带执行器节点的无线传感器网络研究

摘要

无线传感器网络是由低成本、低功耗、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式形成的分布式网络。它综合了传感器、嵌入式计算、网络及无线通信、分布式信息处理、微电子制造和软件编程等理论和技术,能够通过各类微型传感器实时采集所在物理环境中的温度、噪声、压力、烟雾等数据,这些数据以自组多跳的无线网络方式传送到用户终端。无线传感器网络在军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物监控、城市交通等各方面都有广泛的应用前景,已成为当前国内外重要的研究领域之一。
　　带执行器节点的无线传感器网络衍生于无线传感器网络,是指数量众多的传感器和执行器通过无线方式形成的具有分布式监测和执行功能的网络。在此网络中,传感器收集物理环境中的信息,执行器之间相互协同并决策,针对物理环境信息自动做出合适的动作反应。本文深入研究带执行器节点的无线传感器网络,重点研究协同框架、密钥管理、保密通信、应用设计等问题。
　　论文回顾了无线传感器网络和带执行器节点的无线传感器网络的有关概念,对国内外有关无线传感器网络的研究现状和应用进展进行了详细的总结和概括。分析研究带执行器节点的无线传感器网络和普通无线传感器网络之间的区别。详细阐述了带执行器节点的无线传感器网络的体系结构、网络协议、协同策略、网络节能、网络安全等关键问题。
　　在无线传感器网络中,汇聚节点通常作为中心执行数据收集和协商功能。但是在带执行器节点的无线传感器网络中,一种新的网络现象就是传感器-执行器协同通信和执行器-执行器协同通信。传感器-执行器协同提供了事件信息从传感器向执行器传送。当执行器接收到事件信息后,就会与其它的执行器进行协商,以便针对事件做出合适的动作。在分析无线传感器网络和带执行器节点的无线传感器网络协同研究的基础上,提出了两种传感器-执行器协同算法,分别是基于Voronoi图的传感器-执行器协同算法VGSACA和基于事件驱动分簇的传感器-执行器协同算法EDSACA。
　　无线传感器网络固有的特性使得密钥管理研究面临许多新挑战。论文介绍了密钥管理的方案的分类方法,着重综述和比较了典型的密钥管理方案。针对带执行器节点的无线传感器网络,提出了一种新的密钥预分配方案RTKPS。充分利用执行器节点具有能量充足、存储器资源丰富、较强计算和通信能力等特点,在汇聚节点、执行器节点和传感器节点之间构建一棵密钥管理树,实现集中式和分布式密钥管理的安全通信机制。应用该密钥预分配策略,可以显著提高传感器网络的安全性和连通性。
　　由于无线传输的广播性质,通过无线接口传送的信息更容易受到窃听的威胁。针对带执行器节点的无线传感器网络数据传输的安全问题,提出了一种基于混沌同步的保密通信系统。通过设计非线性状态观测器,构造两个混沌系统,并使其保持同步,从而实现加密信号的完全再现。同时分析了同步系统的稳定性,给出了设计非线性状态观测器的方法。应用熟知的Rossler混沌系统构建保密通信系统,并进行分析和仿真。仿真结果表明,该系统具有设计简单、同步速度快、保密程度高等特点。
　　论文设计了基于传感器网络的大坝安全监控系统,包括数据采集系统、数据分析系统和数据显示系统三个子系统,应用无线传感器网络搭建系统的数据采集自动监测平台,为系统提供及时、准确的数据服务。加入执行器节点,设计闸门自控系统,根据水位变化,自动开闭泄洪闸门。
　　论文最后对所研究的内容进行总结,给出了本文的主要贡献和创新点,对今后要做的研究工作进行了设想。

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1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 研究内容和目标

1.3 国内外现状与应用进展

1.4 论文结构安排

2 带执行器节点的无线传感器网络

2.1 引言

2.2 网络特点与体系结构

2.3 网络协议栈与协同策略

2.4 网络系统节能

2.5 网络安全

2.6 本章小结

3 带执行器节点的无线传感器网络协同算法

3.1 引言

3.2 无线传感器网络协同问题

3.3 带执行器节点的无线传感器网络协同模型

3.4 基于Voronoi图的传感器-执行器协同算法

3.5 基于事件驱动分簇的传感器-执行器协同算法

3.6 本章小结

4 带执行器节点的无线传感器网络密钥预分配方案

4.1 引言

4.2 无线传感器网络密钥管理方案分类

4.3 无线传感器网络密钥管理方案

4.4 带执行器节点的无线传感器网络密钥预分配方案

4.5 本章小结

5 带执行器节点的无线传感器网络混沌保密通信系统

5.1 引言

5.2 混沌同步

5.3 混沌同步在保密通信中的应用

5.4 带执行器节点的无线传感器网络混沌保密通信系统

5.5 本章小结

6 基于传感器网络的大坝安全监控系统

6.1 引言

6.2 系统框架

6.3 传感器节点设计

6.4 系统节能策略

6.5 节点的协同策略

6.6 实时保密通信

6.7 试验与结果分析

6.8 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 创新之处

7.3 研究展望

致谢

参考文献

附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录B 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系

附录C 攻读博士学位期间参与的科研课题和申请专利