面向楼宇环境监测的无线传感器网络设计与实现

论文摘要

对楼宇环境的监测不仅有助于提高室内环境的舒适度及安全性,还有利于挖掘更高的楼宇能量利用率。传统的楼宇环境监测手段以有线通信技术为主,存在布线成本高、维护困难及破坏室内外观等弊端。近年来,无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理模式,为楼宇环境监测提供了新的技术手段。楼宇环境布局复杂、阻隔物多且存在电磁干扰,对于低功耗、短距离通信的微型传感器节点而言,需精心设计合适的传感器网络体系架构与相应数据收集算法,用于正确获取楼宇环境数据。本文基于上述研究背景设计并实现了面向楼宇环境监测应用的无线传感器网络,主要工作和成果如下:1.硬件资源的有限性使节点无法使用高精度的传感器,同一房间需部署多个节点以提高监测精度,这就造成信息冗余。受LEACH等协议分簇思想的启发,采用简单的地址分配机制引导部署在同一房间内的节点形成一个簇,并采用簇内数据融合,保持信息量不变的同时降低因传输冗余信息带来的带宽和能量浪费;2.设计具有三层结构的传感器网络,网络中的节点分为用于采集楼宇环境信息的传感器节点,用于管理房间内传感器节点的簇头节点及用于管理整个网络并负责汇总所有感知数据的汇聚节点。结合分簇机制及网络架构,设计了数据收集算法,采用可靠的簇间路由协议来建立网络数据链路,同时采用合理的数据链路维护算法以均衡网络内各节点的能量消耗,避免因形成数据热点而造成网络断裂,提高传感器网络的生存周期;3.根据传感器网络感知、处理和通信这三个基本任务,设计了相应的节点硬件。依据节点任务高度协作性及强并发性的特点设计了节点软件,并基于带跨层机制的分层协议模型实现了节点的无线通信协议。对所设计节点性能指标的测试及实地部署运行结果表明,所设计传感器网络在楼宇环境参数数据汇聚、在线监测等方面达到预期效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 楼宇环境监测的必要性
• 1.1.2 楼宇监测技术研究现状与发展趋势
• 1.2 无线传感器网络简介
• 1.2.1 体系架构
• 1.2.2 应用特点
• 1.2.3 应用现状
• 1.2.4 在楼宇环境监测中的应用现状
• 1.3 研究内容与论文结构
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 论文结构
• 第2章 面向楼宇环境监测的传感器网络架构设计
• 2.1 引言
• 2.2 楼宇环境监测应用特点
• 2.3 无线传感器网络架构设计
• 2.3.1 无线传感器网络拓扑结构选取
• 2.3.2 无线传感器网络架构设计
• 2.3.3 无线传感器网络数据收集算法分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 数据收集算法设计
• 3.1 引言
• 3.2 节点部署与成簇机制
• 3.2.1 节点地址分配
• 3.2.2 分簇机制
• 3.3 数据链路的建立与维护
• 3.3.1 路由树的建立
• 3.3.2 路由树的维护
• 3.3.3 仿真测试
• 3.4 监测数据流
• 3.4.1 传感数据采集及发送周期
• 3.4.2 数据链路服务质量
• 3.5 数据融合
• 3.6 时间同步
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 节点硬件设计
• 4.2.1 传感器节点和簇头节点硬件设计
• 4.2.2 汇聚节点硬件设计
• 4.3 节点软件设计
• 4.3.1 节点软件体系设计
• 4.3.2 硬件抽象层实现
• 4.3.3 通信协议栈实现
• 4.3.4 楼宇环境监测应用程序
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统运行与测试
• 5.1 节点性能测试
• 5.2 网络连通性测试
• 5.3 系统测试
• 5.3.1 组网测试
• 5.3.2 运行测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果