面向水質監(jiān)測的無線傳感器網絡能效優(yōu)化與綜合評估研究.pdf

1、無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），即隨機分布于監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點通過無線通信的方式，協(xié)同工作并構成網絡，將偵聽到的有效信息經過計算和融合等簡單處理，再發(fā)送至基站。微傳感器、低功耗電子技術和射頻通信技術的發(fā)展推動了WSN的產生和蓬勃發(fā)展。雖然WSN以低功耗和靈活自組織的特點，取得廣泛的應用前景，然而WSN的應用環(huán)境大多是復雜多變、不宜部署有線網絡的工程應用和環(huán)境監(jiān)測，要求節(jié)點采用微型化設計，并使

2、用電池供電。電池的能量極為有限，且部署之后再次補充電能極為不易，故在保證網絡覆蓋質量和通信要求的前提下減少能耗，提高網絡的能量效率，延長節(jié)點和網絡的生存時間，是無線傳感器網絡研究的重要內容。
　　WSN的能量消耗可以分為“必要能耗”和“非必要能耗”。其中必要能耗有三個用途：（ⅰ）發(fā)送與接收數據；（ⅱ）處理查詢請求；（ⅲ）向鄰居節(jié)點轉發(fā)查詢或數據包。“非必要能耗”是用以：(ⅰ)空閑偵聽；（ⅱ）數據包沖突導致的重發(fā)；(ⅲ）偵聽；(ⅳ)

3、產生或處理控制包。網絡節(jié)省能量的方式有減少“非必要能耗”的，也有以減少“必要能耗”為手段的。這些節(jié)能方法可以分為三類：第一類，高能效路由技術；第二類，數據處理技術；第三類，拓撲控制技術。這些方法都是節(jié)約能量、提高網絡能效性能的有效方法，但是仍有許多理論障礙技術瓶頸尚未解決。
　　本文在“基于傳感器網絡的水質在線檢測裝置”等應用需求下，針對無線傳感器網絡在節(jié)能技術方面的挑戰(zhàn)，在綜合分析WSN分簇路由原理與方法的基礎上，建立能耗均衡的

4、分簇路由協(xié)議，以延長網絡生存時間；針對水質監(jiān)測與評價的應用環(huán)境，研究了無線傳感器網絡數據融合的策略與方法，提出了一種高能效的基于分簇路由的數據融合策略和基于變異系數的模糊綜合指數數據融合算法；最后總結若干描述能效的概念，提出了無線傳感器網絡分簇協(xié)議的能量效率綜合評估模型與方法。論文的主要內容及創(chuàng)新性成果包括：
　?。?）分簇是無線傳感器網絡節(jié)約能耗、提高能效的一種有效途徑，傳統(tǒng)的分簇路由協(xié)議的簇頭選擇，大多是產生隨機數并與閾值比較

5、的方式實現，這種方式導致無線傳感器網絡簇頭選擇的隨機性、簇頭數目和性能參數的浮動性。本文以LEACH等分簇協(xié)議為基礎，摒棄隨機數與閾值比較的簇頭選擇方法，提出兩種基于報告包的分簇協(xié)議：PNSCH和PCHSIF協(xié)議。PNSCH協(xié)議將節(jié)點剩余能量信息在每輪結束時以報告包形式發(fā)送至當前簇頭，并選擇簇內剩余能量最大的節(jié)點作為下一輪的簇頭。PCHSIF協(xié)議將節(jié)點剩余能量和距基站距離作為簇頭判定的依據，并將其發(fā)送至當前輪的簇頭，以備下一輪簇頭判定使

6、用，且簇頭數目調整為最優(yōu)值。這兩種協(xié)議在簇的建立過程中，成員節(jié)點和簇頭節(jié)點之間會進行報告包發(fā)送和接收，雖然消耗一定的能量，但是可以達到平衡網絡能耗、節(jié)約網絡整體能耗的目的。
　　（2）減少數據通信量也是提高能耗的有效途徑，數據通信量與傳感器采集信號的信息量大小密切相關，這些信息存在一定的冗余。數據融合技術可解決數據冗余問題。為此，研究工作綜合監(jiān)測區(qū)域整體水質評價的問題，研究多傳感器的數據融合策略和算法：提出了三種應用于隨機部署環(huán)境

7、的無線傳感器網絡數據融合策略，并分析了三種策略在能效方面的性能；提出了一種面向整個監(jiān)測區(qū)域水質綜合評價的數據融合算法，該算法以模糊理論為基礎，通過變異系數法確定不同水質指標的權重，并設計了一種加權綜合平均算法以弱化局部特異數據對整個監(jiān)測區(qū)域的綜合評價的影響，最終以模糊綜合指數表征局部區(qū)域的水質綜合評價類別，以及整個區(qū)域的水質綜合評價類別。
　?。?）首次提出了無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議能效綜合評估的概念，研究了能效參數體系，并將多