基于无线传感器网络的航标遥控遥测系统节能研究

摘要

随着海运业的不断发展,对于航标运行的可靠性、可用性、可维护性的要求不断提高,使得实现航标遥测遥控技术的需求迫在眉睫。航标遥测遥控技术的实现不但可以使其更为自动化、智能化,提高航标的服务水平,而且会节省了大量的人力物力,大大提高航标管理部门的管理效率,为船舶的安全通航提供了更可靠的保障。 无线传感器网络是现代通信网络的一个新的研究领域,它由大量的传感器节点组成,通过无线通信方式自组织形成网络,能够实现对目标的实时监测、采集和信息处理,可广泛应用于军事侦察、医疗救护、空间探测、环境监测、智能交通和智能家居等众多领域。 本文研究的航标遥控遥测系统,采用太阳能供电,在每个航标(浮标、岸标)上,RTU(远程终端单元)通过传感器采集航标的位置信息、光敏信息、温度、湿度等,并通过差分GPS定位系统测定浮标位置,通过无线传感器网络协议,把采集的信息发送给航道局基站。本文中探讨了基于无线传感器网络的航标遥控遥测系统的几种节能方法。在硬件上,用动态电压调节(DVS)设计降低无线传感器单个节点功耗；运用基于时钟芯片HT1380和单片机AT89C52的低功耗太阳能电池自动跟踪系统,该系统可以自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向；使用低光照度时下仍能充电的直流变换电路以节省能耗。在算法上,使用改进簇形成和阈值的LEACH算法,用matlab进行仿真,并与未改进前的LEACH算法进行比较,得出在约120轮之前,所有的节点都是存活的,而在约180-200轮间节点存活数急剧下降。仿真结果说明,在一定的传输轮数内,使用LEACH路由算法进行通讯是比较稳定可靠节能的,适用于航标遥控遥测系统。最后,对实际应用系统的测试数据进行分析,计算其功率,与未使用节能方法的系统比较,证明节能优化后后的系统,平均功率约为节能前功率的70％。即减少了30％的能量损耗。 本文主要创新点是,将无线传感器网络运用于航标遥控遥测系统上,运用动态电压调节、低功耗太阳能电池自动跟踪系统,低光照度时下仍能充电的直流变换电路,使用节能路由算法(改进LEACH算法)等方式来节省航标遥控遥测系统的能量损失。并将这些方法应用于实际系统,证明他们能起到明显的节能效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究目的和意义

1.4主要工作和论文结构

第二章无线传感器网络理论与技术

2.1无线传感器网络结构

2.2传感器网络的生成过程

2.3无线传感器网络的特点

2.4传感器节点弱点

2.5传感器网络的能量策略

2.5.1传感器硬件设计

2.5.2多跳通信

2.5.3 MAC层协议

2.5.4路由协议算法

2.5.5数据融合

2.6本章小结

第三章基于传感器网络的航标遥控遥测系统结构

3.1航标遥控遥测系统概述

3.1.1航标遥控遥测系统三层分布式应用系统

3.1.2航标遥控遥测系统功能模块

3.2无线传感器网络在航标遥控遥测系统上的拓扑结构

第四章基于无线传感器网络的航标遥控遥测系统的节能研究

4.1用DVS设计降低无线传感器节点功耗

4.2高效太阳能电池系统低功耗研究

4.2.1基于定时器和单片机的低功耗太阳能电池自动跟踪系统

4.2.2低光照度时下仍能充电的直流变换电路

4.3节能的路由算法

4.3.1无线传感器网络路由协议特点

4.3.2路由协议的分类

4.3.3选择LEACH协议作为节能算法的原因

4.3.4LEACH算法原理

4.3.5改进的LEACH算法

4.3.6仿真代码和结果分析

4.4系统实验数据分析

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果

致谢