基于單片機的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計.doc

年月第期（總第期）廣西輕工業(yè)瓜 機械與電氣基于單片機的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計張鈺玲（廣西大學(xué)電氣學(xué)院，廣西南寧；廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧）【摘要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器領(lǐng)域內(nèi)一個新興的研究方向它采用無線通信技術(shù)，由微小的傳感器組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具備感應(yīng)能力、信息處理能力和無線通信能力，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)應(yīng)用。本文給出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件和軟件的設(shè)計。【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點；單片機【中圖分類號】【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】【文章編號】（）引言也是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的前提。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來信息科學(xué)研究的一個熱點：從火星探測到野生候鳥的監(jiān)測，從智能房屋到車輛監(jiān)測和跟蹤，從軍事“智能塵?！钡捷o助足球裁判，從膠囊腸鏡到住院病人病情監(jiān)控，從森林防火到預(yù)測山洪暴發(fā)，從人體內(nèi)藥物劑量控制到精細(xì)農(nóng)業(yè)涵蓋了軍事、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、城市安全等方面，引起了各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視。而目前國內(nèi)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議，節(jié)點模型，而對傳感器的討論較少。傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，沒有傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是“瞎子”，“聾子”。目前，傳感器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一。自世紀(jì)年代以來，隨著嵌入式系統(tǒng)、無線通信、分布式信息處理技術(shù)及（微電子機械系統(tǒng)）等技術(shù)的快速發(fā)展，具有感知、計算和無線網(wǎng)絡(luò)通信能力的傳感器以及由其構(gòu)（）低功耗：由于節(jié)點要滿足長時間獨立工作的需要，因此其必須要低功耗。（）靈活性：不同的應(yīng)用場合對節(jié)點的能耗、采樣率、響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)處理能力要求都不相同。（）穩(wěn)定性：傳感器數(shù)量多，分布范圍廣，維護(hù)十分困難，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高穩(wěn)定性和容錯性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計主要包括：硬件的設(shè)計、軟件的設(shè)計和電源的設(shè)計。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成對周圍環(huán)境中對象的感知并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，將測量值無線傳送給監(jiān)控中心。在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同，但都由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（傳成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（，）是智感器、轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)（控制器、存儲器）、無線通能化傳感器的一種新發(fā)展方向。美國年月出版的商業(yè)周刊在其“未來技術(shù)專版”中發(fā)表文章指出。傳感器網(wǎng)絡(luò)是全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。美國技術(shù)評論認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來會產(chǎn)生巨大影響，其中就包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點的總體設(shè)計思想無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要特點有：節(jié)點數(shù)量大、密度高、易損耗，并且在電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制，而且的應(yīng)用環(huán)境是多樣化的，存在所接前端探測器不相同、布設(shè)環(huán)境不一樣的可能。要在多變的傳輸需求和環(huán)境下實現(xiàn)良好的通信，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)核心的傳感器節(jié)點，在進(jìn)行設(shè)計時必須滿足以下幾個主要指標(biāo)：（）網(wǎng)絡(luò)性：節(jié)點必須能夠自組織地形成采集、處理和收發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這就要求節(jié)點必須要有足夠的存儲空間和數(shù)據(jù)采集、處理速度等。（）小型化：較小的節(jié)點不僅可以更方便地安裝。而且可以部署在更多的地點，從而可以應(yīng)用于更多的場合。（）低成本：低成本是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本要求，信子系統(tǒng)（無線收發(fā)器）和電源子系統(tǒng)（電池、能量轉(zhuǎn)換器）四部分組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成如圖所示。圖無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)傳感器模塊是硬件平臺中真正與外部信號量接觸的模塊，一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分，探頭采集外部的溫度、光度和磁場等需要傳感的信息，將其送入變送系統(tǒng)，后者完成將上述物理量傳化為系統(tǒng)可以識別的原始電信號，并且通過積分電路、放大電路的整形處理，最后經(jīng)過轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送處理器模塊。我們可以根據(jù)需要選擇合適的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、振動、聲音、光線、壓力等物理信號進(jìn)行測試。由于整個節(jié)點由電池供電，要求數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器?！咀髡吆喗椤繌堚暳幔ㄒ唬?，女，廣西南寧人，廣西大學(xué)在讀碩士。講師。研究智能控制和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，從事電子技術(shù)和自動控制技術(shù)喪學(xué)工作。