探析面向实时监测的混合式无线传感器网络研究与应用

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1、中南大学博士学位论文面向实时监测的混合式无线传感器网络研究与应用姓名：杨玺申请学位级别：博士专业：交通信息工程及控制指导教师：樊晓平;刘少强20071001博士学位论文摘要无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的白组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。微机电技术的快速发展使得WSN步入了实用阶段，由于其不需要固定的网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域，以及空间探

2、索和灾难抢险等危险／有害或人难以进入的环境。根据实时监测的应用需求，本文将主动式和反应式无线传感器网络的特点相结合，构建了面向实时监测的混合式无线传感器网络HRM--WSN(HybirdReal·-timeMonitoringorientedWirelessSensorNetwork)。这类无线传感器网络通过周期性数据采集和异常事件的及时探测实现观测区域内对象的实时监测。本文首先分析了面向实时监测的混合式无线传感器网络系统的应用范围、特点和研究意义，以及在实时监测中的应用优势，提出面向实时监测的混合式无线传感器网络体系结构、系统的设计原则和研究内容等，为全面研究此类应用系统打下了良好的基

3、础。针对面向实时监测的混合式无线传感器网络系统对媒体访问控制协议能耗有效性和延时性能的需求，考虑无线传感器网络的多跳特性，本文提出了一种自适应非同步的无线传感器网媒体访问控制协议一A2FMAC(AdaptiveandAsynchronousMediumAccessProtocolwithFRTS)。A2FMAC协议中的节点可以根据流量自适应地调整工作一休眠状态，并采用Quorum矩阵表格的非同步设计和FRTS机制降低了休眠导致的网络传输延时，可同时兼顾能量和延时两项性能指标。针对系统对路由协议的节能要求，本文考虑到应用中传感器节点通过环境振动采集能量的可行性和必要性，提出了一种具有振动能

4、量补给的分簇路由算法PHC(Power—HarvestingClustering)。该算法通过改进簇头选择机制和非簇头归属机制，使得整个网络的能博士学位论文摘要量负载尽可能地平均分配到每个传感器节点，改善了网络整体能量消耗的均衡性。考虑周期性数据的低功耗传输和异常事件及时报告的需求，本文在分簇路由算法的基础上提出了一种既可用于簇内层也可用于簇间层的网络多跳路由机制一考虑延时的多路径路由算法HRM—MP(HybridReal-timeMonitoringorientedMultipath)。该算法中节点由振动采能单元提供补给能量，并根据自身的能量水平和数据优先级自适应地选择路由：对于高优先

5、级信息数据降低了传输延迟，满足对网络通信的实时性要求；对于低优先级信息数据均衡了网络整体能量消耗，将通信能量消耗分散到多条路径上，从而延长了网络生命周期。针对面向实时监测中异常事件及时探测的需求，考虑到传感器硬件资源以及能量供给的限制，本文提出了一种适应于微控制器的低功耗信号处理方法一负系数加权伪中值滤波NWPMF(NegativeWeightedPseudo—MedianFilter)。该方法不仅保持了中值滤波的优点，而且具有频率选择特性，有效地降低了计算量，同时可降低节点的数据传输量。本文最后探讨了将混合式无线传感器网络应用于车载式货物列车车辆运行状态的无线监测问题。通过对货车运行状

6、态的分析和仿真，选择加速度信号作为监测的特征量，研究实现运行安全信息在线实时监测的技术条件，确定监测部位以及监测方式，给出了基于HRM—WSN的车载式货物列车车辆运行状态无线监测系统的总体解决方案。关键词混合式无线传感器网络，实时监测，MAC协议，路由协议，信号处理，系统设计II博士学位论文ABSTRACTWirelesssensorNetwork(WSN)，whichdeploysmanylow-cost，low-powerandsmall—scalesensorsinanadhocmanner，self-organizesintoamultihopwirelessnetworkwit

7、hthesamesharingcommunica-tionmedium．Thiskindofnetworkscoordinatetoperformacom—montask，suchassensing，collectingandprocessingthedataintheircoverage．Withtherapidadvancesinmicro-electro-mechanicalsys-tems(MEMS)technology，W