论文摘要
近年来,随着道路交通的飞速发展,交通问题逐渐增加,引起全社会广泛的关注和重视。构建车、路、人三者结合的智能公路是实现智能交通的重要组成部分,但传统的技术和设备在运用中普遍存在不足。由于无线传感器网络(WSN)具有覆盖范围广、安装维护方便、采集数据丰富、分布式协同感知等优点,近年来有关WSN在智能交通中的应用研究已成为一大热点,目前已演化为物联网、车联网的研究热潮。瑞典吕勒奥理工大学在智能公路(iRoad)项目中提出“智能路标系统”。该系统基于WSN技术,以Mulle平台为硬件基础,TinyOS平台为软件基础,在欧洲E4公路上实现了智能路标(节点)的信息采集。实验结果表明节点能够有效的监测到行驶的车辆,但能耗是阻碍其应用的一个关键技术问题。本论文以通过节能技术最大限度地延长系统工作时间为研究目的,针对应用中的节能需求在能耗管理、节能策略、控制算法和测量工具等方面展开系统深入的研究。主要内容和创新点有：1.研究节点的能耗分布,建立动态能耗管理。研究节点节能的一个关键前提就是掌握能耗的分布。本文基于能耗测量装置对节点的三个主要组成部分的工作能耗进行监测,并根据结果绘制对比图。已有的研究文献认为能耗主要集中在通信部分,本文的实验证明感知和处理部分的能耗也不可忽视。基于节点的能耗分布,在TinyOS软件平台上建立起传感器、处理器和收发器三者综合考虑的资源映射与调度模型,实现动态能耗管理,减少了元器件空闲时的能量浪费。2.研究节点的节能策略,建立动态节能策略框架。依据本文提出的能耗分布模型,结合智能路标对车辆检测的研究,本文提出了一种动态节能策略,由信号处理、低功耗侦听和传感器激活率三部分组成。在MicaZ平台上对节能策略做出了验证,通过提高工作效率减少了能量消耗。最后,给出了描述节点动态能耗的公式以及实验验证。3.能耗一致性控制理论和方法。WSN根据实际环境协同地完成监测任务。通过协作不仅可以提高结果的准确性,还可以从整体上减缓能量的消耗。本文基于代数图论描述了节点之间的信息交互关系,建立了交互图和交互矩阵。提出了通过共享能耗信息,由一致性算法控制节点之间的协作,使各个节点达到能耗均衡的算法。仿真结果表明该算法可以使剩余能量在系统运行过程中趋于一致,从而从整体上达到节能的效果,延长系统工作时间。4.实时能耗监测。通过研究国内外对WSN能耗的分析,发现当前对能耗的研究手段存在不足的现状。本文提出了建立可在实际环境对WSN工作的实时能耗进行监测的平台。开发出移动便携的能耗测量装置,具有体积小,高精度,对节点正常工作无影响的特点,可在实际环境中监测到节点的实时能耗。