萬方數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理器子系統(tǒng)是無線傳感器節(jié)點的核心，負(fù)責(zé)整個節(jié)點的設(shè)備控制、任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)榷鄠€關(guān)鍵任務(wù)，考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際特點，作為硬件平臺的中心模塊，除了應(yīng)具備一般單片機的基本性能外還應(yīng)該有適當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)需要的特點：（）盡可能高的集成度；（）盡可能低的能源消耗；（）盡量快的運行速度；（）盡可能多的和擴(kuò)展接；（）盡可能低的成本。在本設(shè)計中數(shù)據(jù)處理單元選用公司的微控制器，它是采用低功耗工藝生產(chǎn)的基于結(jié)構(gòu)的位微控制器，是目前系列中功能最強大的單片機。內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，核將個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作，具有良好的性價比。具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內(nèi)的程序，的數(shù)據(jù)，可外擴(kuò)到的。：夕，它還有個位通道，個位和個位硬件定時，計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作，每種模式具有不同的功耗；個通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器；、總線接口；接口。此外，的外形尺寸很小，可以減小節(jié)點的尺寸。處理器與傳感器的連接如圖所示（以溫度和光線為例）：因為光傳感器與熱傳感器的工作原理相似，因此他們都可以采用同樣的電路圖。圖中的是光敏電阻或者熱敏電阻，是電阻，用作保護(hù)電路，加入電容是為了使轉(zhuǎn)換器采樣所得到的數(shù)據(jù)更精確。電路的工作原理是：用 的一個引腳給電路提供電源，從圖中的電源輸入端輸入電路，的阻值根據(jù)光（為光敏電阻時）或者溫度（為熱敏電阻時）的變化發(fā)生片低能耗的通信芯片將可以為節(jié)點節(jié)省能量，延長壽命。是 公司推出的符合技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其層和層協(xié)議符合規(guī)范的、工作在免授權(quán)的頻段射頻收發(fā)器，是第一款適用于產(chǎn)品的器件。它基于公司的技術(shù)，以 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。利用此芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小，適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點。是常用的低功耗、短距離的無線通信芯片。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示：圖 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與的連接如圖所示。與處理器的連接非常簡便，使用、和四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)；處理器通過接口（、）與交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令。，耵， 口日，置變化從而引起其壓降的變化。將的負(fù)端與處理器的一個：轉(zhuǎn)換器端口連接，處理器就可以得到一個電信號，然后處理器啟動轉(zhuǎn)換功能，將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字存入寄存器，當(dāng)需要處理或者發(fā)送該數(shù)據(jù)時便可以讀取。圖處理器與傳感器的連接無線通信子系統(tǒng)無線通信子系統(tǒng)用于傳感器節(jié)點問數(shù)據(jù)通信，解決無線通信中載波頻段選擇、信號調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率，編碼方式等，并通過天線進(jìn)行節(jié)點間、節(jié)點與基站之間數(shù)據(jù)的收發(fā)。由于在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)點間的通信。隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節(jié)點的能耗主要是消耗在通信上，所以選擇一萬方數(shù)據(jù)圖處理器與無線收發(fā)芯片的接口圖電源子系統(tǒng)電能是傳感器網(wǎng)絡(luò)最珍貴的資源，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。電源子系統(tǒng)作為整個無線傳感器節(jié)點的基礎(chǔ)模塊，是節(jié)點正常順利工作的保證。在本設(shè)計中采用多路器芯片在總線的控制下選通所用到的傳感器，沒有用到的傳感器不帶電，以達(dá)到在無數(shù)據(jù)采集任務(wù)時及時關(guān)閉電源而節(jié)省電能的目的。軟件設(shè)計系統(tǒng)的功耗主要有兩方面的原因，一方面是硬件，要選擇功耗低的器件，一方面是軟件，包括節(jié)點上的工作模式和通信協(xié)議的實現(xiàn)。節(jié)點在休眠、喚醒、工作等不同的工作模式下的功耗差別非常大，怎樣把這些不同的工作模式有機的組合起來，使其既能有效地完成需要實現(xiàn)的功能，又能最大限度地少消耗本來就不多的能源，是軟件設(shè)計重點要考慮的問題。節(jié)點流程圖如圖所示。（下轉(zhuǎn)第頁）表各工序切削用量參數(shù)列表擬軟件，在軟件里按照真實機床運動結(jié)構(gòu)關(guān)系及數(shù)加工內(nèi)客具轉(zhuǎn)運（）避紿迫庶柵咖，囂琦躉度腕！皇控系統(tǒng)機理建立虛擬機床和配制數(shù)控系統(tǒng)，可以動態(tài)實時逼真由）光蕾加工（不罾衾由口量格彳夏加匝（擊玨咖蚴：陌嗡鰳 。商耐幽神醣釉地仿真機床切削工件的全過程，這樣更為精確地模擬驗證零件加工結(jié)果及切削過程狀態(tài)。最后。對加工結(jié)果進(jìn)行測量分析和進(jìn)一步優(yōu)化加工程序，及時發(fā)現(xiàn)錯誤并糾正，以避免錯誤在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)，造成重大損失。量蕊案量？曳阿。善盅結(jié)論此結(jié)構(gòu)件屬于典型超薄壁難加工零件。在實際生產(chǎn)中應(yīng)用仿真模擬和優(yōu)化程序盡管編程軟件自帶有仿真模擬功能，它只是對刀具軌跡路徑模擬，而不是數(shù)控程序代碼模擬。尤其對于五軸高速加工，仿真模擬非常必要，因為五軸切削加工，后置處理程序配置是關(guān)鍵，譬如同一個刀軸矢量角度位置相同（、三個軸的分矢量相同），若根據(jù)不同的角度算法原理會得到不同的后置處理擺角結(jié)果，也就是說最終的刀軸矢量擺角方位相同。但是，中間過渡的旋轉(zhuǎn)方向不同，所以，可能會有個別刀具軌跡位置擺角計算結(jié)果與工件結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。特另在拐角處經(jīng)常發(fā)生，由于刀軸矢量角度方位急劇變化，而這些不合理的結(jié)果需要更改。基于以上原因，后置處理的加工程序可能會有一些意想不到的問題出現(xiàn)。高速加工切削速度高和進(jìn)給快，為確保安全和切削狀態(tài)更為穩(wěn)定合理，通常先進(jìn)行試切。以前的試切方法，如走空刀，切削泡沫和木材等，這些方法費時費力，最危險的是，有些潛在問題和干涉現(xiàn)象不能發(fā)現(xiàn)。在這里采用專業(yè)的數(shù)控仿真模五軸高速切削方案，從制定合理的數(shù)控工藝，到規(guī)劃具有高速加工特點的數(shù)控程序加工策略等方面，已收到良好效果：（）零件生產(chǎn)周期縮短為常規(guī)加工方案的一，尺寸精度和表面質(zhì)量完全符合零件技術(shù)要求，減少鉗工打磨拋光和修整工作量，大大提高了生產(chǎn)效率。（）經(jīng)數(shù)控測量機，檢驗零件的外形和各關(guān)鍵點位置，完全符合客戶提供的幾何尺寸、形位精度檢驗數(shù)據(jù)要求，并且每個月的批量生產(chǎn)過程中零件質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定。