基于能量均衡的无线传感器网络拓扑控制算法研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是普适计算、普适控制的一种实现技术，涉及现代传感器、微电子、无线通信、嵌入式计算、分布式信息处理等多个学科领域，以数据为中心，具有自组织、自调节的特点，广泛用于军事、农业、建筑、医疗及各种商业领域。而无线传感器网络节点体积微小，携带的电池能量有限，所以研究高效的能量利用机制是一项重要的研究工作。拓扑控制研究如何在保证网络连通性和覆盖度的情况下，优化网络拓扑结构，是节能机制的一项重要研究内容。
　　本文首先介绍了物联网和无线传感器网络的基本概念、相关技术及主要应用；总结了拓扑控制的主要研究方向、优化的意义、研究现状及主要挑战；分别对平面拓扑和层次拓扑控制作了深入研究，阐述了相关的理论基础及网络模型；提出了无线传感网络“能量空洞”现象，分析了该现象产生的原因。基于以上的研究基础，本文的研究成果主要包括以下三个方面：
　　①提出了一种基于非均匀部署的无线传感器网络能量均衡算法：根据“能量空洞”现象，研究分析无线传感网络均匀分布的能耗问题，从而提出一种节点非均匀部署算法，令网络中各个位置的工作的节点密度相同，分担网络负载的中继节点的密度随着与Sink节点距离的增大而减小，从整体上实现能量消耗均衡。
　　②提出了一种能量有效的分簇算法。根据源节点到汇聚节点Sink的跳数，调节簇头的比例及簇的规模，使靠近Sink节点的簇头比例增大、簇规模变小，簇头可以节省一部分能量来转发距离Sink较远的簇头发送的数据，从局部范围内达到能耗均衡的目的。
　　③面向楼宇节能监控的应用。结合前文提出的基于非均匀部署的无线传感器网络能量均衡算法，设计并搭建了一套基于无线传感器网络的楼宇环境监控系统，实现了稳定可靠的室内无线数据传输，以及准确有效的环境监测与反馈控制等功能。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究对象

1.3 相关领域研究进展

1.4 课题来源及选题意义

1.5 主要研究内容及结构安排

2 无线传感器网络拓扑控制

2.1 无线传感器网络拓扑控制概述

2.2 无线传感器网络拓扑控制算法介绍及分析

2.3 本章小结

3 基于能量均衡的非均匀部署算法

3.1 相关基础知识

3.2 调节传输概率的能量有效传输算法

3.3 基于能量均衡的非均匀部署算法

3.4 本章小结

4 算法在楼宇环境监控系统中的应用

4.1 应用背景

4.2 系统设计

4.3 系统功能

4.4 系统性能测试

4.5 本章小节

5 总结

5.1 工作总结

5.2 未来工作与展望

致谢

参考文献

附 录