基于WSN的污水监测系统拓扑控制算法研究

摘要

水是人类社会生存和进步不可替代的资源与保障。通过对城市污水快速高效的处理，不仅可以保障城市稳定持续地供水，也可以使有限的水资源得到循环利用，达到生态环保的目的。针对传统的污水监测系统存在花费造价高、自动化程度低、监测数据不能及时采集等缺陷，本文提出了一种基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的污水监测系统，并重点研究与改进网络拓扑控制算法。
　　课题源于陕西省科学技术研究发展计划项目，对西安市第三污水处理厂污水水质实施监测。在此监测系统中，高效优化的网络拓扑结构控制，既能有效减少传感器节点的能耗，也为监测网络MAC协议和路由协议效率的提高、时间同步和数据融合等方面的实现奠定基础。本文对多种经典拓扑控制算法进行分析对比，结合污水监测过程的性能要求，选择使用低功耗自适应算法(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)。针对LEACH算法在簇头数目的选择随经验确定、簇头节点等概率随机选举机制和单跳通信的数据传输方式三个方面的不足，提出了一种基于最优簇头数目、能量和距离及多跳传输方式的改进LEACH算法。
　　利用MATLAB软件，通过仿真实验分别从网络拓扑结构图、网络工作寿命和网络剩余能量三个方面对LEACH算法和改进算法进行比较分析。仿真得到的结果表明:相较于LEACH算法，本文提出的改进算法对系统的拓扑结构进行了优化，使节点分簇更加均匀，延迟了死亡节点的出现时间，有效降低了网络节点的能量消耗，增加了污水监测系统的使用年限。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 污水监测国内外研究现状

1．3．2 WSN国内外研究现状

1．3．3 WSN拓扑控制国内外研究现状

1．4 论文研究内容与结构安排

2 基于WSN的污水监测系统概述

2．1 课题来源

2．2 基于WSN污水监测系统介绍

2．2．1 WSN简述

2．2．2 系统整体架构

2．2．3 水质监测参数

2．2．4 传感器节点结构

2．2．4 协议栈结构

2．3 基于WSN污水监测系统关键技术介绍

2．3．1 拓扑控制

2．3．2 节点部署

2．3．3 能量调配

2．3．4 数据融合

2．3．5 通信协议

2．4 本章小结

3 基于WSN的污水监测系统拓扑控制算法分析

3．1 拓扑控制对污水监测系统的意义

3．2 WSN拓扑结构分类

3．3 WSN拓扑控制算法分类

3．3．1 功率控制算法

3．3．2 层次拓扑控制算法

3．3．3 不同拓扑控制算法的比较

3．4 面向污水监测系统拓扑控制算法的性能要求

3．5 污水监测系统拓扑控制算法的选用

3．6 本章小结

4 LEACH算法面向污水监测系统的分析与改进

4．1 能耗模型

4．2 LEACH算法介绍

4．2．1 簇的产生时期

4．2．2 稳定传输阶段

4．3 LEACH算法分析

4．4 LEACH改进算法设计思路

4．5 LEACH改进算法工作步骤

4．5．1 最优簇头概率

4．5．2 簇头选取机制

4．5．3 多跳传输方式

4．6 本章小结

5 算法仿真与结果分析

5．1 仿真环境介绍

5．2 算法仿真及性能分析

5．2．1 比较算法的簇头分布状况

5．2．2 比较算法的网络生存周期

5．2．3 比较网络的剩余能量

5．3 污水监测系统应用指标分析

5．3．1 WSN网络规模

5．3．2 Sink节点位置

5．3．3 最优簇头数目

5．4 本章小结

6 结论

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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