五軸高速切削技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)，現(xiàn)逐漸應(yīng)用于模具制造業(yè)。目前在我國尚處于初級階段，有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)【】艾興高速切削加工技術(shù)【】北京：國防工業(yè)出版社，雪。蔣敏高速切削加工技術(shù)在航空薄壁件中的應(yīng)用工具技術(shù)，（ ）： （上接第頁）作方器件要緊密地分布在的四周，并使用較小封裝。對于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，天線的選擇和設(shè)置會直接影響整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。本節(jié)點射頻芯片可以使設(shè)一加一用金屬倒型引線天線和單極天線兩種設(shè)計方案。引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它來感應(yīng)空中電波，關(guān)研接收模式進(jìn)低功懲模式一關(guān)避 一娜一（智工黼一式攮一，式接收信息其形狀、尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊設(shè)計。圖無線傳感網(wǎng)絡(luò)流程圖節(jié)點設(shè)計的要點及應(yīng)注意的事項射頻部分是本設(shè)計的重點與難點，也是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。在模塊設(shè)計過程中遇到的主要問題及解決方法有：的載波頻率是，每增加個頻道，而晶振的精度將影響載波的頻率，從而影響通信的建立和穩(wěn)定性。要求時鐘源的精度在以內(nèi)。射頻電路工作在一高頻率工作頻段，抗干擾設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能和整個傳感器節(jié)點的運轉(zhuǎn)情況。在射頻部分布線時特別要注意以下幾點：一是射頻電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供屏蔽達(dá)到有效抗干擾的目的；二是芯片底部應(yīng)接地；為了降低延遲、減少串?dāng)_，要使用多個接地過孔將芯片底部和地層相連；三是盡可能地減少串?dāng)_，減少分布參數(shù)的影響，萬方數(shù)據(jù)結(jié)束語近幾年，無線傳感網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們的重視，尤其是隨著集成電路和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點越來越少，適用范圍越來越廣。預(yù)料在不久的將來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會很快走向每個家庭和每個人，將極大提高人們的生活質(zhì)量。參考文獻(xiàn)【】劉君華智能傳感器系統(tǒng)【】西安：西安電子科技大學(xué)出版社【】周立功與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程【御北京：北京航空航天大學(xué)出版社【】單成祥等傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用【】北京：國防工業(yè)出版社【俞志根等傳感器與檢測技術(shù)【】匕京：科學(xué)出版社，【孫利民無線傳感囂網(wǎng)絡(luò)【】北京：清華大學(xué)出版社，光靜加工：管看量倍子面精舡（榴：（糾境刀罌、偉基于單片機的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次數(shù)：張鈺玲廣西大學(xué)電氣學(xué)院,廣西,南寧,530004;廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西,南寧,530226廣西輕工業(yè)GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY2008，24(12)0次參考文獻(xiàn)(5條)1.劉君華 智能傳感器系統(tǒng) 20052.周立功 ARM與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程 20053.單成祥 傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用 20064.俞志根 傳感器與檢測技術(shù) 20075.孫利民 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 2005相似文獻(xiàn)(10條)1.學(xué)位論文 蔣杰 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制研究 2005無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本、低功耗、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)覆蓋和能量消耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個核心問題。網(wǎng)絡(luò)覆蓋決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對物理世界的監(jiān)測能力，能量消耗則決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間。網(wǎng)絡(luò)覆蓋與能量消耗密切相關(guān)，節(jié)點部署則是影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要因素。本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效覆蓋控制問題和傳感器節(jié)點的自部署問題進(jìn)行了深入研究。 本文首先提出了一種能夠保持網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的分布式節(jié)點調(diào)度機制CPNSS。CPNSS機制通過減少任意時刻網(wǎng)絡(luò)中的活躍節(jié)點數(shù)來降低網(wǎng)絡(luò)覆蓋冗余，可以有效地減少冗余數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致的能量消耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間。結(jié)合基于(，)-邊界覆蓋的冗余節(jié)點判別方法和基于節(jié)點優(yōu)先級的循環(huán)依賴解析方法，CPNSS機制能夠在關(guān)閉部分冗余節(jié)點后保持網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。仿真實驗表明，CPNSS機制不但性能優(yōu)于PEAS協(xié)議，而且能比SITE算法更有效地延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的FDL生存時間和-CL生存時間。 本文接著討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效自組織問題。狀態(tài)查詢是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一類非常重要而又頻繁的操作。使用盡可能少的活躍節(jié)點來響應(yīng)用戶的查詢請求，可以有效地延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間。本文將計算能夠完全覆蓋目標(biāo)區(qū)域并保證網(wǎng)絡(luò)連通性的最小節(jié)點集的問題歸結(jié)為MCCS問題，并提出了一種求解MCCS問題的集中式近似算法。該近似算法分兩個階段構(gòu)造近似最小連通覆蓋集。首先使用CVT算法構(gòu)造目標(biāo)區(qū)域的近似最小覆蓋集。當(dāng)節(jié)點通信半徑大于等于2倍感知半徑時，CVT算法構(gòu)造的覆蓋集是連通的。針對通信半徑小于2倍感知半徑的情況，本文提出了一種基于最小生成樹(MST)的連通算法，以確保覆蓋集的連通性。理論分析和仿真實驗表明，CVT(+MST)算法在時間復(fù)雜性以及連通覆蓋集的大小等方面均優(yōu)于已有的Greedy算法。 