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无线传感器网络低能耗路由协议的研究

童牧  
【摘要】:无线传感器网络(WSN)集成了嵌入式计算、传感器、分布式信息处理和无线通信等各种技术,是一种全新的信息获取、处理和传输技术。无线传感器网络在军事侦察、环境科学、医疗健康、智能家居、空间探索等领域有着广阔的应用前景。 在无线传感器网络中,能量是一种十分宝贵的资源。由于传感器通常由电池供电,而电池提供的能量有限,且传感器通常被部署在无人值守的环境下,不能持续充电。为了延长电池的寿命,以达到延长整个网络的生命周期的目的,近年来人们渐渐意识到了借助通信协议或者算法来实现节能的必要性,因此,如何设计低能耗的无线传感器网络成为研究的热点。 本文着重在路由层研究无线传感器网络低能耗问题,通过对经典路由协议LEACH的改进和在路由协议中增加一种数据融合算法实现了降低无线传感器网络能耗的效果。 首先,从众多无线传感器网络路由协议中挑选出最具有代表性的LEACH协议进行研究,指出了其存在的分簇随机性强、簇间通信能耗大,没有具体的数据融合算法等缺陷,为下文的改进工作做了铺垫。 其次,运用粒子群算法对LEACH协议的分簇算法进行优化,同时使簇首保持在恒定的最优的个数上;运用最短路径Dijkstra算法构建簇间的多跳路由,大大降低了簇首与基站间的通信成本;仿真实验比较了原始的LEACH、只优化了分簇的LEACH和优化了分簇和簇间通信的LEACH三种协议,得到了最后一种协议在系统的能耗,网络的负载和生存期上性能最出色的结论,验证了算法改进的有效性。 接着,通过对数据融合算法的研究,针对分簇协议的特点,提出了一种最优加权+模糊逻辑的数据融合算法,并通过一个实例加以阐述,在理论上得出了数据融合算法的性能。 最后,运用传感器节点的硬件平台,结合具体的背景,构建了一个分簇机构的温湿度采集系统,该系统运用了先前提出的数据融合算法,系统运行结果验证了数据融合算法在降低网络能耗所表现出的良好效果。


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