面向水质监测的无线传感器网络能效优化与综合评估研究.pdf

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1、分类号学号密级D201077788学校代码10487博士学位论文面向水质监测的无线传感器网络能效优化与综合评估研究学位申请人：李继安学科专业：系统分析与集成指导教师：张勇传院士周建中教授答辩日期：2014年6月2日 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinScienceEnergyEfficiencyOptimizationandComprehensiveAssessmentforWirelessSensorNetworki

2、nWaterQualityMonitoringLIJi’anPh.D.Candidate：Major：SystemAnalysisandIntegrationSupervisor：Prof.ZHANGYongchuanProf.ZHOUJianzhongHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJune,2014 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

3、对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日

4、 本论文的研究工作获得以下基金的资助，在此鸣谢：1.2.3.4.水利部公益性行业科研专项“大东湖水网调度关键技术研究及应用”（项目编号：201001080）国家自然科学基金“水力发电机组复杂非线性动力学建模与诊断方法”（项目编号：51079057）国家自然科学基金重点项目“基于空间曲面的水泵水轮机全特性及过渡过程的研究”（项目编号：51039005）高等学校博士学科点专项科研基金“复杂水火电多维广义耦合系统运行优化与风险决策”（项目编号：20100142110012） 华中科技大学博士学位论文摘要无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN），即

5、随机分布于监测环境中的传感器节点通过无线通信的方式，协同工作并构成网络，将侦听到的有效信息经过计算和融合等简单处理，再发送至基站。微传感器、低功耗电子技术和射频通信技术的发展推动了WSN的产生和蓬勃发展。虽然WSN以低功耗和灵活自组织的特点，取得广泛的应用前景，然而WSN的应用环境大多是复杂多变、不宜部署有线网络的工程应用和环境监测，要求节点采用微型化设计，并使用电池供电。电池的能量极为有限，且部署之后再次补充电能极为不易，故在保证网络覆盖质量和通信要求的前提下减少能耗，提高网络的能量效率，延长节点和网络的生存时间，是无线传感器网络研究的重要内容。WSN的能量消耗可以

6、分为“必要能耗”和“非必要能耗”。其中必要能耗有三个用途：（ⅰ）发送与接收数据；（ⅱ）处理查询请求；（ⅲ）向邻居节点转发查询或数据包。“非必要能耗”是用以：(ⅰ)空闲侦听；（ⅱ）数据包冲突导致的重发；(ⅲ）侦听；(ⅳ)产生或处理控制包。网络节省能量的方式有减少“非必要能耗”的，也有以减少“必要能耗”为手段的。这些节能方法可以分为三类：第一类，高能效路由技术；第二类，数据处理技术；第三类，拓扑控制技术。这些方法都是节约能量、提高网络能效性能的有效方法，但是仍有许多理论障碍技术瓶颈尚未解决。本文在“基于传感器网络的水质在线检测装置”等应用需求下，针对无线传感器网络在节能技

7、术方面的挑战，在综合分析WSN分簇路由原理与方法的基础上，建立能耗均衡的分簇路由协议，以延长网络生存时间；针对水质监测与评价的应用环境，研究了无线传感器网络数据融合的策略与方法，提出了一种高能效的基于分簇路由的数据融合策略和基于变异系数的模糊综合指数数据融合算法；最后总结若干描述能效的概念，提出了无线传感器网络分簇协议的能量效率综合评估模型与方法。论文的主要内容及创新性成果包括：（1）分簇是无线传感器网络节约能耗、提高能效的一种有效途径，传统的分簇路由协议的簇头选择，大多是产生随机数并与阈值比较的方式实现，这种方式导致无线传感器网络簇头选择的随机性、