面向?qū)崟r監(jiān)測的混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。微機電技術(shù)的快速發(fā)展使得WSN步入了實用階段，由于其不需要固定的網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和其他商業(yè)領(lǐng)域，以及空間探索和災(zāi)難搶險等

2、危險/有害或人難以進入的環(huán)境。 根據(jù)實時監(jiān)測的應(yīng)用需求，本文將主動式和反應(yīng)式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點相結(jié)合，構(gòu)建了面向?qū)崟r監(jiān)測的混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)HRM-WSN(Hybird Real-time Monitoring oriented Wireless Sensor Network)。這類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過周期性數(shù)據(jù)采集和異常事件的及時探測實現(xiàn)觀測區(qū)域內(nèi)對象的實時監(jiān)測。本文首先分析了面向?qū)崟r監(jiān)測的混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

3、、特點和研究意義，以及在實時監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢，提出面向?qū)崟r監(jiān)測的混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的設(shè)計原則和研究內(nèi)容等，為全面研究此類應(yīng)用系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。 針對面向?qū)崟r監(jiān)測的混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對媒體訪問控制協(xié)議能耗有效性和延時性能的需求，考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳特性，本文提出了一種自適應(yīng)非同步的無線傳感器網(wǎng)媒體訪問控制協(xié)議-A2FMAC(Adaptive and Asynchronous Medium Access

4、 Protocolwith FRTS)。A2FMAC協(xié)議中的節(jié)點可以根據(jù)流量自適應(yīng)地調(diào)整工作-休眠狀態(tài)，并采用Quorum矩陣表格的非同步設(shè)計和FRTS機制降低了休眠導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時，可同時兼顧能量和延時兩項性能指標(biāo)。 針對系統(tǒng)對路由協(xié)議的節(jié)能要求，本文考慮到應(yīng)用中傳感器節(jié)點通過環(huán)境振動采集能量的可行性和必要性，提出了一種具有振動能量補給的分簇路由算法PHC(Power-Harvesting Clustering)。該算法通過

5、改進簇頭選擇機制和非簇頭歸屬機制，使得整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載盡可能地平均分配到每個傳感器節(jié)點，改善了網(wǎng)絡(luò)整體能量消耗的均衡性。考慮周期性數(shù)據(jù)的低功耗傳輸和異常事件及時報告的需求，本文在分簇路由算法的基礎(chǔ)上提出了一種既可用于簇內(nèi)層也可用于簇間層的網(wǎng)絡(luò)多跳路由機制-考慮延時的多路徑路由算法HRM-MP(Hybrid Real-time Monitoring oriented Multipath)。該算法中節(jié)點由振動采能單元提供補給能量，并根據(jù)自

6、身的能量水平和數(shù)據(jù)優(yōu)先級自適應(yīng)地選擇路由：對于高優(yōu)先級信息數(shù)據(jù)降低了傳輸延遲，滿足對網(wǎng)絡(luò)通信的實時性要求；對于低優(yōu)先級信息數(shù)據(jù)均衡了網(wǎng)絡(luò)整體能量消耗，將通信能量消耗分散到多條路徑上，從而延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。 針對面向?qū)崟r監(jiān)測中異常事件及時探測的需求，考慮到傳感器硬件資源以及能量供給的限制，本文提出了一種適應(yīng)于微控制器的低功耗信號處理方法-負(fù)系數(shù)加權(quán)偽中值濾波NWPMF(Negative Weighted Pseudo-Media