无线传感器网络中一种基于电池能量特性路由协议的研究与设计

论文摘要

无线传感器网络是当今的热点研究领域之一,它由部署在检测区域内大量且相互协作的低功耗节点组成,这些节点具备有限的计算能力、无线通信能力及传感能力。无线传感器网络是计算机科学技术中一个新的研究领域,在诸如地理探测、精细农业、环境监测、国防军事以及运输业、商业等各种领域中具有十分广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视。本文通过对电池特性的研究,设计了无线传感器网络中一种基于电池能量特性的路由协议。高效使用能量来最大化网络生命期是传感器网络面临的首要挑战。无线传感器网络路由协议根据电池能量特性选择数据源到汇聚节点之间的转发路径,保证整个网络能量的均衡消耗。本文首先回顾了无线传感器网络发展历程、发展趋势、体系结构及其应用领域等相关背景并概括了国内外研究现状。其次,能源问题是无线传感器网络中一个主要的挑战,使电池供电的传感节点达到最大的生存时间来支持数据的采集与传输是研究热点之一。本文从传感器节点的能量来源——电池本身出发,介绍了无线传感器网络中的电池研究背景及进展,然后对电池容量以及影响电池容量的各种因素进行了分析,并着重分析了锌-锰干电池的特性。同时,本文在分析了无线传感器网络的特点,无线传感器网络中路由协议的特点及评价标准的基础上,讨论了无线传感器网络中的能耗和节能技术,并着重分析了现有的能量感知路由协议。此外,本文还对路由协议中的数据融合技术进行了研究与策略分析。本文根据对电池能量特性的研究需要,设计了电池测试系统并进行了各种放电电流密度或不同放电制度下的电池实验。通过实验了解电池理论容量、不同放电电流密度下的电池恢复能力、连续放电模式与放电/恢复模式下放电性能的差别,以及不同放电制度下放电性能的差别等电池能量特性。这些研究,对于在无线传感器网络中根据电池性能选择并优化电池应用具有一定的实际指导意义。然后,本文在介绍一种基于簇树结构的路由协议并分析其优缺点的基础上,提出了改进方向与目标,并综合考虑电池能量特性,提出了一种网格型树状无线传感器网络中的基于电池能量特性路由协议。本文详细描述了该算法的数据结构机制、树状网络组网与地址分配机制、路由选择与建立机制、路由维护与修复机制,以及数据融合机制。最后,本文给出了算法验证结果与实物效果演示结果,并与几种常见路由协议进行了综合性能比较,证明了基于电池能量特性路由协议具有采用多路径,健壮性好;节点ID包含网络拓扑信息;路由查找快速、方便;使用数据融合能减少数据通信量;路由建立考虑电池能量特性,均衡能量开销;有效地提高网络的生命周期等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.2 传感器网络的发展历程与发展趋势
• 1.1.3 无线传感器网络的体系结构
• 1.1.4 无线传感器网络的应用领域
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究目的和意义
• 1.4 本文的基本结构
• 第二章 无线传感器网络中的电池研究
• 2.1 无线传感器网络中的电池研究背景
• 2.2 化学电源理论研究
• 2.2.1 电池的容量
• 2.2.2 影响电池容量的因素分析
• 2.2.3 锌-锰干电池的特性
• 2.3 电池模型理论的研究
• 2.3.1 电池放电行为的分析
• 2.3.2 电池模型公式
• 2.3.3 电池参数和电池寿命的关系
• 2.3.4 电池模型离散化
• 第三章 能量优化路由协议的研究
• 3.1 无线传感器网络中路由协议的研究
• 3.1.1 无线传感器网络的特点
• 3.1.2 无线传感器网络路由协议概述
• 3.1.3 无线传感器网络路由协议的特点
• 3.1.4 无线传感器网络路由协议的评价标准
• 3.2 基于能量的路由协议分析
• 3.2.1 无线传感器网络中的能耗分析
• 3.2.2 无线传感器网络中的节能技术
• 3.2.3 现有的能量感知路由分析
• 3.3 路由协议中数据融合技术的研究
• 3.3.1 无线传感器网络中的数据融合技术
• 3.3.2 以数据为中心路由策略中的数据融合
• 3.3.3 数据融合策略的分析
• 第四章 电池测试的设计与实验
• 4.1 电池测试系统的设计
• 4.1.1 电池测试系统设计方案比较
• 4.1.2 电池测试系统硬件设计
• 4.1.3 电池测试系统软件设计
• 4.1.4 电池测试系统界面与功能
• 4.2 电池容量与参数的测试
• 4.2.1 测试电池理论容量
• 4.2.2 测试电池参数
• 4.2.3 计算电池参数
• 4.3 电池放电性能实验
• 4.3.1 连续放电模式与放电/恢复模式对比实验
• 4.3.2 不同制度下的放电/恢复模式比较实验
• 4.4 电池实验结论
• 第五章 基于电池能量特性路由协议
• 5.1 一种基于簇树结构的路由协议
• 5.2 网格型树状网络中的BEC-based RP 概述
• 5.2.1 BEC-based RP 的主要目标
• 5.2.2 BEC-based RP 的应用环境描述
• 5.2.3 BEC-based RP 的关键问题分析
• 5.3 BEC-based RP 协议
• 5.3.1 数据结构机制
• 5.3.2 树状网络组网与地址分配机制
• 5.3.3 路由选择与建立机制
• 5.3.4 路由维护与修复机制
• 5.3.5 数据融合机制
• 5.4 BEC-based RP 算法验证与实物效果演示
• 5.4.1 算法验证
• 5.4.2 实物效果演示
• 5.5 综合性能比较
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所做工作