水质监测中无线传感网络节能策略的研究

【摘要】：无线传感器网络的应用前景是十分广阔的,不仅能够广泛应用在军事、智能家居和环境监测领域,同时也广泛应用在天气预报、城市交通和仓库管理等各种领域。随着无线传感器网络的不断深入的研究和大规模普遍地得到应用,其势必深入到人类生活的方方面面,为人类的生活带来极大的便利。 目前大多数的水质监测工作都是采用人工去完成操作,劳动强度相对比较大,很难及时准确地监测到水质的实时状况,很能满足人们对水质监测信息化管理的要求。目前,我国水环境的形势是十分严峻的,为了保证水环境安全、建立起水环境的安全防范和保障的体系,是当前监管部门极其迫切的任务,目前的工作重点就是要建立一个节能的水环境监测系统。通过水质监测网络系统可以实现连续的监测,通过监测的数据信息可以确定及时的水质状况,判定污染区域的具体分布,确定污染的来源,从而为污染源治理和水环境保护措施提供有力的技术保障[2]。 由于无线传感器网的在各个领域应用的巨大优势,在水环境监测网络系统中,采用无线传感网络已成为水环境监测领域必不可少的一部分,然而由于在无线传感网络中,大多数的网络节点的能量不能得到及时补充的,所以降低节点的能量消耗增加网络的生命周期已经是水质监测研究领域的最为重要的问题。本课题采用基于Zig Bee的无线传感器网络组建水环境监测网络,重点对网络的节能策略进行研究。论文的具体工作包括： 在了解国内外水质监测网络研究现状和研究方法的基础上,从课题研究目的和应用意义出发,确定了水环境监测网络的基本策略。针对目前水监测网络的需要,一方面在水质监测网络中采用周期采集的方式减少水质数据的采集,减少数据量从而减少能量的消耗,同时改进原有的MAC机制,在基于Zig Bee的水质监测网络中引入新的S-MAC协议来减少网络休眠时的空闲侦听,从而提高水质监测网络的能量有效性。另一方面通过改进原有的路由算法,减少在数据转发时路由算法的路由跳数来节约节点的能量消耗,从而可以延长网络的生命周期。改进路由算法是本课题的一个研究重点。 最后课题在对周期休眠和改进的路由算法的研究基础上各自进行相关仿真实验,从而对相关的节能策略进行了分析。仿真实验结果表明,S-MAC协议具有更好的能量有效性,远远优越802.11MAC协议和802.15.4的MAC协议,特别是在重负载情况下,S-MAC协议的能量有效性得到更为充分的体现,在轻负载时,S-MAC协议的能量效率也比802.11MAC和802.15.4MAC协议更为有效。在Cluster-tree路由算法中,只能够通过父子关系实现数据分组的转发,因而,其所需要的平均跳数比较多。在AODVjr算法中,其单个节点也是需要路由表的,因而采用AODVjr算法的网络的路由代价相对比较高。在改进的Cluster-tree路由算法中,节点可以自己发起路由,寻找最佳的路由途径,可以明显地降低数据转发中路由的平均跳数,从而有效地节约水质监测网络网络的整体能量消耗。 【关键词】：无线传感器网络 节能策略 周期体眠 Cluster-tree算法
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 目录12-14
• 第1章 绪论14-19
• 1.1 课题研究背景14-15
• 1.2 国内外水质监测中无线传感网络节能的研究现状15-17
• 1.3 课题研究目的及意义17
• 1.4 论文的主要内容及章节安排17-19
• 第2章 基于ZigBee的水质监测无线传感器网络的总体架构19-32
• 2.1 无线传感网络概述19-24
• 2.1.1 无线传感器网络简介19-20
• 2.1.2 无线传感器网络的特点20-22
• 2.1.3 无线传感器网络的应用前22-24
• 2.2 ZigBee技术概述24-29
• 2.2.1 ZigBee技术特点25-26
• 2.2.2 Zigbee网络的各种拓扑结构26
• 2.2.3 ZigBee协议网络层主要功能26-27
• 2.2.4 ZigBee协议网络配置节点类型27-28
• 2.2.5 ZigBee组网技术28-29
• 2.3 基于ZigBee技术的水质监测网络的基本组成29-31
• 2.3.1 水质监测网络的结构29-30
• 2.3.2 节点模块设计30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 水质监测中无线传感网络的周期休眠的节能策略32-43
• 3.1 水质监测网络中周期性采集的设计32-34
• 3.2 休眠机制的研究34-37
• 3.2.1 IEEE 802.15.4协议栈35-36
• 3.2.2 IEEE802.11标准的MAC协议36-37
• 3.3 S-MAC协议37-38
• 3.4 休眠机制的仿真实验及分析38-42
• 3.4.1 NS2软件简介38-40
• 3.4.2 NS2功能模块40-41
• 3.4.3 NS-2网络模拟的步骤41
• 3.4.4 休眠机制仿真结果及分析41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 水质监测中无线传感网络的路由算法的改进43-52
• 4.1 路由算法分析43-47
• 4.1.1 Cluster-tree算法43-45
• 4.1.2 AODVjr算法45-47
• 4.2 路由算法改进47-48
• 4.3 算法仿真实验及分析48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 结论与展望52-54
• 5.1 结论52
• 5.2 展望52-54
• 参考文献54-56
• 攻读学位期间发表的学术论文目录56-57
• 致谢57

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