考慮到微型傳感器節(jié)點固有的易失效以及能量有限等特性，本文進(jìn)一步討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有容錯特性的能量高效自組織問題。如何使用盡可能少的活躍節(jié)點來保證目標(biāo)區(qū)域的-覆蓋以及通信網(wǎng)絡(luò)的-連通是一個NP難問題。本文將上述問題歸結(jié)為MKCCS問題，并提出了一種基于自剪枝思想的算法框架。在該算法框架中，可以根據(jù)應(yīng)用需要分別指定連通度要求和覆蓋度要求。任意能夠檢測-連通冗余或-覆蓋冗余節(jié)點的分布式算法均可應(yīng)用在該自剪枝框架中。同時，本文提出了一種基于-階Voronoi劃分的-覆蓋冗余節(jié)點檢測算法。并在此基礎(chǔ)上，提出了求解MKCCS問題的分布式近似算法DSPA。仿真實驗表明，DSPA算法能夠可靠地構(gòu)造-連通-覆蓋集。由于MCCS問題是MKCCS問題在=1時的特例，DSPA算法同時為MCCS問題提供了一種分布式近似求解算法。 當(dāng)前大部分能量高效覆蓋控制措施都依賴于傳感器節(jié)點的精確位置信息，但在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)節(jié)點的精確定位在目前還是非常困難的事情。為此，本文針對節(jié)點分布服從Poisson點過程的隨機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種無需位置信息的分布式節(jié)點調(diào)度算法DLNS，分析了DLNS算法中網(wǎng)絡(luò)覆蓋強度、預(yù)期網(wǎng)絡(luò)生存時間與節(jié)點部署密度之間的內(nèi)在聯(lián)系，討論了均勻分布和正態(tài)分布的節(jié)點時鐘異步對網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的影響。理論分析和仿真實驗表明，DLNS算法對節(jié)點時鐘異步具有較好的魯棒性。DLNS算法計算簡單，可擴(kuò)展性強，不依賴任何位置信息，并且不要求嚴(yán)格的節(jié)點時鐘同步，適合在隨機部署的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。 最后，本文研究了如何通過節(jié)點移動改善隨機部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。提出了一種能夠擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的節(jié)點移動控制算法，并分別針對層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和平坦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了該算法的不同實現(xiàn)，即基于分簇的CBAH算法和完全分布式DLBAH算法。仿真實驗表明，CBAH算法和DLBAH算法不但能夠有效改善隨機部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，而且與VOR算法相比，能用更小的節(jié)點平均移動距離獲得更大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。2.學(xué)位論文 王帥 分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點問題研究 2006集成了傳感器、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)和無線通信四大技術(shù)而形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，它是一種新型的無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，傳送到需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機科學(xué)技術(shù)的一個新的研究領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之首，具有巨大的應(yīng)用價值。以“數(shù)據(jù)為中心”的傳感器網(wǎng)絡(luò)只具有有限的計算能力、有限的存儲能力、有限的無線通信能力和有限的電源供應(yīng)能力。如何在這樣有限的資源環(huán)境下獲取盡可能多的、有效的感知對象的特征信息，并傳輸?shù)接脩艄?jié)點進(jìn)行處，是目前研究的重點問題，這些問題都可以歸結(jié)為傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由問題和能量管理問題。 本文的研究重點在于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點問題。通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點的特點、分簇路由協(xié)議機制以及瓶頸節(jié)點對分簇路由協(xié)議的影響，求得分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點的解決辦法。最后，給出了瓶頸節(jié)點的標(biāo)記算法和一個以該算法為基礎(chǔ)的分簇路由協(xié)議。 傳感器節(jié)點一般由電池供電，且不易更換，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最關(guān)注的問題是如何高效利用有限的能量。本文首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理作了全面介紹，系統(tǒng)地分析了傳感器節(jié)點各個部分的能量消耗情況和節(jié)能策略。在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理策略的基礎(chǔ)上，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點問題，分析了瓶頸節(jié)點的特點，并給出了一個瓶頸節(jié)點標(biāo)記算法，該算法可用于標(biāo)記無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)至關(guān)重要。分簇路由具有拓?fù)涔芾矸奖?、能量利用高效、?shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點，成為當(dāng)前重點研究的路由技術(shù)。所以本文隨之分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由機制，著重從簇首的產(chǎn)生、簇的形成和簇的路由角度系統(tǒng)地對當(dāng)前典型的分簇路由算法進(jìn)行比較和分析，并結(jié)合瓶頸節(jié)點特點和分簇路由機制，總結(jié)了瓶頸節(jié)點對分簇路由的影響。 最后，本文給出了一個分簇路由協(xié)議的設(shè)計。該協(xié)議包括動態(tài)簇組織算法和簇間路由算法，其能夠較好的避免瓶頸節(jié)點能量過快消耗問題，有效的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期限。3.學(xué)位論文 張瑞華 基于能量效率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究 2007無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本、低功耗、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器節(jié)點作為微小器件，只能配備有限的電源，在有些應(yīng)用場合下，更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節(jié)點的壽命在很大程度上依賴于電池的壽命，所以降低功耗以延長系統(tǒng)的壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計首要考慮的問題。網(wǎng)絡(luò)分層機制、網(wǎng)絡(luò)覆蓋與能量消耗密切相關(guān)，分簇算法在網(wǎng)絡(luò)分層機制中起決定性作用；節(jié)點配置方式、冗余節(jié)點查找則是影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要因素。