论文摘要
基于无线传感器网络（WSN）的目标监测是无线传感器网络最广泛和最重要的应用之一,也是当前研究热点之一。由于具有自适应性、灵活性和低能耗性等特点,基于无线传感器网络的目标监测在很多实际应用中取代了雷达监测、卫星监测等传统监测方式,已经渗透到军事、商业、生态、社会生活等诸多领域,所以目标监测具有极高的现实研究意义。基于无线传感器网络的目标监测应用中,能量有效性和监测精确性是主要的两个技术指标。由于无线传感器网络中能量有限,所以能量有效的目标监测技术一直是研究重点,我们既可以在MAC协议中加入休眠唤醒机制,也可以设计一定的网络结构,减少不必要的计算和数据传输来节能。而监测精确性包括了正确报警率和误报率,既要在监测到异常信息时准确报警又要避免过高的误报率对资源的极大浪费。针对不同的应用场景,目标监测技术的研究重点会有所不同。根据应用场景中节点的配置情况,我们可以将应用场景分为两类:节点随机配置的应用和节点可配置的应用。针对不同的应用,本文分别研究了协作决策和节能MAC协议。在节点随机配置的应用中,网络结构未知,我们更多关注于网络结构优化、节点协作和决策等。传统目标监测算法的二元决策会导致误报率过高,并且存在网络覆盖“盲点”问题。因而,本文提出了基于信用度的分布式目标监测算法——k-CD算法。该算法:首先,形成虚拟节点集;其次,匹配决策融合;最后,通过触发式移动节点来解决网络覆盖“盲点”问题。仿真结果表明,相对于已有算法,k-CD算法平均能提高35%的监测准确率的同时降低62%的误报率,在不同的网络覆盖情况下网络生命周期也平均延长44%。在节点可配置的应用中,可以根据实际应用对网络节点进行配置,因此其网络结构是固定的,节点协作等过程也已经固化,我们可以从底层协议角度去进一步提高节能性。本文提出了基于LE-MAC的LETD算法。LETD算法中采用的LE-MAC协议结合了竞争式MAC和调度式MAC,根据应用环境我们可以固定一部分的休眠唤醒调度,同时也保留竞争式MAC的动态机制,可以在不同网络流量时动态调整休眠唤醒周期比。LETD算法网络为二级网络,采用了假性载波侦听、数据预测等机制,实验结果表明,LETD算法和现有算法相比,可以节能12%48%。在上述理论研究的基础上,我们开发了基于无线传感器网络的园林火灾监测系统,本文详细介绍了该系统的各个功能模块,特别是MAC协议以及相关支撑技术的设计和实现。实际测试数据表明,和采用现有MAC协议比较,系统可以节能约45%,生命周期大约可以延长一倍。