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《武汉理工大学》 2010年
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无线传感器网络节点管理技术研究

刘苏敏  
【摘要】: 无线传感器网络是由大量低成本、低功耗、具有无线通信和计算能力的微型传感器节点组成的自组织分布式网络系统,涉及无线通信技术、传感器技术、嵌入式技术和微电机技术等多门学科。它改变了人类与现实物理世界的交互方式,在军事、医疗、环境监测、灾难救援、工业控制、智能家居等领域彰显出巨大的应用价值。目前无线传感器网络面临的主要问题是计算、存储和网络资源等方面的限制,针对如何进行无线传感器网络中节点高效率、低能耗的管理机制展开研究具有十分重要的意义。本文主要在满足无线传感器网络应用需求的前提下对节点的休眠/唤醒机制和节点功率管理机制进行了研究,研究的主要工作体现在以下几个方面: 针对可获取传感器节点位置信息的无线传感器网络,以TIAN算法中确定冗余节点的理论为基础,提出了一种基于能量阈值设定的节点休眠/唤醒机制,将工作节点的能量消耗问题视为节点轮转工作与休眠状态的关键因素。针对网络中探测区域内长期工作的传感器节点能量持续消耗所造成的节点探测性能下降(探测半径减小),从而导致盲区出现的情况,给节点设置相应的能量消耗阈值,让其能量消耗到一定程度上重新开始判别自身的工作状态。使得监测网络可以最大限度的利用节点的能量来完成相关任务,有效的平衡了网络的整体能量消耗。 同时在无需节点精确位置信息的无线传感器网络环境中,结合模糊控制算法,设计出一种基于模糊能量控制的节点休眠/唤醒机制,使得节点不仅能够根据自身能量变化的多少而且还可同时考虑其能量消耗的快慢程度来调整其休眠或工作状态。在探测区域内让能量消耗较多的节点进入休眠,能量充足的节点工作。达到了提高了网络的整体生存寿命,增强单个传感器节点能效的目的。 针对无线传感器网络中节点能耗的动态变化,引入蚁群优化算法,在保证网络中节点双向连通的条件下,制定出一种基于蚁群算法的节点功率控制管理机制,以节点数据传输流量大小为依据,自适应地调整节点的发射功率,利用蚁群优化算法在网络中重新建立传输路由。在无线传感器网络中建立低能耗的数据通信路径,有效降低网络的整体能量消耗。 以无线传感器网络为通信平台搭建了油田抽油机远程运行监测系统,综合了本文所提出的节点模糊能量控制理论,在大范围的监测区域内有效的提高了系统的使用周期,克服了传统油田生产监测方式所带来的诸多不便,极大的提高了油田生产的自动化性能。 本文研究了无线传感器网络节点管理技术中的核心问题,以提高网络能耗效率,延长网络和节点的有效工作周期为原则,设计出相关的节点管理控制算法,研究结果表明,以传感器节点能耗为出发点,配以节点的自适应设计,能有效提高网络生存寿命。
【关键词】:无线传感器网络 节点能耗 能量阈值 模糊控制 蚁群算法
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP212.9;TN929.5
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-13
  • 第1章 绪论13-25
  • 1.1 无线传感器网络的研究背景和研究意义13-15
  • 1.2 无线传感器网络简介15-19
  • 1.2.1 无线传感器网络的基本概念15
  • 1.2.2 无线传感器网络结构15-16
  • 1.2.3 无线传感器网络的特点16-18
  • 1.2.4 无线传感器网络的应用18-19
  • 1.3 无线传感器网络节点管理19-22
  • 1.3.1 节点管理的主要研究内容19-20
  • 1.3.2 节点管理的研究现状20-22
  • 1.4 论文的研究内容22-23
  • 1.5 论文的主要贡献23
  • 1.6 论文的组织结构23-25
  • 第2章 节点管理相关技术研究25-43
  • 2.1 引言25
  • 2.2 节点管理相关理论25-28
  • 2.2.1 节点感知模型25-26
  • 2.2.2 节点覆盖方式26-27
  • 2.2.3 节点部署方法27
  • 2.2.4 网络连接27
  • 2.2.5 节点能耗的基本概念27-28
  • 2.3 无线传感器网络节点休眠/唤醒机制相关技术研究28-34
  • 2.3.1 PEAS算法29
  • 2.3.2 网格调度算法29-31
  • 2.3.2 CCP算法31-32
  • 2.3.4 随机休眠调度节能机制32-34
  • 2.4 无线传感器网络节点功率管理相关技术研究34-41
  • 2.4.1 动态功率管理35-36
  • 2.4.2 基于节点度的功率管理算法36-37
  • 2.4.3 基于邻近图的功率管理算法37-39
  • 2.4.4 基于二分法的功率管理算法39-41
  • 2.4.5 网络负载自适应功率管理算法41
  • 2.5 本章小结41-43
  • 第3章 基于能量控制的节点休眠/唤醒机制研究43-68
  • 3.1 引言43
  • 3.2 节点覆盖控制算法43-49
  • 3.2.1 冗余节点的判定44-47
  • 3.2.2 调度环节47-48
  • 3.2.3 算法评价48-49
  • 3.3 基于能量阈值设定的节点休眠/唤醒机制49-54
  • 3.3.1 问题描述49
  • 3.3.2 算法思想49-51
  • 3.3.3 算法实现的步骤51-52
  • 3.3.4 仿真分析52-54
  • 3.4 基于模糊能量控制的节点休眠/唤醒机制54-67
  • 3.4.1 模糊控制算法的基本思想及特点54-55
  • 3.4.2 模糊控制系统的结构55
  • 3.4.3 模糊控制算法的基本原理55-57
  • 3.4.4 相关前期工作57-60
  • 3.4.5 模糊能耗控制算法60-64
  • 3.4.6 节点休眠调度控制64-65
  • 3.4.7 仿真与分析65-67
  • 3.5 本章小结67-68
  • 第4章 基于蚁群算法的节点功率控制管理机制研究68-89
  • 4.1 引言68
  • 4.2 蚁群优化算法68-75
  • 4.2.1 蚂蚁的觅食行为与策略69-71
  • 4.2.2 人工蚁群算法的基本思想71-75
  • 4.3 基于蚁群算法的节点功率管理机制75-82
  • 4.3.1 蚁群系统模型的建立75-78
  • 4.3.2 节点通信路由选择设计78-79
