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面向目标跟踪的无线传感器网络研究

作　者: 林瑞仲
导　师: 孙优贤
学　校: 浙江大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 无线传感器网络目标跟踪 MAC协议链路估计路由协议信息处理定位仿真平台原型系统
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 2995次
引　用: 75次
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内容摘要

以目标分类、识别、统计和目标定位、数据融合为基础的运动目标监测跟踪技术,作为一门综合传感、计算、通信、信息处理、人工智能等众多技术的多学科交叉技术,无论是在军事还是在民用方面都有着十分广泛的应用。集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的无线传感器网络是一种全新的计算模式,是继因特网之后将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式,而无线传感器网络将逻辑上的信息世界与物理世界融合在一起,将改变人与自然交互的方式。无线传感器网络的应用已经由最初的军事领域扩展到众多民用领域。根据数据采集的特点可以将无线传感器网络的应用分为周期性的数据采集,突发事件处理和移动目标跟踪三大类。低成本、低功耗、体积小、高冗余、多功能的特性使得无线传感器网络在状态监测控制、突发事件处理和移动目标分类识别跟踪等方面的应用比传统的系统更方便、更可靠、更有效,愈来愈受到业界的关注。本文针对目标跟踪应用的需求,对无线传感器网络的通信协议、信息处理和定位等相关热点问题进行研究,并设计开发了相应的原型系统,为进一步的应用和研究打下基础。本文所作的主要工作如下: (1) 提出面向目标跟踪的无线传感器网络体系结构ATW,该体系结构综合了状态监测和突发事件处理应用场景,为全面研究无线传感器网络的热点问题和应用提供了良好的平台。 (2) 针对目标跟踪对MAC协议的能耗有效性和可扩展性需求,提出可扩展的能耗有效的媒介访问控制协议(SEMAC)。仿真结果表明,SEMAC具有更好的能耗有效性和可扩展性。 (3) 为满足目标跟踪对路由数据的高可靠性要求,采用(m,k)理论对链路质量估计的方法进行了研究,提出基于链路质量估计的路由(LQER)算法。该算法综合考虑能耗和链路质量,使得网络在路由数据时具有更高的可靠性,减少了数据重传的概率,从而节省了能耗,延长了网络寿命。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
主要符号对照表  8-10
目录  10-13
图索引  13-15
表索引  15-16
第1章绪论  16-38
  1.1 无线传感器网络  16-26
    1.1.1 基本概念  17-20
    1.1.2 发展历史  20-23
    1.1.3 应用前景  23-26
  1.2 国内外研究现状  26-35
    1.2.1 通信体系研究现状  27-29
    1.2.2 中间件研究现状  29-33
    1.2.3 应用系统研究现状  33-35
  1.3 本文的主要研究工作  35-38
    1.3.1 面向目标跟踪的无线传感器网络体系结构(ATW)设计  35
    1.3.2 扩展能耗有效的媒介访问控制协议(SEMAC)设计  35-36
    1.3.3 基于链路质量估计的路由协议(LQER)设计  36
    1.3.4 协同信号与信息处理算法(CSIP)研究  36-37
    1.3.5 基于连接性和接收信号强度的定位算法(CRSL)设计  37
    1.3.6 无线传感器网络仿真平台WSNSim的设计开发  37
    1.3.7 目标跟踪的无线传感器网络原型系统(TWPS)开发  37-38
第2章面向目标跟踪的无线传感器网络  38-48
  2.1 目标跟踪的研究背景及其意义  38-41
    2.1.1 研究背景  38-39
    2.1.2 研究内容  39-40
    2.1.3 研究意义  40-41
  2.2 无线传感器网络在目标跟踪中的应用优势  41-42
  2.3 面向目标跟踪的无线传感器网络体系结构ATW  42-47
    2.3.1 ATW的设计  42-44
    2.3.2 面向目标跟踪的无线传感器网络研究  44-45
    2.3.3 一些基本概念和模型  45-47
  2.4 本章小结  47-48
第3章无线传感器网络的通信协议研究  48-76
  3.1 目标跟踪对通信协议的需求分析  48-52
    3.1.1 无线传感器网络的通信体系  48-49
    3.1.2 目标跟踪对通信协议的需求  49-50
    3.1.3 可采取的解决方案  50-52
  3.2 可扩展能耗有效的MAC协议SEMAC  52-66
    3.2.1 现有的MAC协议  52-53
    3.2.2 现有MAC协议的评价  53-54
    3.2.3 SEMAC的设计  54-61
    3.2.4 仿真与性能评价  61-66
  3.3 基于链路质量估计的路由协议LQER  66-75
    3.3.1 现有路由协议的评价  66-68
    3.3.2 LQER的设计  68-72
    3.3.3 仿真与性能评价  72-75
  3.4 本章小结  75-76
第4章无线传感器网络的信息处理研究  76-98
  4.1 目标跟踪对信息处理的需求  76
  4.2 简单有效的压缩算法SEC  76-80
  4.3 协同信号与信息处理CSIP的研究  80-95
    4.3.1 问题描述  80-82
    4.3.2 基于MICA2节点的CSIP研究  82-87
    4.3.3 基于PDA的CSIP研究  87-94
    4.3.4 基于(m，k)-firm的丢包策略研究  94-95
  4.4 本章小结  95-98
第5章无线传感器网络的定位算法研究  98-112
  5.1 引言  98-99
  5.2 相关工作  99-101
    5.2.1 无线传感器网络的定位  99-100
    5.2.2 基于RSSI的定位  100-101
    5.2.3 基于连接性的定位  101
  5.3 基于连接性和接收信号强度的定位算法CRSL  101-106
    5.3.1 无线电传播模型  102-103
    5.3.2 CRSL算法设计  103-106
  5.4 实验结果与性能评价  106-110
  5.5 定位在跟踪中的应用  110-111
  5.6 本章小结  111-112
第6章无线传感器网络仿真平台WSNSim的设计开发  112-126
  6.1 现有的无线传感器网络仿真平台  112-114
  6.2 WSNSim的体系结构设计  114-118
    6.2.1 能量模型  116-117
    6.2.2 组件设计  117-118
  6.3 WSNSim的应用场景数据设计  118-121
    6.3.1 状态监测的数据设计  119
    6.3.2 突发事件处理的数据设计  119-120
    6.3.3 移动目标跟踪的数据设计  120-121
  6.4 WSNSim仿真流程设计  121
  6.5 WSNSim的程序设计开发  121-124
    6.5.1 界面设计  122-123
    6.5.2 多语言版本实现  123-124
  6.6 仿真结果  124-125
  6.7 本章小结  125-126
第7章面向目标跟踪的无线传感器网络原型系统设计开发  126-140
  7.1 目标跟踪原型系统TWPS的体系结构  126-127
  7.2 传感器节点的设计开发  127-132
    7.2.1 硬件设计  128-131
    7.2.2 NesC程序设计  131-132
  7.3 基站与中间节点设计开发  132-136
    7.3.1 基站与中间节点的接口设计  133-134
    7.3.2 基于PDA的基站程序设计  134-136
  7.4 控制中心服务器设计开发  136-137
  7.5 目标跟踪应用  137-139
  7.6 本章小结  139-140
第8章结论与展望  140-144
  8.1 全文总结  140-142
  8.2 研究展望  142-144
参考文献  144-160
致谢  160-162
攻读博士学位期间完成的论文  162-164
攻读博士学位期间参加的科研项目  164-165

面向目标跟踪的无线传感器网络研究

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