智能建筑无线传感器网络覆盖问题的建模与优化研究

论文摘要

伴随着无线通信技术、嵌入式技术、传感器技术等诸多技术的迅速发展,能够进行环境感知、独立计算、无线传输的无线传感器网络(WSN)也得到了快速发展,尤其在智能建筑的应用中,无线传感器网络因其部署方便、维护简单受到了越来越大的关注。网络覆盖问题是无线传感器网络研究的重要方向之一,网络的覆盖情况决定了传感器网络对环境的感知能力,同时与网络的连通问题有着密切联系。在节点感知模型已知的情况下,节点部署的优劣能给网络覆盖带来重大影响,节点的数量也直接关系到无线传感器网络的成本和性能。本文的主要研究对象就是智能建筑无线传感器网络的覆盖问题、连通问题、节点部署等问题。针对以上问题本文主要做了以下工作：1)分析了无线传感器网络节点感知模型,确定了无线传感器网络覆盖与连通的关系；2)对传感器节点硬件设备进行了搭建和测试,为构建相应的模型提供技术数据；3)以完全覆盖和传感器节点数目最少为目标建立线性规划模型,并使用LINGO进行模型求解,得到网络拓扑结构；4)以确定主节点为目标、最短路径为条件提出动态规划基本方程式,建立数学模型,通过LINGO求解模型,得到主节点的最优部署；5)将系统模型由平面分析扩展到三维立体情形,以对五层建筑的分析为例,阐述算法的二维、三维通用性。通过动态规划寻找建立层间连接的最优方式,并给出结论；6)使用NS2网络模拟器进行仿真,得到网络的运行情况,并对结果进行分析。同时模拟其它类型覆盖和主节点随机选取的网络运行状况,与本文提出的计算结果进行比较,验证算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络基本结构
• 2.2 无线传感器网络特点
• 2.3 无线传感器网络研究方向
• 2.4 无线传感器网络的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络覆盖问题
• 3.1 节点感知模型
• 3.1.1 圆盘感知模型
• 3.1.2 概率感知模型
• 3.1.3 方向感知模型
• 3.2 节点部署方式
• 3.2.1 确定性部署
• 3.2.2 随机部署
• 3.3 区域覆盖
• 3.3.1 覆盖性能分析
• 3.3.2 网络连通
• 3.3.3 节点调度机制
• 3.4 点覆盖
• 3.5 栅栏覆盖
• 3.6 连通与覆盖问题
• 3.7 本章小结
• 第四章 模型建立与模型求解
• 4.1 智能建筑
• 4.1.1 智能建筑概述
• 4.1.2 智能建筑和无线传感器网络
• 4.1.3 研究对象
• 4.1.4 硬件环境
• 4.2 网格覆盖问题分析
• 4.3 方形网格的线性规划模型
• 4.3.1 模型建立
• 4.3.2 模型求解
• 4.4 主节点定位
• 4.4.1 Dijkstra算法
• 4.4.2 LINGO计算主节点
• 4.5 多层智能建筑节点部署
• 4.6 多层智能建筑层间连通问题
• 4.7 本章小结
• 第五章 算法仿真和性能分析
• 5.1 仿真工具简介
• 5.1.1 功能模块
• 5.1.2 软件组成
• 5.2 仿真环境和过程
• 5.3 参数设定
• 5.3.1 MAC层协议选择
• 5.3.2 路由协议的选择
• 5.3.3 节点参数
• 5.4 仿真结果和性能分析
• 5.4.1 时间间隔仿真
• 5.4.2 改变主节点仿真
• 5.4.3 增加节点仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表