本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇算法、傳感器節(jié)點配置和冗余節(jié)點查找等問題從能耗效率方面進(jìn)行深入研究。主要研究內(nèi)容和成果如下： 1、提出了一個能量高效的最大選票和負(fù)載平衡的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法(anmaximum-Votes and Load-balanee Clustering Algorithm，VLCA)，并把該算法應(yīng)用在實際場景中對能耗進(jìn)行驗證。在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終都要傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點，可以直接單跳傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，也可以通過多跳傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。研究表明，將傳感器節(jié)點組織成簇的形式可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。許多能量有效的路由協(xié)議都是在簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的。在分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點可以收集成員節(jié)點的數(shù)據(jù)并執(zhí)行數(shù)據(jù)融合，將傳感器感測的大量數(shù)據(jù)組合成少量有效的信息集合經(jīng)多跳路由發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。簇頭利用TDMA方式管理簇成員，簇成員的功能比較簡單，不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息，大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制消息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。由于簇頭節(jié)點可以隨時選舉產(chǎn)生，分級結(jié)構(gòu)也具有很強的抗毀性。在分析已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種最大選票和負(fù)載平衡的高能效的傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法(VLCA)。傳感器節(jié)點的重要性應(yīng)該由其所有鄰居(包括自己)反映出來，而不僅僅是由其局部屬性決定。傳感器節(jié)點收集它們鄰居的選票并且計算收到的所有選票。傳感器節(jié)點積累的選票越多，它在整個網(wǎng)絡(luò)中就越重要。每個節(jié)點分發(fā)給鄰居的選票取決于該節(jié)點以及所有鄰居節(jié)點的剩余能量。本文給出了VLCA算法的偽代碼，對其性能進(jìn)行了理論分析，并和其它經(jīng)典的分簇算法對比驗證。該算法是完全分布的，不依賴網(wǎng)絡(luò)特定區(qū)域、大小和其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果顯示它能減少簇的數(shù)量20到50。進(jìn)一步把該算法應(yīng)用在實際場景中，和其它能量效率的分簇算法相比，結(jié)果顯示能延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 2、提出了兩種有效可行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置機制，并進(jìn)一步把兩種線性網(wǎng)絡(luò)模型推廣至大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于非均勻分簇的路由機制，并從能耗角度加以驗證。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的配置和定位、跟蹤一樣，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題，因為它反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本和監(jiān)視能力。節(jié)點配置策略很大程度上可增強網(wǎng)絡(luò)檢測質(zhì)量，減少能耗最終延長節(jié)點的壽命。本文通過對傳感器節(jié)點無線通信能耗模型的擴(kuò)展，在兩種線性網(wǎng)絡(luò)模型下，分析并仿真實現(xiàn)了多數(shù)據(jù)源負(fù)載時，傳輸信息的能耗、能量效率；通過對比分析，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置時，提出了兩種有效可行的配置機制。當(dāng)節(jié)點等間距放置時，存在一個最優(yōu)的單跳距離d,它僅僅依賴于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度，收發(fā)器的電路特性以及信道損耗，與源節(jié)點到sink節(jié)點的總距離r無關(guān)，與節(jié)點的個數(shù)無關(guān)；按此方式布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)能耗最低。 為了進(jìn)一步平衡各節(jié)點的負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，提出了另一種機制，節(jié)點按優(yōu)化間距布置，優(yōu)化間距由理論分析以公式形式給出并進(jìn)行了仿真驗證。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置時，這兩種機制對提高能量效率，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命提供了很大的幫助。 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，利用傳感器節(jié)點的兩種配置機制，進(jìn)一步把兩種線性網(wǎng)絡(luò)模型推廣至大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了一種基于非均勻分簇的路由機制，并從能耗角度加以驗證?；诜执氐膶哟温酚煞椒ㄔ谔岣呔W(wǎng)絡(luò)的生命周期方面特別有效。由于簇頭距離網(wǎng)關(guān)節(jié)點的距離一般較遠(yuǎn)，研究表明在簇頭與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間通信時采取多跳的方式更有利于節(jié)約能量，然而這種做法帶來了一個能量消耗不均衡的問題：在所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)都發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的“多對一”數(shù)據(jù)傳輸模式中，靠近網(wǎng)關(guān)的簇頭節(jié)點由于需要轉(zhuǎn)發(fā)大量來自其它簇頭的數(shù)據(jù)而負(fù)擔(dān)過重，過早耗盡自身能量而失效，造成網(wǎng)絡(luò)分割，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的存活時間。本文在分析網(wǎng)絡(luò)分簇、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置等問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了一種非均勻分簇的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。 