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1、面向制造车间监测系统无线传感器网络研究1、相关定义1.1、无线传感器网络的概念无线传感器网络的定义如下:无线传感器网络是就是由布置在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通讯方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是感知、采集和转发网络覆盖的地理区域中的感知对象的各种信息,并发送给监控中心。无线传感器网络结构如图1所示,通常包括传感器节点(SensorNode),中继节点和管理节点。大量的传感器节点随机部署在监测区域(SensorField)内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点将感知对象的监测数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传
2、输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到中继节点,最后互联网或卫星到达管理节点。观测者通过管理节点对传感器进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据[3,4]。图1.1无线传感器网络结构图传感器节点由电源、传感器元器件、处理器CPU、存储器几部分构成如图1.2所示[5,6]。电源为传感器节点提供正常工作所必需的能源。传感器元器件用于感知、获取外界的信息,并通过AD转换器将其转换为数字信号。处理部分负责3协调节点各部分的工作,如对感知部件获取的信息进行必要地处理、保存,控制传感器元器件和电源地工作模式等。射频模块负责与其它传感器或观测者
3、的通信。图1.2传感器节点结构图1.2、无线传感器网络的定义目前已有很多文献给出了无线传感器网络的定义[1][2],说法各有不同,但实质上大同小异。比较通用的定义为:无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)就是由部署在监测区域内大量的传感器节点以无线通信的方式形成的自由组织的网络系统,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息,并传送到信息用户。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三要素。1.3、无线传感器网络分簇的定义及优势2.2.1无线传感器网络分簇的定义2.2.1无线传感器网络分簇的定义分簇路由协
4、议一直是研究的热点,在能量平衡中起着非常重要的作用,良好的拓扑结构能够提高RF协议的效率,为节点数据融合、时间同步以及目标定位等各方面都提供基础,可以大大减少节点能量的损耗,增加网络的生存周期。所谓分簇就是将布撒的无线传感器节点分成若干区域,在各区域中选择一个队头节点即簇头节点充当管理者,用于管理自己区域内其它节点的通信,并对簇内节点传感器数据信息进行融合处理直接或者经过多跳的方式将数据包发送给基站。由于WSN是与应用密切相关的,选取簇头一般是根据节点分布情况、网络拓扑结构以及网络模型确定[7]。13如图2.1给出了无线传感器网络分簇示意图,图中黑点表示普
5、通数据节点,白点表示簇头节点,普通节点传感器数据按规定的方式将数据传输给簇头,经过数据融合再由簇头发往基站。虚线形成的区域表示该簇头管理的区域。图2.1(a)表示簇头以单跳的方式传输数据,(a)簇头到基站是单跳的情况(b)簇头到基站是多跳的情况图2.1传感器网络分簇后的拓扑结构无线传感器网络节点通信距离有限,所以一般在小规模的网络中使用这种模型。图2.1(b)为簇头以多跳的方式传输数据到基站,簇头节点收到簇内节点传来的数据后,通过一定的路由选择算法,经过多跳传输给基站。网络中簇头节点的通信距离大于簇内节点的通信距离,簇内通信和簇间通信应使用不同的扩频码或者
6、其他技术避免簇间通信对簇内通信的干扰。1.4、图与网络的基本概念我们可以运用数学的语言和方法,通过抽象、简化建立能近似刻画问题的模型,进而对其进行研究来解决实际问题。本文对无线传感器网络中的拓扑控制及能量有效利用问题的研究也是从图与网络的知识入手,把所要研究的问题转化为数学模型,运用组合优化算法,来解决实际问题。以下将介绍有关图与网络的基本概念,有关定义和术语主要参考[2,5,6]。定定义111..1无向图(有向图)G是由一个非空有限集合V(G)和V(G)中某些元素的无序对(有序对)集合E(G)构成的,即G=(V,E)。其中V=V(G)={v1,v2,?,
7、vn}称为图G的顶点集,V(G)中的每一个元素vi(i=1,2,?,n)称为G的一个顶点;E=E(G)={e1,e2,?em}通常称为G的边(弧)集合,E(G)中的每一个元素ek,记为ek=vivj(vivj)(k=1,2,?,m),被称为G的一条边(弧)。通常用
8、V
9、表示顶点的个数,用
10、E
11、表示边(弧)的条数。边(弧)上赋权的无向图(有向图)称为赋权无向图(赋权有向图)。定定义1111...22图G=(V,E)的一条途径是指某些顶点与边共同排成一个非空的有限交错序列W=v0e1v1...ekvk,其中vi∈V,ei=(vi?1,vi)∈E(1≤i≤k),
12、记为P(v0,vk)杭州电子科技大学硕士学位论文2或P0,k。v0
