限以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(dá)到減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。文中首先構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮可以放在SINK層和基站層進(jìn)行，這樣對減少網(wǎng)絡(luò)流量、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量以及保證數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的平穩(wěn)性等方面較為合理；接著分析了小波的特點(diǎn)，給出了基于多分辨率分析的數(shù)據(jù)壓縮算法和實(shí)現(xiàn)的步驟；通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)，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(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸量。 5)設(shè)計(jì)開發(fā)基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)硬、軟件設(shè)計(jì)開發(fā)，以及SINK節(jié)點(diǎn)、基站服務(wù)器設(shè)計(jì)。并將原型系統(tǒng)應(yīng)用于“無線燃?xì)獬硐到y(tǒng)”項(xiàng)目，為無線傳感器網(wǎng)