對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)利用第一個創(chuàng)新點提出的基于最大選票的分簇算法進(jìn)行非均勻分簇，簇頭節(jié)點利用時分復(fù)用機制(TDMA)對成員節(jié)點管理；簇頭節(jié)點收集并融合成員節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)多跳路由傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置時兩種有效可行的節(jié)點配置機制，給定簇頭節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點距離，存在一個最優(yōu)跳數(shù)k=r/d，當(dāng)所有k-1個中繼節(jié)點正好位于簇頭到網(wǎng)關(guān)間的k等分點位置時，端到端傳輸?shù)目偣淖钚?。然而，在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，受節(jié)點密度的限制，在每個k等分點的位置恰好找到中繼節(jié)點往往是不現(xiàn)實的，但選擇最接近最優(yōu)中繼位置的簇頭節(jié)點作為中繼節(jié)點，從而最大限度地降低端到端傳輸?shù)哪芎?，這正是我們設(shè)計的簇頭間多跳路由的基本思想。為了驗證該路由協(xié)議，利用最大選票分簇算法，對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行均勻分簇和非均勻分簇，利用該路由協(xié)議傳輸簇頭節(jié)點融合的數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，對其能耗、網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行對比驗證。模擬結(jié)果顯示該非均勻分簇的路由機制可以平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，使各節(jié)點的能量均勻消耗，進(jìn)一步延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命。 3、提出了一種基于邊界覆蓋的冗余傳感器節(jié)點查找算法EDRNS(Efficient Distributed：Redundant Node Search)，用于網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)覆蓋控制；結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點及其應(yīng)用，提出了一種適用于移動目標(biāo)跟蹤的動態(tài)覆蓋控制算法一-IDDCC(Information Driven Dynamic CoverageControl)，并把EDRNS算法應(yīng)用于ID-DCC算法中。每個傳感器節(jié)點存在一定的傳感范圍，當(dāng)大量的傳感器節(jié)點隨機部署在網(wǎng)絡(luò)的感知區(qū)域時，這些傳感器節(jié)點的傳感范圍可能存在交疊(overlap)，從而導(dǎo)致覆蓋冗余傳感器節(jié)點的出現(xiàn)，如何尋找這些冗余節(jié)點并控制它們定期進(jìn)入休眠狀態(tài)是覆蓋控制需要解決的問題。因為進(jìn)入休眠狀態(tài)的傳感器節(jié)點基本上不消耗能量，可以大大降低整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。為此，本文提出了一種高能效分布式基于邊界覆蓋的冗余傳感器節(jié)點查找算法EDRNS(Efficient Distributed Redundant Node Search)，來實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)覆蓋控制。 該算法實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的覆蓋范圍問題由二維空間向一維空間有效地轉(zhuǎn)化，從而降低了解決問題的復(fù)雜度；該算法不僅能夠保證被監(jiān)測區(qū)域的完全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而且能夠快速地找到網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點：各個傳感器節(jié)點獨立執(zhí)行冗余節(jié)點查找算法，若目標(biāo)區(qū)域中傳感器節(jié)點的冗余度較低時，算法可以提前結(jié)束，從而減少額外計算量，節(jié)省整體系統(tǒng)能耗。 目前大多數(shù)的覆蓋控制機制是靜態(tài)的，即在整個網(wǎng)絡(luò)傳感區(qū)域內(nèi)實施靜態(tài)控制管理，此時的覆蓋區(qū)域是固定不變的。但在眾多的應(yīng)用場景中，如移動目標(biāo)跟蹤，大量距離目標(biāo)較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點因為檢測不到目標(biāo)而沒有必要參與拓?fù)涔芾?，如果采用靜態(tài)的覆蓋控制機制則會造成較大的能量浪費。此時如果實施動態(tài)覆蓋控制，只在移動目標(biāo)的周圍實施合適的覆蓋控制，并且讓覆蓋控制的區(qū)域隨著目標(biāo)的移動而動態(tài)變化，這樣將能夠有效地避免靜態(tài)拓?fù)涔芾碓斐傻哪芰坷速M。本文實現(xiàn)了用于移動目標(biāo)跟蹤的動態(tài)覆蓋控制算法ID-DCC(InformationDrivenDynamic Coverage Control)。該算法通過在跟蹤移動目標(biāo)的附近動態(tài)地構(gòu)造一個有效的拓?fù)涔芾韰^(qū)域，由區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)完成所要求的任務(wù)，而區(qū)域之外的節(jié)點均進(jìn)入休眠狀態(tài)；同時，ID-DCC算法結(jié)合EDRNS算法來進(jìn)一步對所構(gòu)造的拓?fù)涔芾韰^(qū)域進(jìn)行覆蓋冗余控制，可有效地節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體能耗。4.學(xué)位論文 張寶利 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題研究 2007無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的低成本、低功耗的廉價微型節(jié)點組成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點具有存儲、感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力，其目的是協(xié)作的感知、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。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題包括連通和覆蓋兩個方面。連通是指在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點間都能夠直接或間接的通信，這是節(jié)點自組織成多跳網(wǎng)絡(luò)的一個充分條件。覆蓋是指通過部署網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點使其能夠?qū)φ麄€監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效地覆蓋，實現(xiàn)信息采集的目的。覆蓋問題不僅決定著一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能否正常有效地工作，而且在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的性能、生存時間等，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點布置方式在很大程度上影響了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過部署大量的冗余節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，為了節(jié)約能量，采用動態(tài)輪換節(jié)點工作狀態(tài)的方式是一種行之有效的方法。本文通過把覆蓋問題逐步化簡，并利用理論分析和幾何證明的方法，提出了一種輪換節(jié)點工作狀態(tài)的覆蓋控制方法。 