无线传感器网络数据融合研究及测试床硬件系统设计

摘要

传感器技术、微电子技术、现代网络和无线通信技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络在工业、医疗和民用等诸多领域具有极大的应用价值，因此成为IT领域中的学科前沿和研究热点。 无线传感器网络的基本功能是收集并返回其传感器节点所在检测区域的信息。为保证信息的有效性，无线传感器网络由密集的传感器节点组成。无线传感器网络中单个节点的资源十分有限，特别是在电池能量、处理能力、存储容量和通信带宽等几个方面。这就决定了无线传感器网络的协议栈的设计必须以能量有效性为首要的考虑因素。数据融合是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程，达到节省能量的目的。 本文介绍了数据融合技术的概念、特点和国内外的研究现状。选择这个题目的意义体现在节约传感器节点的能量、获得更准确的信息和提高数据收集效率。理论上的创新体现在提出一种簇状汇聚头融合算法，实践上解决了测试床硬件结构设计中遇到的问题，得到了相关的实验数据，为以后深入研究打下基础。 考虑单一事件驱动的网络环境，基于图论中独立集的理论知识，结合无线传感器节点高密度抛洒的实际应用条件，提出了一种寻找簇状汇聚头来实现数据融合的节能分布式算法。算法包括建立级别梯度场、寻找簇状汇聚头、建立融合树和汇报数据四个过程。在节点密度稠密和稀疏两种情况下，仿真了算法建立融合树的过程。通过数学推导和程序仿真，与最短路由算法进行比较，表明簇状汇聚头融合算法能有效地提高网络的生存期，具有高效能、低延时、可扩展性好、时间复杂度和消息复杂度低的特性。 测试床的硬件系统的结构设汁主要利用工业总线来替代无线介质，并通过实验论证这种替代的合理性。在此基础上，简单介绍算法在测试床上的软件实现过程。得到仿真图，验证了算法的有效性。

目录

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第一章绪论

1.1无线传感器网络的特点

1.1.面积分布广阔

1.1.节点能量有限

1.1.网络自动配置

1.1.网络自动管理

1.1.5网络自身特点

1.2无线传感器网络的结构

1.2.通信结构

1.2.节点结构

1.3无线传感器网络的组网过程

1.4无线传感器网络的应用及研究现状

1.4.1无线传感器网络的应用

1.4.2无线传感器网络的现状

1.5无线传感器网络的主要研究课题

1.5.1网络安全协议

1.5.节点移动性管理

1.5.4系统功耗问题

1.6本文的选题意义和研究内容

1.6.1选题意义

1.6.2研究内容和创新点

第二章数据融合在无线传感器网络中的应用

2.1引言

2.2无线传感器网络的拓扑结构的分类

2.2.1平面网状网

2.2.2平面簇状网

2.2.3平面树状网

2.2.4层次结构网

2.3无线传感器网络中的数据融合

2.3.数据融合的定义

2.3.2融合度

2.4无线传感器网络中数据融合的作用

2.4.1降低网络能耗

2.4.2获得更准确的信息

2.4.3提高数据收集效率

2.5数据融合的分类

2.5.1从对数据的信息处理的角度

2.5.2从实现数据融合的协议层次的角度

2.5.3根据融合操作的级别划分

2.6网络层中的数据融合

2.6.1路由方式

2.6.2最优和次优融合方案

2.7数据融合对网络其他的影响

2.8本章小结

第三章基于事件驱动的簇状汇聚头融合算法

3.1引言

3.2无线传感器网络中现有的数据融合算法

3.3基于事件驱动的融合算法

3.3.1事件驱动相关介绍

3.4基于事件点驱动的簇状汇聚头融合算法

3.4.1算法思想

3.5簇状汇聚头融合算法描述

3.5.1建立级别梯度场

3.5.2寻找簇状汇聚头

3.5.建立融合树

3.5.4汇报数据

3.6簇状汇聚头融合算法仿真

3.7簇状汇聚头融合算法优越性

3.7.1网络节点密度对能耗的影响

3.8本章小结

第四章测试床硬件的设计和算法的实现

4.1测试床系统的原理

4.2测试床的硬件设计

4.2.1通信介质的选择

4.2.2最高速率的典型电路

4.2.3硬件结构合理性的论证

4.3算法在测试床上的软件实现

4.3.软件系统功能简单介绍

4.3.2算法实现过程的简介

4.4算法在测试床上的运行结果

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