无线传感器网络系统设计与应用

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1、中文摘要摘要无线传感器网络系统已经成为当前国内、外的重要的研究领域之一；研究表明无线传感器网络系统具有广泛的应用背景，特别是在特殊应用场景(军事或人员无法到达的地方)应用中，由于目标区域的特殊限制，使得无线传感器网络系统的优越性得到很好的体现。本文通过研究无线传感器网络系统的关键技术和难点，设计了面向特殊应用场景的无线传感器网络系统的解决方案，并详细地描述了系统中各个功能模块的细节，对模块中的各种协议和算法完成了相应的仿真实验，并得出了相应的性能评价；最后在实验室中结合“无线燃气抄表系统”项目的开发，对无线传感器模块进行了研制和测试

2、，为今后进一步研究和实际应用打下良好的基础。本文研究内容如下：1)结合无线传感器网络系统技术的发展和针对在特殊应用场景应用的需求，给出了无线传感器网络系统模型，并分析了系统模型中各个功能模块的要求与设计原则；整个系统以无线传感器网络技术为核心，增强了系统的灵活性、可维护性和可扩展性，同时系统模块化、开放式的结构使系统具有良好的可移植性。2)在无线传感器节点形成无线网络的过程中，需要考虑网络的拓扑结构问题，且拓扑管理在能量有效性中扮演关键角色。本文给出了一个随机拓朴管理规则(IuMR)。在随机拓扑管理规则(R，IMR)中，将节点随机地

3、划分若干子集，再用修正子集准则(MSR)去处理出现的孤立节点，使网络的连通性和覆盖性都得到加强：通过理论推导进一步明确了节点覆盖密度、网络覆盖密度、子集数及网络节点数之间的关系，这在实际应用中有着重要的应用价值。它具有以下优点：①在不依靠传感器的精确定位信息和感知半径与通讯半径之间的关系情况下，满足网络覆盖和连通性的要求；②每个处于工作状态的节点都知道自己到SINK节点的最少跳数；在这种情景下，随机拓扑管理规则解决了路由中不必要的的系统花费；⑧通过简单的调整t可以动态的调整覆盖密度；④算法对时间不同步有一定的弹性；⑤这个算法很容易实

4、施，同时拓朴建立时，系统的时间开销非常的小。仿真结果验证了随机拓扑管理规则的有效性。3)根据无线传感器网络系统路由过程中，节点能量和网络能量发生改变的情况，并结合蚁群算法，提出了一种基于蚁群算法的能量均衡路由协议(ACO．髓R)。在ACo．EBR协议算法中，充分地考虑了节点的能量、网络能量以及通讯中的能耗因素，并将之反映在协议算法的路径转移概率和信息素增量的计算中；目的是能够均衡无线传感器网络能量的消耗；仿真结果表明，ACO—EBR协议很好的配合了重庆大学博士论文上章中的随机拓扑控制规则，同时对比LEACH协议和PE(认SIs协议，

5、ACO-EBR协议在网络生存时间、能量有效性、数据完整性上都有很大的提高。ACO．EBR协议算法具有以下特点：①由于是基于能量考虑的启发式蚁群算法，可以在较短的时间得到最优解(或近优解)，从而降低了传感器网络中数据传输中通信的能耗，延长了网络的生存时间；②算法具有良好的可扩展性；基于蚁群算法的正反馈性和协同性特点，使ACO—EBR协议可用于分布式系统，其隐含的并行性(计算在各个SINK节点进行)具有极强的发展潜力。4)针对无线传感器网络中传感器节点电池能量较小、无线带宽有限以及数据远程传输中的延迟问题，给出了一种数据压缩的方法，以达

6、到减少数据传输量，提高网络生存时间的目的。文中首先构建了无线传感器网络系统的数据传输层次模型，通过对模型的仿真得出在给定的网络环境下，对采集数据进行压缩可以放在SINK层和基站层进行，这样对减少网络流量、节省节点能量以及保证数据传输延时的平稳性等方面较为合理；接着分析了小波的特点，给出了基于多分辨率分析的数据压缩算法和实现的步骤；通过对采集数据进行压缩处理的分析表明，算法可以得到10左右的压缩比，在允许的相对误差范围内，得到了较好的压缩效果，节省了数据的存储空间和减少了网络中数据的传输量。5)设计开发基于IEEE802．15．4协议

7、的无线传感器网络原型系统。包括基于Philiphs的P89LV51RD2处理器和Freescale的MC13192无线芯片的无线传感器节点硬、软件设计开发，以及SINK节点、基站服务器设计。并将原型系统应用于“无线燃气抄表系统”项目，为无线传感器网络系统的进一步研究和实际应用积累了相关实践经验。关键词：无线传感器网络；拓扑管理规则；路由算法：数据压缩算法；小波；ⅢEE802．15．4Ⅱ英文摘要ABSTRACTWirelesssensornetworks(WSNs)havebecolneoneoftheimportantresearc

8、hfieldsintheworld．Ithasawide-rangeapplicationbackground，especiallyinmartialapplicationsandenvironmentmonitoringduetos