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无线传感器网络高能效可靠数据传输理论及应用研究

李玉凯  
【摘要】:微机电系统、嵌入式系统、计算机网络以及无线通信等技术的进步与融合,推动了无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)的产生与快速发展。无线传感器网络通常由大量具有无线通信和数据处理能力的微型传感器节点以自组织的方式构成,它将逻辑上的信息世界与真实的物理世界有机融合,深刻地改变了人与自然的交互方式,并对现代科学技术产生了极其深远的影响。由于无线传感器网络节点的资源严格受限,并且常被应用在恶劣的环境中,这给无线传感器网络的理论和应用研究带来了很多挑战。 高能效可靠数据传输是无线传感器网络研究中的一个基础和关键问题,它决定了节点感知的数据如何经多跳路由传输到基站,对网络的通信性能和能量使用效率都有着关键的影响。针对无线传感器网络的本质特点,研究高能效可靠数据传输理论和应用技术具有非常重要的意义。 为了保障数据传输可靠性和提高数据传输能效,本文在无状态地理转发原理的基础上,围绕着路由冲突优化、基于簇的可靠传输以及基于轨迹的分离多路径可靠传输等理论与技术展开了深入研究;并结合工业自动化对无线传感器网络的应用需求,设计并实现了一种基于无线传感器网络的在线分析仪表故障诊断系统。本文取得的理论研究成果和创新点如下: 1.针对无状态地理转发协议中的路由冲突问题,提出了一种基于分布式模糊综合评判的路由冲突优化机制FCEOS。该机制将“分布式模糊综合评判”与“优先级竞争”相结合,在对所有下一跳候选节点的转发距离、链路质量、剩余能量等因素进行权衡的基础上,从中筛选出少数性能较优的来参与下一跳转发权的竞争,以此降低候选节点间的冲突概率,提升协议的路由效率。理论分析与实验结果表明:FCEOS通过优化路由冲突,可以在无状态地理转发协议原有性能基础上有效提升数据传输的能效和降低数据传输的时延。 2.针对现有多路径传输协议中冗余转发能耗过高的问题,本文在FCEOS研究成果的基础上,将以“节点”为单位的地理转发拓展成以“簇”为单位的地理转发,并由此提出两种基于动态簇的可靠传输机制CCRD和RCRD。在这两种机制中,数据均是以簇为每跳单位向基站传输;各个簇通过其成员间的协作来保证传输的可靠性,并通过限制簇成员数量来降低冗余传输能耗;簇是动态的,在参与数据转发前建立,完成任务后自动撤销。理论分析和实验结果表明:与已有研究成果相比,这两种机制在保障数据传输可靠性的同时,能有效提高数据传输能效和降低数据传输时延;并且CCRD适合应用在节点高密度部署的网络中,而RCRD则适合应用在较稀疏的网络中。 3.为了在无线传感器网络中实现图像、视频等多媒体流的实时、可靠和高效传输,本文在RCRD研究成果的基础上,提出了一种基于椭圆轨迹的分离多路径可靠传输机制ETRF。ETRF利用地理位置信息,在信源节点和基站间构建能均匀分布的椭圆轨迹分离多路径,进而将大块的多媒体流分成多个较小的分组流,使其分别沿不同的轨迹路径向基站并行传输;ETRF将冗余多路径与冗余编码机制相结合,并在每单条路径上采用了基于动态簇的可靠转发机制。理论分析和实验结果表明:与已有研究成果相比,ETRF能在动态性较强的无线传感器网络环境中有效提升多媒体流传输的实时性、可靠性和高效性。 4.结合工业分析仪表对故障诊断系统的实际需求,本文设计并实现了一种基于Zigbee无线传感器网络的在线分析仪表故障诊断系统。首先根据工业生产组织结构,构建了系统整体框架;基于此框架提出了分层故障诊断机制,通过将诊断任务在不同设备中分布执行来提高系统的诊断效率;接着提出了多网冗余热备份与终端节点网间切换相结合的组网机制,以克服信道干扰对Zigbee网络可靠性的影响;最后给出了节点和网关主要的软硬件模块实现。该系统在实际运行过程中满足了分析仪表对故障诊断功能的要求。


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