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无线传感器网络能量有效分簇路由协议(PECRP)的研究与应用

刘弢  
【摘要】: 无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)是由大量具有特定功能的传感器节点(比如脉搏、温度、湿度、压力等)通过自组织的无线通信方式组成的网络系统,这些节点可以相互传递信息,协同完成特殊的任务。在这种网络中,节点可以在任何时刻、任何地点,不需要依靠其他的基础设施的帮助和支持,快速构建起一个自组织、管理的通信网络,有很强的实用价值。因此,需要针对不同的应用环境研究路由协议。其次,由于传感器节点都由小型的电池进行供电,传输数据十分频繁,所以能量消耗十分明显。设计一种具有较长网络生命周期、良好通信连接性、低能量损耗的路由协议是无线传感器网络发展所必需的。 本文总结归纳了几种优秀的路由协议,例如SPIN协议、LEACH协议、HEED协议等,分析了它们的优、缺点,重点关注了这些协议的网络寿命、能量损耗、应用相关性等问题。在此基础上,本文提出了一种新型的无线传感器网络路由协议.——Power-efficient Clustering Routing Protocol(PECRP)。 PECRP协议是一种层次路由协议,隶属层次路由协议中的分簇路由协议,以减少计算和通信开销来构造和维护无线传感器网络为主要目的,迎合了当前应用的要求。PECRP协议主要适用于远距离、复杂传输情况的、固定节点的数据传输,总体以节能、平衡网路节点能量、分簇为主要特点。它融合了HEED协议、PEGASIS协议这些优秀分簇协议的优点,改善了LEACH协议的簇首选择机制,从延长网络运行时间的角度,利用剩余能量和距离两个因素,选择合适的节点作为簇头。其中能量和距离的影响作用还可以根据实际应用情况而进行调节。在数据传输上,采用了非均匀分簇的多跳圈效应传输方式,延长了网络的生存时间。并且,从数学的角度证明了在远距离传输情况下,多跳传输可以延长网络生存时间在狭义情况下的合理性。PECRP协议部分的屏蔽传统路由协议的缺点。仿真结论证明,在网络节点分布均匀的情况下,PECRP协议相比LEACH协议可以明显的延长网络生存时间,提高网络的传输效率。 在研究路由协议的基础上,本文还对PECRP协议运行所需要的硬件节点进行了电路设计,主要分为处理器模块设计、无线通信模块设计和传感器模块设计。主要用到的芯片为ATmega128、CC2431、SHT11等。


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