本文首先簡單介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括其產(chǎn)生歷史、體系結(jié)構(gòu)、特點、關(guān)鍵技術(shù)等，然后針對本文的主要內(nèi)容無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題研究，分析和比較了國內(nèi)外幾種比較流行的覆蓋算法，借鑒了其中比較優(yōu)秀的思想，在理論上提出了一種三維空間覆蓋問題研究模型3DCM，設(shè)計了一個能量有效的三維空間分布式自治覆蓋協(xié)議，該協(xié)議利用節(jié)點局部信息來對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋進(jìn)行控制。該算法利用時間共享和監(jiān)測區(qū)域重疊的原理，通過對部署在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點劃分合適的工作集，在節(jié)點間輪換休眠和活躍節(jié)點，在保證了網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求的同時有效利用了網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點能量，減少了節(jié)點間的能量波動，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間和提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。最后利用Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對本文算法進(jìn)行了仿真測試，驗證了本文算法的有效性，最后對本文進(jìn)行了總結(jié)與展望。5.學(xué)位論文 劉克中 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式節(jié)點定位方法研究 2006近年來，微機電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了具有低功耗、低代價與多功能特點的微型傳感器制造技術(shù)的發(fā)展。大量具有傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的傳感器節(jié)點引發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，即將大量的傳感器密集地散布在感知區(qū)域，傳感器間以自組織的方式構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，有效實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的采集、處理和傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑和結(jié)構(gòu)監(jiān)測及反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究引起了人們廣泛的關(guān)注，主要包括各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時間同步、協(xié)同信息處理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频?。在眾多相關(guān)研究領(lǐng)域中，傳感器節(jié)點的位置信息作為網(wǎng)絡(luò)無縫協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)成為了必需解決的關(guān)鍵問題之一。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，設(shè)計一個可行的節(jié)點定位方案面臨諸多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為復(fù)雜的物理環(huán)境和有限的網(wǎng)絡(luò)資源。 本文旨在探討符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點和要求的分布式節(jié)點定位方法，主要工作概括如下： 本文探討了大規(guī)模、自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)點定位的主要挑戰(zhàn)。闡述了本文的選題背景及意義，綜述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位算法的研究進(jìn)展。此外，論文簡要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其他領(lǐng)域的主要研究現(xiàn)狀。 針對典型的DV-Hop定位算法，詳細(xì)分析了該算法特性，利用Cramer-Rao邊界定理對定位誤差特性從理論上進(jìn)行了分析和探討，然后從理論和實驗兩方面分析了算法中使用的跳距估計誤差。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)方法，其基本思想是根據(jù)導(dǎo)標(biāo)節(jié)點和未知節(jié)點間的相互位置關(guān)系有選擇性地利用導(dǎo)標(biāo)節(jié)點，主要創(chuàng)新在于導(dǎo)標(biāo)節(jié)點共線度概念的引入。在算法的實現(xiàn)中，提出了自適應(yīng)共線度閾值確定方法。通過仿真實驗對定位性能比較，改進(jìn)算法較傳統(tǒng)算法在平均誤差和誤差方差方面分別降低1045和3550。 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點及經(jīng)典無須測距定位方法的局限性，提出了分布式的多跳導(dǎo)標(biāo)節(jié)點定位方法（Multi-Hop Beacon Based Localization，簡稱MHB定位方法）。該方法的主要創(chuàng)新在于應(yīng)用距離矢量路由法獲得鄰近導(dǎo)標(biāo)節(jié)點的同時，充分利用了三角形內(nèi)點的特性及相關(guān)幾何性質(zhì)，在選擇參與定位的導(dǎo)標(biāo)節(jié)點集時考慮了導(dǎo)標(biāo)節(jié)點共線度及未知節(jié)點與導(dǎo)標(biāo)三角形的幾何位置關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了不依賴于復(fù)雜優(yōu)化計算的擴(kuò)展質(zhì)心位置估算策略。MHB算法具有很好的自適應(yīng)性、分布性和可擴(kuò)展性，特別是在計算復(fù)雜度及定位精度魯棒性等方面表現(xiàn)出了很好的性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度從4到14變化過程中，該算法最大定位誤差和定位誤差方差分別為DV-Hop的1/61/2和1/31/2。 本文也探討了高精度的節(jié)點定位方法，該方法的探討是基于測距技術(shù)而展開的，剛性圖理論為本方法提供了理論支撐。受隨機圖論中剛性圖理論的啟發(fā)，本文提出了基于定位協(xié)作體的節(jié)點定位方法，該方法主要思想是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部拓?fù)渥赃m應(yīng)形成可實現(xiàn)節(jié)點位置估計的定位協(xié)作體，然后通過優(yōu)化計算實現(xiàn)未知節(jié)點的位置估計。這種基于協(xié)作模式的定位策略的主要優(yōu)點在于充分利用了多跳導(dǎo)標(biāo)節(jié)點的位置信息，同時還可有效避免了定位誤差在網(wǎng)絡(luò)中惡性傳播和積累。論文重點描述了基于協(xié)作模式的節(jié)點定位方法的基本原理及定位協(xié)作體的生成算法。仿真結(jié)果表明，提出的定位策略具有較好的自適應(yīng)性、魯棒形和可靠性，當(dāng)測距誤差方差從0.0250.30倍通信視距時，定位誤差為0.020.36倍通信視距，該定位精度能滿足多數(shù)場合下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點位置信息的精度要求。 在上述定位方法的研究基礎(chǔ)上，本文分析了定位服務(wù)質(zhì)量的相關(guān)問題，提出了區(qū)分定位服務(wù)策略，即在實際的應(yīng)用中可以根據(jù)定位需求和定位場景提供不同服務(wù)質(zhì)量的定位支持。這種策略的提出可以使定位算法在滿足系統(tǒng)定位精度的前提下大大降低系統(tǒng)能耗，這為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題提供了新的解決思路。 