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无线传感器网络数据融合算法研究

作　者: 徐仁晶
导　师: 郭毓
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无线传感器网络 WSN数据融合 LEACH算法 生成树 ZigBee技术
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


无线传感器网络(WSN)是由大量无线传感器节点自组织分布在工作区域内的无基础设施网络。WSN数据融合可以使用户得到真实有效的数据,同时有效地减少网络能耗及时延。因此,研究WSN数据融合已成为WSN研究的热点。本文对无线传感器网络数据融合算法进行了研究和改进。在研究经典的基于路由的LEACH数据融合算法的基础上,对LEACH算法存在的簇首个数选择不恒定以及分簇结构不合理的问题进行了改进,提出了均分簇首的WSN数据融合算法。改进算法使每一轮的簇首个数都保持恒定,簇首的位置以及每个分簇的成员节点个数都比较均匀,使每个簇的数据信息完整可靠。均分簇首算法与LEACH算法相比,进一步减小了WSN的能耗,延长了网络使用寿命。针对基于生成树的WSN数据融合算法可能存在因生成树结构不合理,造成过大时延的问题,提出了基于生成树的低时延WSN数据融合算法。低时延的WSN数据融合算法对生成树子节点个数做了软限制,即每个节点拥有的子节点数不能超过Beta个,除非子节点因此限制无法加入生成树。改进后的算法能够有效的降低WSN的时延,满足WSN对实时性的要求。同时由于基于生成树的SPT算法和MST算法只是在数据不融合或者完全融合情况下的最优算法,本文提出了具有固定融合率的低时延WSN数据融合算法,即加入了数据增长因子。进一步改进的算法满足数据融合率在[0,1]区间内所有情况。针对无线网络控制实验教学及研究的需求,设计了基于ZigBee的无线网络温控系统实验平台,详细介绍了该实验平台的总体设计、控制器的软硬件设计、通信协议设计以及用户界面的设计。实验平台以ARM11作为温度控制器的核心,应用ZigBee技术实现了对温度的无线采集和控制。实验平台具有对温箱动力学特性的系统辨识和对温度的自适应控制功能,目前该实验平台已在实验教学中应用。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
1 绪论  9-17
  1.1 研究背景与意义  9-10
    1.1.1 研究背景  9
    1.1.2 研究意义  9-10
  1.2 无线传感器网络的基本概念与特点  10-12
    1.2.1 无线传感器节点及其结构  10
    1.2.2 WSN体系结构  10-11
    1.2.3 WSN的主要特点  11-12
  1.3 WSN国内外研究及发展现状  12-14
    1.3.1 WSN关键技术  12-13
    1.3.2 国内外WSN研究及发展现状  13-14
  1.4 论文的主要内容及安排  14-17
2 WSN数据融合基本方法及分析  17-27
  2.1 WSN数据融合的概念  17-19
    2.1.1 WSN数据融合的定义  17
    2.1.2 WSN数据融合的作用  17
    2.1.3 WSN数据融合的层次结构  17-18
    2.1.4 WSN数据融合的性能指标  18-19
  2.2 WSN数据融合算法  19-25
    2.2.1 WSN数据融合算法分类  20-21
    2.2.2 基于路由的WSN数据融合算法  21-24
    2.2.3 基于生成树的WSN数据融合算法  24-25
  2.3 现有的WSN数据融合算法存在的问题  25
  2.4 本章小结  25-27
3 基于均分簇首和LEACH协议的数据融合算法研究  27-41
  3.1 LEACH算法剖析  27-30
    3.1.1 LEACH算法描述  27-28
    3.1.2 LEACH算法的特点  28-29
    3.1.3 已有的改进LEACH算法  29-30
  3.2 能耗最小的簇首个数选择方法  30-32
    3.2.1 最优簇首个数建模  30-32
    3.2.2 最优簇首个数参数分析  32
  3.3 基于LEACH改进的WSN数据融合算法的实现  32-36
    3.3.1 WSN网络结构  32-33
    3.3.2 WSN网络设置  33
    3.3.3 WSN均分簇方法及簇首的建立  33-34
    3.3.4 节点间信息的传输  34-36
    3.3.5 通信能耗的计算  36
  3.4 仿真研究  36-40
    3.4.1 仿真参数设置  36
    3.4.2 仿真结果及分析  36-40
  3.5 本章小结  40-41
4 基于生成树的低时延WSN数据融合算法研究  41-57
  4.1 基于生成树的WSN数据融合基本算法  41-42
    4.1.1 Steiner树定义  41
    4.1.2 基于生成树的数据融合基本算法特点  41-42
  4.2 基于生成树的低时延WSN数据融合算法研究  42-45
    4.2.1 时延的研究  42-44
    4.2.2 数据融合率定义  44
    4.2.3 低时延算法的描述  44-45
  4.3 基于生成树的低时延WSN数据融合算法实现  45-52
    4.3.1 子节点数限制及路径权值的校正  45-47
    4.3.2 限制子节点数的SPT算法  47-49
    4.3.3 限制子节点数的MST算法  49-50
    4.3.4 数据传输时间表算法  50-52
  4.4 仿真实验及结果对比  52-55
  4.5 本章小结  55-57
5 基于ZIGBEE的无线网络温控系统实验平台设计  57-67
  5.1 设计目的  57
  5.2 基于ARM11的嵌入式温度控制系统设计  57-62
    5.2.1 系统总体设计  57
    5.2.2 温箱及温度数据采集  57-60
    5.2.3 硬件设计  60-61
    5.2.4 软件设计  61-62
  5.3 系统通信协议设计  62-65
    5.3.1 ZigBee通信技术  62-63
    5.3.2 CC2430无线模块  63-64
    5.3.3 MAC子层协议  64-65
  5.4 用户端应用程序设计  65
  5.5 本章小结  65-67
6 总结与展望  67-69
致谢  69-71
参考文献  71-74

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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