無線傳感器網(wǎng)絡若干關鍵技術的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡由大量低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式連接而成，能夠?qū)崟r感知、監(jiān)測和采集覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息，并進行處理后報告給感興趣的用戶。其具有部署靈活、可靠性強、擴展方便、經(jīng)濟性好等特點，在軍事安全、工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生及環(huán)境監(jiān)測等領域具有廣泛的應用前景，受到學術界和工業(yè)界的高度重視。
　　 無線傳感器網(wǎng)絡往往應用在惡劣的外部環(huán)境或無人區(qū)域，能量通常是由干電池或紐扣電池來供電，很難進行補充，所以進行節(jié)能設計并進

2、而提高整體網(wǎng)絡的最大生命周期將是一個重要的研究課題。本文將對此進行研究，主要圍繞多基站最大生命周期模型、路由節(jié)能算法以及節(jié)點故障診斷等關鍵技術展開，最后在對無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件平臺研究的基礎上設計了一個節(jié)能高效原型系統(tǒng)。
　　 論文的主要貢獻包括以下四個方面:
　　 (1)基于多基站環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡最大生命期通信模型的研究。無線傳感器網(wǎng)絡沒有一個固定的最優(yōu)路由算法，通常針對不同應用設計出不同的最佳路由，但是，如何提

3、高數(shù)據(jù)傳遞的能量效率從而提高網(wǎng)絡的生命期是所有路由算法面臨的最重要關鍵問題之一。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡多基站路由問題，提出一種基于最優(yōu)化理論的無線傳感器網(wǎng)絡通信模型(MLCM)，研究了無線傳感器網(wǎng)絡中多源多基站的最大生命期問題。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡能量限制和數(shù)據(jù)流量守恒原則建立整數(shù)非線形規(guī)劃模型，以網(wǎng)絡最大生命期為最優(yōu)目標，以能量和帶寬等為限制的多約束條件，依靠最優(yōu)化技術的分布式算法解決該模型。本文通過仿真實驗驗證了MLCM模型在多基站環(huán)

4、境中的性能，并表明所提出的模型在延長網(wǎng)絡生命期方面優(yōu)于WSTP和MD-MLR。
　　 (2)基于多路徑無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究。無線傳感器網(wǎng)絡是通過很多能量受限的傳感器節(jié)點從監(jiān)測區(qū)域來獲取有用信息的，如何將獲取的數(shù)據(jù)以較少的能量從源節(jié)點傳送到目的節(jié)點，則對提升網(wǎng)絡的生命周期有著重要的意義。本文針對能量控制在無線傳感器網(wǎng)絡路由上的特殊要求，為了促使網(wǎng)絡節(jié)點能量消耗相對均衡，將蟻群優(yōu)化算法應用于無線傳感器網(wǎng)絡路由并進行改進，提出

5、一種基于能量均衡的多路徑無線傳感器網(wǎng)絡路由算法(MEACO)。本算法采用前向螞蟻尋找從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，采用后向螞蟻對路徑上的信息素進行更新;在進行路由選擇時，將相鄰節(jié)點的能量作為啟發(fā)函數(shù)的參數(shù)，同時也構(gòu)造了適應度函數(shù)并將路徑長度和節(jié)點剩余能量作為其參數(shù)。仿真實驗結(jié)果表明，該算法不僅可以避免基本ACO等算法容易停滯而陷入局部最優(yōu)解的問題，而且由于其較好地平衡了路徑長度和節(jié)點能量消耗兩者關系，使得其在網(wǎng)絡的總能耗和節(jié)點的平均能耗方面

6、明顯優(yōu)于泛洪模型、基本ACO算法、PACO及EEABR等算法，從而有效地延長了網(wǎng)絡的生命周期。
　　 (3)基于多核小波相關向量機的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷的研究。一旦無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點發(fā)生故障后，節(jié)點往往會產(chǎn)生并傳輸錯誤的數(shù)據(jù)，這不僅消耗節(jié)點的能量和網(wǎng)絡的帶寬，而且還會形成錯誤的決策，甚至造成網(wǎng)絡的癱瘓。本文第一次將多核小波相關向量機算法應用到無線傳感器節(jié)點的故障檢測方法中，并提出一種新的無線傳感器節(jié)點的故障診斷方法(MKWR

7、VM)。該算法使用4個分類器用于區(qū)別正常節(jié)點和四類故障節(jié)點，同時結(jié)合實驗與其他診斷算法進行了比較。仿真實驗表明，本算法診斷正確率高達98.18％，而支持向量機、RBF高斯核函數(shù)的相關向量機算法則分別為86.36％和92.73％，從而本算法可較好地延長網(wǎng)絡的生存周期，
　　 (4)在對無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件研究的基礎上，提出了一種節(jié)能的原型設計框架。硬件平臺采用TI公司主控芯片MSP4301611單片機和射頻CC1101芯片，軟件上