論文最后總結(jié)了所作的工作，并就進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行了簡單探討。6.學(xué)位論文 溫俊 能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)研究 2009近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛部署，并表現(xiàn)出更多的應(yīng)用潛力。節(jié)點部署和覆蓋控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本問題，節(jié)點部署方式影響了網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本、覆蓋質(zhì)量、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由算法，是覆蓋控制問題的基礎(chǔ)。覆蓋控制則是利用網(wǎng)絡(luò)的冗余性，通過節(jié)點調(diào)度、密度控制等手段，在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的前提下，提高節(jié)點的能量效率，延長網(wǎng)絡(luò)生存期的方法。本文從提高能量效率的角度，研究了包括最少節(jié)點部署和多種覆蓋控制方法在內(nèi)的若干問題，主要研究工作有： (1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸特性使得能量消耗在空間上分布不均衡，導(dǎo)致節(jié)點均勻部署時網(wǎng)絡(luò)的能量效率不高，因而本文提出和解決了最少節(jié)點部署問題，即如何部署最少的節(jié)點以滿足覆蓋率和網(wǎng)絡(luò)生存期的要求。為解決上述問題，首先建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗模型。在此模型下，本文分別給出了受控和隨機兩種情形下的節(jié)點數(shù)量/密度遞減部署策略：1)節(jié)點數(shù)量遞減的重疊放置。受三角點陣排列的良好特性啟發(fā)，在點陣中的不同位置點上放置不同數(shù)量的節(jié)點，靠近sink的位置點放置的節(jié)點多，遠(yuǎn)離sink的位置點放置的節(jié)點少。2)密度遞減部署。根據(jù)隨機部署模型，估算滿足覆蓋率要求時的最少活躍節(jié)點密度，進(jìn)而求出給定網(wǎng)絡(luò)生存期時的每個子區(qū)域應(yīng)部署的最小節(jié)點密度?？偟恼f來，節(jié)點密度隨距離變化，內(nèi)層區(qū)域部署的節(jié)點密度大，外層區(qū)域部署的節(jié)點密度小。理論分析和實驗仿真表明，節(jié)點數(shù)量遞減的重疊放置和密度遞減的隨機部署比節(jié)點數(shù)均等放置和隨機均勻部署所需的節(jié)點數(shù)量小，剩余能量少，節(jié)點的能量效率高。 (2)由于異構(gòu)節(jié)點可以提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期和可擴(kuò)展性，因此針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本文提出和研究了異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最小轉(zhuǎn)發(fā)連通覆蓋集(MRCSC)問題，即找到滿足下面兩個條件的最少活躍節(jié)點集合：1)完全覆蓋任務(wù)區(qū)域。2)轉(zhuǎn)發(fā)連通，每個活躍節(jié)點至少存在一條到達(dá)任一異構(gòu)節(jié)點的可達(dá)路徑。由于MRCSC問題是NP-難的，本文給出了兩階段的近似求解方法：1)尋找近似最小覆蓋集。三角點陣排列具有節(jié)點數(shù)漸近最少的性質(zhì)，但是在隨機部署的網(wǎng)絡(luò)中很難確保每次都能夠在點陣的位置點上恰好找到節(jié)點，因而我們給出了限制點陣不規(guī)則性傳播的條件，并以此為依據(jù)設(shè)計了分布式構(gòu)建近似最小覆蓋集(MSC)的算法。2)驗證和增強轉(zhuǎn)發(fā)連通性。為了判定集合的轉(zhuǎn)發(fā)連通性，我們證明了集合轉(zhuǎn)發(fā)連通的判定條件，進(jìn)而又將增強轉(zhuǎn)發(fā)連通問題轉(zhuǎn)化為尋找轉(zhuǎn)發(fā)連通樹的問題。在給出的分布式算法中，通過轉(zhuǎn)發(fā)連通驗證、葉節(jié)點請求增強的迭代過程實現(xiàn)了覆蓋子集的轉(zhuǎn)發(fā)連通。仿真實驗表明，MSC的覆蓋性能與OGDC算法接近，但是無需鄰居節(jié)點的角度信息。轉(zhuǎn)發(fā)連通增強過程則通過增加少量節(jié)點就可以明顯改善MRCSC的轉(zhuǎn)發(fā)連通性能。 (3)為了監(jiān)測和感知連續(xù)出現(xiàn)的目標(biāo)形成的目標(biāo)流，本文提出了面向目標(biāo)流的反應(yīng)覆蓋方法。反應(yīng)覆蓋方法根據(jù)目標(biāo)流的特性，動態(tài)調(diào)節(jié)覆蓋質(zhì)量，主要思想是：目標(biāo)流沒有進(jìn)入任務(wù)區(qū)域時，節(jié)點工作在低占空比的監(jiān)視狀態(tài)，以保存能量；當(dāng)目標(biāo)流進(jìn)入任務(wù)區(qū)域時，節(jié)點被喚醒為目標(biāo)流提供高質(zhì)量的感知覆蓋；當(dāng)目標(biāo)流離開后，節(jié)點又進(jìn)入低能耗的監(jiān)視狀態(tài)。因此反應(yīng)覆蓋解決了如下問題：1)最小感知占空比。監(jiān)視狀態(tài)下，為了能夠可靠地檢測進(jìn)入任務(wù)區(qū)域的目標(biāo)流同時考慮能量效率，給出了節(jié)點感知占空比的下界。2)喚醒范圍。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)流后，估算目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)前的平均移動距離，喚醒平均移動距離內(nèi)的節(jié)點以提供可靠的感知覆蓋，喚醒的節(jié)點數(shù)滿足給定的覆蓋質(zhì)量要求。3)持續(xù)工作時間。為了給目標(biāo)流提供不間斷的感知覆蓋，節(jié)點被喚醒后持續(xù)工作一段時間以等待下一個目標(biāo)的到來，持續(xù)工作的時間取決于目標(biāo)流的到達(dá)間隔時間。4)目標(biāo)流離開的判決條件。使用假設(shè)檢驗方法檢查目標(biāo)的到達(dá)時間間隔樣本值，節(jié)點可以準(zhǔn)確判定目標(biāo)流的離開，降低了目標(biāo)流離開任務(wù)區(qū)域的誤判率。仿真實驗數(shù)據(jù)表明，目標(biāo)流的覆蓋質(zhì)量接近于靜態(tài)覆蓋，但能量效率高，網(wǎng)絡(luò)生存期達(dá)到靜態(tài)覆蓋的4-7倍，更適合對目標(biāo)流的感知覆蓋。 (4)針對有向感知能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文研究了點目標(biāo)有向多覆蓋集問題，目標(biāo)是找出盡可能多的有向覆蓋集合。由于有向節(jié)點可以調(diào)節(jié)感知方向，因而分為兩步求解有向多覆蓋集問題：1)方向優(yōu)化。首先提出了改進(jìn)的貪婪方向優(yōu)化算法(EGA)，EGA選取工作方向的依據(jù)是覆蓋最多還未被覆蓋的目標(biāo)，因而算法復(fù)雜度低，但覆蓋資源分配不均。針對EGA的不足，進(jìn)而又提出了公平的方向優(yōu)化(EDO)算法。EDO算法中通過效用函數(shù)評估各個方向上的覆蓋收益，覆蓋度越低的目標(biāo)其效用值越大，反之越小，因而臨界目標(biāo)被優(yōu)先覆蓋，覆蓋資源被公平分配。2)節(jié)點調(diào)度?；诰植扛采w集提出了鄰居感知調(diào)度(NSS)協(xié)議。NSS將節(jié)點劃分為多個覆蓋集，每個覆蓋集輪流工作一個周期。在每個工作周期末開始競爭活躍節(jié)點，即當(dāng)活躍節(jié)點判定其存在一個局部覆蓋集時活躍節(jié)點在下一個工作周期內(nèi)睡眠，否則繼續(xù)工作，以達(dá)到節(jié)點能量均勻消耗的目的，最大化網(wǎng)絡(luò)生存期。仿真實驗表明，EGA和EDO都大大改善了目標(biāo)的覆蓋質(zhì)量，但EDO的性能比EGA算法高了