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基于WSN和北斗短报文的野外环境信息监测系统研究

于雷  
【摘要】:近年来,随着人们对生态环境保护的重视程度不断提高,野外环境监测的重要性也愈显突出。野外环境监测的特点是监测点多且分散,目前监测工作大多利用各种传感器实现有线监测。然而,一些地区的基础设施建设不完善,有线或无线通信网络尚未覆盖,如高原、岛礁、荒漠等偏僻地区。如何可靠、有效地传输区域内的监测数据成为急需解决的难题。针对以上问题,本文基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术和北斗短报文通信技术,设计和实现了野外环境信息监测系统。同时,用于野外环境监测的WSN节点由于设备资源和部署环境等因素的限制,常常面临能量消耗过快和能量消耗不均等问题,导致其在野外环境过早死亡。为了解决这些问题,本文深入分析基于能耗优化的WSN路由协议,并在典型的分簇路由协议LEACH的基础上提出了LEACH-RED路由协议。本论文的主要内容和创新点如下:1.基于物联网(Internet of Things,Io T)技术和北斗短报文技术建立了野外环境信息监测系统。该系统分为WSN本地数据采集子系统和远程数据传输子系统两部分,二者通过网关实现数据的透明传输。WSN本地数据采集子系统将大量基于CC2530芯片的感知节点布置在监测区域内,通过Zig Bee无线通信协议形成自组织网络,完成区域内环境参数数据的本地采集和上传任务,满足野外监测的场景需求。远程传输子系统负责将本地数据传至终端用户,使用北斗短报文发射机将WSN数据发送至北斗短报文接收机,满足无人区数据跨地理位置传输的需求。另外通过冗余设计,网关还可以进行基于MQTT协议的网络传输,将本地数据传输至云服务器,以供在有宽带网络覆盖的监测区域使用,适应复杂多样的应用场景,也便于监测人员实时远程访问监测数据。2.针对野外环境信息监测的特点,在基于能量损耗优化的LEACH算法基础上提出了一种LEACH-RED路由算法,并在不同的场景中仿真验证其性能。在深入分析LEACH算法基本原理后,针对其缺陷与不足提出LEACH-RED算法。在初始化阶段考虑网络节点当前相对剩余能量和节点分布密度,结合野外环境中的网络节点部署策略,将网络模型从同构改进为异构,从平面空间上升至立体空间。通过MATLAB平台验证得到结果,从仿真对比中可知,在节点均匀分布和非均匀分布的场景中,改进算法的网络剩余能量和较原算法分别提升15%和11%,网络节点存活状况分别提升250%和450%。因此LEACH-RED算法能够有效均衡网络能量,延长网络生存周期。3.完成野外环境监测系统的室内调试和外场测试,对WSN节点和网关节点的基本功能进行了有效验证。根据PC端、Web端、移动应用等多端方式接收环境温湿度参数,为监控中心提供实时数据。同时在实地环境中对系统的丢包率进行测试,结果表明该系统可以在野外环境下实现信息的可靠传输。


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