  • 4.3.3 功率变化时路由的选择设计79-80
  • 4.3.4 仿真与分析80-82
  • 4.4 节点发射功率调整机制82-88
  • 4.4.1 节点发射功率的自调节82-85
  • 4.4.2 基于数据传输流量的节点发射功率调整设计85-88
  • 4.5 本章小结88-89
  • 第5章 基于无线传感器网络节点管理 #77的应用系统设计89-108
  • 5.1 引言89
  • 5.2 监测系统整体设计89-94
  • 5.2.1 监测系统设计的原则89-90
  • 5.2.2 监测系统组成90-91
  • 5.2.3 抽油机数据采集设计91-92
  • 5.2.4 监控中心结构设计92-93
  • 5.2.5 系统通信方案设计93-94
  • 5.3 无线传感器网络监测系统设计94-98
  • 5.3.1 传感器节点的架构95-97
  • 5.3.2 模糊能耗控制算法的实现97-98
  • 5.4 监测系统的数据管理98-102
  • 5.4.1 数据库系统的选取99
  • 5.4.2 监测系统参数数据表设计99-101
  • 5.4.3 用户数据管理101-102
  • 5.5 上位机通信功能设计102-105
  • 5.5.1 数据库通信的实现102-103
  • 5.5.2 与汇聚节点通信的实现103-104
  • 5.5.3 远程通信功能的实现104-105
  • 5.6 监测系统运行界面设计105-107
  • 5.7 本章小结107-108
  • 第6章 总结与展望108-111
  • 6.1 全文总结108-109
  • 6.2 今后工作的展望109-111
  • 致谢111-112
  • 参考文献112-122
  • 作者在攻读博士学位期间公开发表的学术论文122-123

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 赵静;王诚;;无线传感器网络中节点动态功率管理方法分析[J];科学技术与工程;2012年31期
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1 赵丹;适用于振动信号监测的无线传感器网络研究[D];太原理工大学;2011年
2 周裕秀;无线传感器网络演化特性研究[D];广西师范大学;2012年
3 姚先连;分布式卡尔曼预测滤波跟踪算法研究[D];长春理工大学;2012年
【参考文献】
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4 任丰原,黄海宁,林闯;无线传感器网络[J];软件学报;2003年07期
5 张树,戎蒙恬,孙礼;基于CDMA技术的AdHoc网络联合功率控制算法[J];上海交通大学学报;2005年04期
中国硕士188bet全文数据库 前1条
1 秦玲;蚁群算法的改进与应用[D];扬州大学;2004年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 林永君,李玲,王兵树;智能控制算法在杂交仪开发中的应用[J];华北电力大学学报;2005年05期
2 芦东昕;侯晓东;;无线传感器网络路由协议成簇算法研究[J];华北电力大学学报;2006年04期
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4 彭静;翟英;刘冬青;姜红;;无线传感器网络路由协议的安全性研究[J];河北工业科技;2007年01期
5 杜朝阳;谢桂海;杨磊;;无线传感器网络中的IMP-HCRL定位算法[J];河北工业科技;2008年03期
6 郭鹏;杨春晖;陈蕾;刘冲;;一种低功耗无线传感器网络节点设计[J];河北工业科技;2009年04期
7 杜朝阳;杨磊;;一种改进型无线传感器网络HCRL定位算法[J];河北省科学院学报;2008年01期
8 高静;朱永利;李丽芬;;基于蚁群算法的长链状无线传感网络路由算法[J];河北省科学院学报;2011年03期
9 岳宇君;刘钟情;王艳秋;曾维鲁;;一种自适应的无线传感器网络时间同步技术[J];河北科技师范学院学报;2007年03期
10 董武世;;无线传感器网络QoS路由技术研究进展[J];湖北师范学院学报(自然科学版);2008年03期
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2 张维勇;张芬;马学森;;基于IEEE802.15.4的一种分簇算法研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 石为人;张阳;邓鹏程;;传感器网络局部时间同步协议研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 严彬;熊伟清;程美英;叶青;;基于拥塞控制的多种群二元蚁群算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 刘增力;李雯霏;龙华;朵琳;;能量相关DSR协议OPNET仿真及性能分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 ;Energy-Efficient Optimal Scheme Based on Mixed Routing in Wireless Sensor Networks[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 罗旭;柴利;杨君;;无线传感器网络TTSL迭代定位算法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 任玲;唐昊;周雷;魏振春;;一种能量高效的无线传感器网络自适应传输方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
9 王映斐;程启明;程尹曼;胡晓青;;基于模糊控制器的异步电动机直接转矩控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
10 何坚;方康玲;李晓卉;韩维;;基于无线传感器网络的涉密载体智能监管系统研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
中国博士188bet全文数据库 前10条
