面向大型工程健康监测的无线传感器网络基本理论和关键技术研究

【摘要】： 无线传感器网络具有布线成本低、监测精度高、容错性好、可远程监控、便于诊断与维护等众多优点，在军事、生态环境保护、工程监测和医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，其根本任务是准确获取物理世界的有价值信息。无线传感器网络是一个资源受限系统，面临着计算、存储与网络资源等多方面的限制，因此，针对无线传感器网络的体系结构、节点间数据融合、数据的管理等问题展开研究具有十分重要的意义。 本文系统论述了无线传感器网络的基本结构，重点分析了网络层路由算法的特点，对各种流行的路由算法进行了分类和比较。在分析现有网络层路由协议的基础上，本文提出了一种多跳无线传感器网络的分层式路由协议。该协议的设计遵循节约能耗的原则，实现了多跳无线传感器网络中骨干网生成算法和基于能量代价的簇内最小生成树路由算法。 在对无线传感器网络数据融合的基本理论研究的基础上，本文实现了基于卡尔曼滤波器的多传感器数据融合方法。并对该方法进行了实验仿真，仿真结果说明该方法简单、实用，同时比简单的传感器滤波具有更好的数据精度。 本文实现了基于划分查询区块的无线传感器网络的多查询多流数据管理算法。通过仿真试验，可以看出本文算法对多流多查询的数据处理具有明显的节约能耗的优势。从数据流管理的角度，较好的解决了整个传感器网络内的数据冗余现象，节省了大量的存储资源与网络带宽，实现了节约能耗的目的。 在大型工程健康监测理论研究的基础上，本文提出了基于无线传感器网络的大型工程健康监测的原型系统方案。给出了原型系统的软硬件设计方案。该原型系统具有清晰的设计结构和良好的可扩展性，通过引入无线传感器技术，增强了大型工程监测的能力，拓宽了大型工程监测的范围。