无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究

论文摘要

无线传感器网络具有布线成本低、监测精度高、容错性好、可远程监控、便于诊断与维护等众多优点，在环境监测、事故定位救援等领域有着广阔的应用前景，其根本任务是准确获取物理世界的有价值信息。无线传感器网络借助于节点的时间与位置信息，实现传感器节点之间控制和传感数据高速率、低延迟的交换，以保证整个检测与控制系统的准确性与实时性。无线传感器网络面临计算、存储与网络资源等方面的限制，针对如何进行无线传感器网络中节点高效、低能耗的定位以及覆盖等问题展开研究具有十分重要的意义。作者将研究成果应用于煤矿安全监测领域，设计了煤矿井下的瓦斯监测和矿工定位以及节点覆盖的解决方案。本文的主要研究工作：1．研究和分析了无线传感器网络节点定位算法的自身特点，结合煤矿监测系统的应用背景需要，设计了一种基于DV-Hop算法和概率栅格方案的新节点定位算法。新算法在不需要额外硬件设施的前提下，能获得更高的定位精度；并针对原DV-Hop算法中因全局洪泛而导致大量系统能耗的缺点，提出了基于露珠洪泛思想的节能方案。为煤矿井下矿工定位和矿难救援提供了一种具有广泛应用前景的解决方案，并对改进算法做了系统仿真和数据分析。2．研究和分析了无线传感器网络中节点边界定位的相关算法和节点覆盖方案，提出了一种基于对冗余节点进行优化调度理论的节点节能覆盖方法。该方法利用网络中同时存在大量冗余覆盖节点集的情况，对这些集合进行工作／休眠模式转换，在保证网络覆盖的前提下，减少大量节点的工作时间，以提高网络生存寿命。仿真实验证明此算法在保证较高网络覆盖率的同时，较一般无线传感器网络覆盖算法具有更长的生存时间。3．基于上述方法，设计了一种基于瓦斯有线光纤传感监测和矿工无线传感器网络节点定位的煤矿井下监测系统。为了适应远程测控、快速救援等实际应用，对基于有线光纤传感的瓦斯监测系统和基于ZigBee协议的无线传感节点定位系统进行了分析与研究，广泛结合二者的优点，设计了一种基于混合传输方式和供电方式的煤矿监测系统方案。并引入参考节点组技术，解决实际应用中矿工节点动态性定位的问题。利用无线传感器网络进行复杂环境监测的研究，涉及微电子、光纤传感、计算技术和无线通信等多个领域，许多知识和技术都是若干学科的交叉，因此，其理论的深入研究和技术的开发应用尚有大量艰巨的工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 相关研究领域及其发展现状
• 1.2.1 无线传感器网络的研究现状
• 1.2.2 无线传感器网络的应用范围
• 1.2.3 节点定位技术的研究现状
• 1.2.4 无线传感器网络节点节能覆盖技术的研究现状
• 1.2.5 无线传感器网络仿真平台的研究现状
• 1.3 存在的问题和研究目标
• 1.3.1 节点定位
• 1.3.2 节点覆盖
• 1.3.3 煤矿监测系统
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 本文结构安排
• 第2章 无线传感器网络节点定位算法分析与比较
• 2.1 节点定位技术的基本原理
• 2.1.1 节点定位问题概述
• 2.1.2 定位模型及基本途径
• 2.2 定位算法的分类
• 2.2.1 基于测距与无需测距
• 2.2.2 分布式与集中式
• 2.2.3 粗粒度与细粒度
• 2.3 典型的定位算法
• 2.3.1 质心定位算法
• 2.3.2 凸规划定位算法
• 2.3.3 MDS-MAP 算法
• 2.3.4 APIT 定位算法
• 2.3.5 DV-Hop 算法
• 2.3.6 Amorphous 定位算法
• 2.4 定位算法的评价标准
• 2.5 算法分析与比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 局部跳数概率栅格定位算法的研究
• 3.1 传统的 DV-Hop 定位算法
• 3.2 露珠洪泛法
• 3.2.1 露珠洪泛法
• 3.2.2 露珠洪泛法的特点
• 3.3 改进的定位算法──局部跳数概率栅格算法
• 3.3.1 算法分析
• 3.3.2 局部跳数概率栅格算法
• 3.3.3 节能洪泛方案
• 3.3.4 方案分析
• 3.4 仿真实验
• 3.5 类 DV-Hop 算法仿真平台
• 3.6 本章小结
• 第4章 节点边界定位算法分析与比较
• 4.1 节点边界定位的概念
• 4.2 三个常用的边界定位算法
• 4.2.1 统计方法
• 4.2.2 分类器方法
• 4.2.3 使用图像处理的边界定位方法
• 4.3 算法分析与比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 无线传感器网络节点覆盖的研究
• 5.1 无线传感器网络的简单覆盖模型
• 5.2 无线传感器网络覆盖问题的分类
• 5.2.1 按覆盖区域分类
• 5.2.2 按目标特性分类
• 5.3 评价无线传感器网络覆盖控制算法的主要指标
• 5.4 Node Self -Scheduling 覆盖控制算法
• 5.4.1 基本原理与实现方法
• 5.4.2 冗余节点的判断
• 5.4.3 盲点的判断与消除
• 5.5 暴露穿越覆盖
• 5.6 两种覆盖方案的分析和比较
• 5.7 质心节能覆盖和节能覆盖节点集方案
• 5.7.1 覆盖与定位
• 5.7.2 无线传感器网络节能覆盖和质心覆盖法
• 5.7.3 选择覆盖网络传感器节点集的方法
• 5.7.4 模拟分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 煤矿井下监测系统设计方案
• 6.1 煤矿监测系统的概念与特点
• 6.2 监测系统分类
• 6.2.1 煤矿瓦斯浓度监测系统
• 6.2.2 矿场矿工定位系统
• 6.3 系统分析与设计方案
• 6.3.1 瓦斯浓度监测系统分析
• 6.3.2 井下矿工定位系统分析
• 6.3.3 煤矿监测系统方案
• 6.4 动态节点定位
• 6.4.1 动态节点定位算法的分析与设计方案
• 6.4.2 网络的扩充与缩减
• 6.4.3 参考节点组 RNG
• 6.4.4 参考节点组 RNG 的建立
• 6.5 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 本文的主要工作和创新点
• 7.2 下一步主要工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和其它相关研究成果