1 张晋;无线传感器网络覆盖控制算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王蕊;无线传感器网络部署与拓扑控制研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 张进;地震叠前数据的弹性阻抗非线性反演方法研究[D];中国海洋大学;2009年
4 孙玉婷;基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究[D];中国海洋大学;2009年
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7 周鹏;水下传感器网络海上试验平台的研究与设计[D];中国海洋大学;2010年
8 张书奎;无线传感器网络中信息分发的可靠性研究[D];苏州大学;2010年
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中国硕士188bet全文数据库 前10条
1 冯小冬;基于模糊PID控制的呼吸机压力控制研究[D];南京医科大学;2010年
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3 张蛟龙;平面二级倒立摆的控制策略研究[D];河南理工大学;2010年
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【同被引文献】
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1 崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,刘巍,赵泽;无线传感器网络研究进展[J];计算机研究与发展;2005年01期
2 石高涛;廖明宏;;大规模传感器网络随机睡眠调度节能机制[J];计算机研究与发展;2006年04期
3 余浩,王耀南,梁昂,罗志强;基于新型DSP-BF533的嵌入式运动图像目标跟踪系统的设计[J];计算机工程与应用;2005年16期
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8 樊棠怀;肖贤建;殷玲玲;徐立中;;无线传感器网络的元胞自动机自组织算法[J];计算机工程;2009年21期
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中国博士188bet全文数据库 前9条
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2 林瑞仲;面向目标跟踪的无线传感器网络研究[D];浙江大学;2005年
3 董辉;无线传感器网络中的信息处理研究[D];浙江大学;2007年
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6 刘明;无线传感器网络的资源异构及能效管理研究[D];华中科技大学;2009年
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8 姜楠;无线传感器网络自组织演化模型及其关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年
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1 毛沙;无线传感器网络节能优化策略研究[D];合肥工业大学;2011年
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3 欧杰峰;基于IEEE802.15.4的无线传感器网络组网研究[D];浙江大学;2006年
4 邓安庆;基于RF的无线传感器网络在设备监控系统中的应用研究[D];武汉理工大学;2006年
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7 陈苗苗;能量有效的无线传感网络节点跟踪算法及其应用研究[D];湖南大学;2009年
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10 张怀堃;基于传送树的无线传感器网络移动目标定位跟踪技术研究[D];西南交通大学;2010年
【二级引证文献】
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1 江甜甜;基于ZigBee网络的地下管线振动监测技术的研究[D];南京信息工程大学;2012年
【二级参考文献】
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5 高尚;武器-目标分配问题的蚁群算法[J];计算机工程与应用;2003年03期
6 燕忠,袁春伟;增强型的蚁群优化算法[J];计算机工程与应用;2003年23期
7 王颖,谢剑英;一种基于蚁群系统的多点路由新算法[J];计算机工程;2001年01期
8 陈烨;带杂交算子的蚁群算法[J];计算机工程;2001年12期
9 王征应,石冰心;基于启发式遗传算法的QoS组播路由问题求解[J];计算机学报;2001年01期
10 吴斌,史忠植;一种基于蚁群算法的TSP问题分段求解算法[J];计算机学报;2001年12期
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8 常春波;;无线传感器网络节能技术综述[J];单片机与嵌入式系统应用;2011年03期
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10 任秀丽;李政;;基于无线传感器网络SPIN协议的一种改进方案[J];化工自动化及仪表;2006年02期
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10 刘阳;杨晓春;王斌;于戈;李斌阳;;无线传感器网络中一种基于历史数据分组的感知查询技术[A];第二十四届中国数据库学术会议论文集(研究报告篇)[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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10 冯红红;群智能优化算法及其在无线传感器网络布局中的应用[D];吉林大学;2012年
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