面向智能消防的WSN信息保障关键技术研究

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1、密级：公开论文类型：应用研究工程硕士学位论文面向智能消防的WSN信息保障关键技术研究ResearchontheKeyTechnologyofWSNInformationAssuranceforIntelligentFire培养单位：电气与电子工程学院专业领域：电气工程学生姓名：马子原校内导师：杨明副教授校外导师：姚福来教授级高工二○一八年一月独创性声明本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同

2、工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：2017年1月关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：2017年1月导师签名：日期：2017年1月摘要随着国民经济与科技的快速发展，建筑物种类和数量不断增多，其在给生

3、产生活带来便利的同时，也给消防带来了新的挑战。因此，研究有效的消防预警系统意义重大。传统消防报警系统大多是采用有线方式，不具备火灾早期的检测能力。而现有无线消防报警系统检测报警方面仍存在一定的问题。随着无线通信技术的飞跃式发展，无线消防探测节点己经成为无线消防发展的必然趋势，加之近年来无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)技术日趋成熟，可将无线传感器网络和智能消防结合，构建基于WSN的智能消防报警系统。该系统具有功耗低、系统构成简单，组网方式灵活、成本低和低时延等优势，能在很大程度上提高火灾报警的可靠性，从而有效避免火灾的发生。信息的实时可靠传输是提高基于

4、WSN智能消防系统的预警能力的前提，因此本文对WSN的信息保障技术进行研究，包括分簇、跨层路由以及故障容错机制，为WSN信息传输提供有力保障。主要工作如下：首先，研究了面向智能消防的WSN分簇算法。分簇可简化WSN拓扑结构，提高数据交换效率和信道复用率。由于面向智能消防的WSN节点众多，传统分簇算法效率较低。因此，本文以能量有效为前提，基于粒子群（ParticleSwarmOptimization,PSO）算法与和声搜索（HarmonySearch,HS）算法对WSN进行分簇，提出了PSO-C分簇算法。首先利用HS算法对局部进行最优解的搜索；然后在每轮结束时，借助PSO粒子的移动性利用HS

5、算法对另一区域进行最优解搜索，并更新和声记忆矩阵；最后轮回次数结束，得到最优簇头数和簇头节点。仿真结果表明，与经典LEACH分簇协议相比，PSO-C的分簇结果较好，有效提高了网络的能量利用效率，延长了网络的生存周期。其次，研究了面向智能消防的WSN跨层路由问题。设计了MNCLR跨层路由协议，其融合网络层和MAC层的分簇、时隙分配信息。首先对网络进行初始化即建立局部位置信息表和簇划分。然后建立路由表，包括簇内路由和簇间路由协议的设计。最后根据WSN的特点，设计了相应的簇及路由表的维护规则。仿真结果表明，与传统AODV和GPRS路由协议相比，在网络规模一定的前提下，MNCLR路由协议能有效降低

6、端到端的信息传输时延，并有效提高了网络的吞吐量。最后，研究了面向智能消防的WSN故障容错机制，设计了基于网络编码的ARQ容错机制，其通过随机网络编码的方式对数据包进行编码，然后根据信宿节点需要收到的数据包的个数和信道丢失率来确定编码产生的冗余数据包的个数，以减小传输过程中的开销。最后，分别建立了无任何容错机制的WSN、基于传统ARQ的WSN和基于网络编码的WSN的数学模型，从其可靠性和能量消耗的角度对三种模型进行性能比较分析。最后对其性能进行了仿真，仿真结果表明，与传统的ARQ机制相比，NC-ARQ机制能在不增加能耗的前提下提高信息传输的可靠性，从而保证面向智能消防WSN消息的可靠性传输。

7、关键词：智能消防；WSN信息保障；分簇；跨层路由；故障容错AbstractWiththedevelopmentofnationaleconomy,scienceandtechnology,thevarietyandquantityofthebuildingsincreaserapidly,whichbringsconveniencetoproductionandlife,andalsobringsnewchallenge