基于无线传感网络的能量有效跟踪系统关键技术研究

摘要

无线传感网络是由大量微传感节点间的相互协作来完成某一特定任务的自组织网络。作为一种新兴技术，无线传感网络有着广泛的应用前景，而定位跟踪正是无线传感网络的重要应用之一。 在基于无线传感网络的跟踪应用中，能量有效性与定位跟踪精度是系统的主要衡量因素。在监测区域内没有被跟踪目标时，由于无线传感网络的节点通常是能量受限的，因此希望在保证对监测区域覆盖的情况下，通过关闭节点的无线电来节省能量，进而提高整个网络的生命周期。当目标进入监测区域时，能通过有效的节点定位机制来跟踪目标，对目标进行实时定位跟踪。 针对于此，本文主要研究能量受限的定位跟踪系统中的两个关键问题：面向跟踪应用的节点调度问题研究和面向室内环境的实时定位跟踪问题研究；最后，在上述理论研究基础上，开发了基于无线传感网络的面向矿山井下矿工定位跟踪系统。 构造无线传感网络中具有连通覆盖特性的节点子集是实现网络休眠调度、延长网络生命周期的关键技术之一，具有重要的研究意义。已有的研究大多侧重于k覆盖节点子集构造问题，在一定条件下k覆盖子集能满足k连通，但通过构造k覆盖节点子集来实现k连通会耗费过多的节点，代价较大。因此，本文提出了一个构造k连通1覆盖节点子集的算法--CPC，能够用较少的节点构造一个既能满足网络的覆盖特性又能够满足k-连通特性的节点子集。本文证明了该算法的正确性，并通过仿真实验与相关算法进行了性能比较。结果表明，与已有的k覆盖算法相比，CPC算法能够节省约55％的节点数。 在室内环境中，由于建筑结构复杂，且室内的射频传播特性受到多径干扰等因素的影响，因此室外定位系统不能简单地移植到室内环境中，需要针对室内环境的特点，重新设计适用于室内的定位跟踪系统。本文中，作者提出了基于RSSI信号的室内定位方法AIT。该方法首先通过区域定位算法BCA确定移动节点处于哪个区域，然后再通过点定位算法SGL对移动节点在该区域内进行精确的点定位，确定移动节点在区域内的具体位置。一旦确定移动节点所处的区域，则点定位时将只使用该区域内的锚节点信息进行定位，这样可以提高点定位的精度。同时，AIT方法适用于不同规模的区域，因此适用范围更广。实验结果表明BCA算法将MERIT系统的区域定位准确度从71％提高到86％，而SGL算法与Ecolocation算法相比减少了32％的定位误差。 基于上述理论研究的基础上，开发了基于无线传感网络的矿山井下定位跟踪原型系统，本文着重介绍了系统服务器端的各功能模块的设计。目前该系统正处于验收阶段。 本文的主要贡献及创新点如下： 1、首次提出了构造覆盖保持的k-连通节点子集的CPC算法，实现了用较少的节点便能满足网络覆盖又与k-连通特性，从而使得网络中其他节点可以进入休眠状态，节省整个网络的能量消耗，延长了网络寿命。 2、将室内定位划分为区域定位和点定位两个过程。其中，区域定位算法BCA提出了基于区域关联图的概念，设计了精确的区域判定机制；点定位算法SGL提出了基于格划分的概率定位算法，有效提高了定位精度。实验结果表明该方法与以往的系统相比，在定位精度上有较大的提高。 3、基于上述理论研究的基础上，研究开发了基于无线传感网络的煤矿井下定位跟踪原型系统。目前该系统正处于验收阶段。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2无线传感网络概述

1.2.1无线传感网络体系结构

1.2.2传感器节点结构

1.2.3无线传感网络的特点

1.2.4无线传感网络的应用及未来前景

1.3无线传感网络研究体系

1.3.1通信体系研究现状

1.3.2中间件研究现状

1.3.3应用系统研究现状

1.4无线传感网络研究的热点问题

1.5本文的结构安排

第二章无线传感网络中定位跟踪系统介绍

2.1目标跟踪的研究背景及其意义

2.1.1研究背景

2.1.2研究意义

2.2无线传感器网络在目标跟踪中的应用优势

2.3无线传感网络中的定位跟踪技术

2.3.1传感器网络中的节点定位

2.3.2无线传感网络中已有的目标跟踪系统

2.3.3目标跟踪系统需要考虑的问题

第三章跟踪系统中能量有效问题的研究

3.1引言

3.2相关概念及定义

3.2.1 0-1感知模型

3.2.2覆盖

3.2.3连通

3.2.4 (a，b)连通覆盖

3.3已有的研究成果

3.4问题模型

3.4.1前提假设

3.4.2问题定义

3.5算法描述

3.5.1算法设计

3.5.2算法的正确性证明

3.6实验模拟

3.6.1实验环境描述

3.6.2实验结果及分析

3.7本章小结

第四章跟踪系统中定位问题的研究

4.1引言

4.2相关工作

4.3室内定位系统设计

4.3.1环境简介

4.3.2系统结构

4.3.3区域定位算法

4.3.4点定位算法

4.3.5实验结果

4.4本章小结

第五章煤矿井下定位跟踪原型系统设计开发

5.1引言

5.2硬件需求

5.3体系结构

5.3.1结点端

5.3.2服务器端

5.3.3信息发布端

5.4服务器端的设计

5.4.1数据采集模块设计

5.4.2消息池模块设计

5.4.3状态更新模块设计

5.4.4定位算法模块的设计

5.4.5数据存储模块设计

5.5系统的运行框架和环境

5.6本章小节

第六章总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果