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基于无线传感器网络的区域覆盖及目标定位的研究

作　者: 李伟
导　师: 杨光红
学　校: 东北大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 无线传感器网络遗传算法覆盖率目标定位目标跟踪
分类号: TN95
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,在军用和民用领域有着广阔的应用前景,是目前学术界研究的热点之一。其特点是能够协作地完成实时监测、传感和采集目标对象的信息,并对其进行处理并传送给需要信息的用户。本课题以无线传感器网络为研究背景,对网络中的区域覆盖优化问题、入侵目标运动跟踪算法进行了深入研究,解决如下问题：首先,传感器节点分布具有随机性和密集性的特点,节点的传感范围之间会出现交叠,导致覆盖冗余节点的出现,这势必增加了网络整体能量消耗,对仅携带有限能量的传感器节点造成严重威胁。针对此类问题,本文以交互式遗传算法(IGA)为基础,对算法进行改进,加入精英选择策略(ES)和采用对适应度值标定(FC)的方法,完成对监测区域离散模型、工作节点模型、区域覆盖模型和总体目标函数的设计。对网络中的覆盖冗余节点进行智能优化,有效地减少了传感器网络的能量消耗。经试验验证,可明显延长网络的生存时间。其次,监测网络存在的目的是为了对其所覆盖的区域进行监测和控制,为此本文充分考虑了物体运动的一般行为规律,合理的设计了目标随机运动算法。对进入到监测区域的目标设计了距离检测算法和位置跟踪算法,以实现实时检测和跟踪的目的。对区域中的监测盲区进行了分析,并给出可行解决方案。最后,利用Micaz试验开发平台、Mote-View软件和Matlab软件,对本文所给出的算法进行了验证和仿真,结果表明在保证覆盖率的基础上,有效的降低了无线传感器网络的整体能量消耗,延长了网络的生存时间。同时对入侵目标的检测、跟踪误差也满足设计精度要求。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 无线传感器网络的研究背景和现状  11-12
  1.2 无线传感器网络介绍  12-15
    1.2.1 传感器网络结构  12-14
    1.2.2 传感器节点的限制  14-15
  1.3 无线传感器网络中存在的问题  15-16
    1.3.1 区域覆盖优化  15
    1.3.2 目标定位检测  15-16
  1.4 论文结构  16-17
第2章遗传算法及其应用  17-33
  2.1 遗传算法的理论来源和基础  17-20
    2.1.1 选择算子的概念  18-19
    2.1.2 交叉算子的概念  19
    2.1.3 变异算子的概念  19-20
  2.2 遗传算法在实际问题中的实现  20-24
    2.2.1 遗传算法的数学模型  20
    2.2.2 染色体的编码方法  20-21
    2.2.3 染色体的选择方法  21-22
    2.2.4 染色体的交叉方法  22
    2.2.5 染色体的变异方法  22-23
    2.2.6 目标函数和适应度函数  23-24
    2.2.7 约束条件  24
  2.3 遗传算法的评估指标  24-25
    2.3.1 总体评价  24-25
    2.3.2 在线性能评估  25
    2.3.3 离线性能评估  25
  2.4 用于多目标优化问题的遗传算法  25-27
    2.4.1 多目标问题解的定义  25-26
    2.4.2 多目标问题Pareto解的求解方法  26-27
  2.5 改进的遗传算法  27-33
    2.5.1 交互式遗传算法  27-28
    2.5.2 精英策略  28-29
    2.5.3 适应度值标定  29-33
第3章遗传算法在区域覆盖优化中的实现  33-53
  3.1 覆盖问题的概述  33-35
    3.1.1 覆盖问题的分类  33-34
    3.1.2 冗余节点与盲点的判断  34-35
  3.2 监测区域离散模型设计  35-36
  3.3 工作节点数量子函数设计  36-37
  3.4 区域覆盖子函数设计  37-41
    3.4.1 覆盖率函数定义  37
    3.4.2 节点覆盖面积算法  37-41
  3.5 总体目标函数设计  41-42
  3.6 仿真和试验  42-49
    3.6.1 试验的基本参数  42-43
    3.6.2 基站节点的原始随机分布  43-45
    3.6.3 利用遗传算法优化结果  45-48
    3.6.4 优化问题的另一组解  48-49
  3.7 对比试验  49-51
  3.8 本章小结  51-53
第4章目标位置检测与跟踪算法设计  53-73
  4.1 无线传感器网络的硬件试验平台  53-55
  4.2 无线传感器网络的软件环境  55-56
    4.2.1 TinyOS操作系统  55-56
    4.2.2 Mote-View操作软件  56
  4.3 目标物体位置检测与跟踪算法  56-63
    4.3.1 定位技术简介  56-59
    4.3.2 目标位置检测  59-63
  4.4 跟踪算法设计  63-68
    4.4.1 目标随机运动算法设计  63-65
    4.4.2 目标与节点间距离检测算法设计  65-66
    4.4.3 检测目标位置跟踪算法设计  66-67
    4.4.4 目标不可检测位置分析  67-68
  4.5 仿真与试验  68-72
    4.5.1 仿真  68-71
    4.5.2 跟踪误差分析  71-72
  4.6 本章小结  72-73
第5章总结与展望  73-75
  5.1 总结  73-74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-79
致谢  79

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