【毕业学位论文】（Word原稿）基于地理位置信息的集群结构无线传感器网络路由协议的研究-控制理论与控制工程

1 广东工业大学硕士学位论文 （工学硕士） 基于地理位置信息的集群结构无线传感器网络路由协议的研究 林观康 二一 年 五 月 2 分类号： 学校代号： 11845 密级： 学 号： 2110704258 广东工业大学学位论文 （ 工 学 硕 士 ） 基于地理位置信息的集群结构无线传感器网络路由协议的研究 指导教师姓名、职称： 教授 企业导师姓名、职称： 无 专业 或 领域 名 称： 控制理论与控制工程 学 生 所 属 学 院： 自动化学院 论 文 答 辩 日 期： 2010 年 5 月 3 11845 o.:2110704258 A s on 010 510006 摘要 I 摘要 无线传感器网络（ 成了传感器、嵌入式计算、现代网络和无线通信等技术，被认为是对 21 世纪产生巨大影响力的技术之一。无线传感器网络中节点的能量非常有限，因此如何有效利用无线传感器网络有限的能量资源、设计能量高效的路由协议来平衡能量负载及延长网络的生存时间十分必要。 对于 应用于 农田土壤 监测系统 之类的 大规模无线传感器网络，集群结构类的路由协议更能节省无线传感器网络的能量损耗。在集群结构协议中，簇的生成及把特定工作分配到簇首，极大地提高了整个系统的可扩展性和延长了网络寿命。 本文对当前常用的集群结构路由算法进行归纳，整理这些算法的优缺点； 对路由算法的应用主体 农田土壤 监测系统 的各个组成部分进行详细设计； 并针对 该 监控系统 节点的数据需有地理位置相关性及节点数量众多 的特点， 提出 将基于地理位置信息的路由算法及集群结构的路由算法进行结合， 利用地理位置信息进行成簇及簇首选择的思想 。 本文还设计了 两 种基于 节点地理位置信息的集群结构路由算法 法首先利用节点的地理位置信息一次性分布式成簇，然后根据分布式区域内节点的剩余能量及地理位置进行簇首选择，由簇首负责收集本簇内的传感信息并进行数据融合，此外还设立了次簇首负责簇间的数据转发，把数据发送到汇聚节点 ( 法针对多跳路由中出现的“热区”问题提出与 法不同的分簇方式，使簇间能量损耗更均衡。 理论分析及 真结果表明 这两种 算法能有效地节约节点能量、延长网络寿命，并减小了通信时延，具有较好的路由性能 ；该 算法也有效地应用于 农田土壤 监测系统 中 。 关键词： 无线传感器网络；路由；集群结构；地理位置信息；能量 ； 农田土壤 广东工业大学硕士学 位论文 of its as of 1st SN to a to to is To a SN as In to of of of of to to to on on of up on to at of on S2 it it a 录 录 摘要 . I . 录 . . V 第一章 绪论 . 1 题研究背景及意义 . 1 究背景及意义 . 1 目来源 . 3 内外研究现状 . 3 论文的主要研究内容及结构 . 6 第二章 农田土壤监测系统设计 . 8 田土壤监测系统设计要求 . 8 线传感器网络监测体系结构 . 9 感器节点 . 10 关节点设计 . 14 程监控中心 . 17 无线传感器网络监测系统的特点 . 19 章小结 . 20 第三章 无线传感器网络路由协议分析 . 21 线传感器网络的关键技术 . 21 感器网络的路由协议设计目标 . 22 线传感器网络路由协议分类 . 23 型无线传感器网络路由协议分析 . 24 泛 /受限洪泛路由算法 . 25 数据为中心的路由算法 . 25 群结构路由算法 . 26 于地理信息的路由算法 . 29 由协议的比较分析 . 31 广东工业大学硕士学 位论文 章小结 . 31 第四章 基于地理位置信息的集群结构路由算法设计 . 33 法思想 . 33 法的前提 . 33 法设计 . 34 始化阶段 . 35 定工作阶段 . 39 法设计 . 43 跳路由中的热区问题 . 44 法 . 44 法扩展性分析 . 46 章小结 . 46 第五章 仿真及应用 . 48 真环境 . 48 真参数设置 . 50 真步骤 . 51 真结果分析 . 54 络寿命仿真 . 54 络剩余能量仿真 . 56 络传输时延 . 56 田土壤监测应用 . 57 章小结 . 60 结论与展望 . 61 参考文献 . 62 攻读学位期间发表的学术论文 . 67 攻读学位期间参加的科研项目 . 68 独创性声明 . 69 致谢 . 70 附录 1 传感器节点路由算法部分代码 . 71 . I . . V . 1 . 1 . 1 . 3 . 3 . 6 of . 8 2.1 of . 8 2.2 of . 9 . 10 . 14 . 17 2.3 of . 19 . 20 SN . 21 3.1 . 21 SN . 22 SN . 23 of SN . 24 . 25 at . 25 . 26 . 29 . 31 广东工业大学硕士学 位论文 . 31 . 33 of . 33 of . 33 . 34 . 35 . 39 . 43 in . 44 . 44 . 46 . 46 . 48 . 48 . 50 . 51 . 54 . 54 of . 56 . 56 of . 57 . 60 . 61 . 62 . 67 . 68 . 69 . 70 of . 71 第一章 绪论 1 第一章 绪论 题研究背景及意义 究背景及意义 无线传感器网络 被认为是 21 世纪人类信息研究领域所要面临的主要挑战之一 1。无线传感器网络定义为：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络、其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间 2。无线传感器网络一般包括传感器节点和网关节点两部分，传感器节点分布在特定的工作区域中，采集该区域的传感数据，然 后通过自组织的网络把数据发送到网关节点，网关节点通过其它宽带网络转发到远端的监控中心。 未来应用将超出我们的想象力。在军事上，使用声音、压力等传感器可以侦探敌方阵地动静，人员、车辆行动情况，收集敌 方 信息情报，实现战场实时监督和战场损失评估等 3；在商业上，无线传感器网络可实现家居环境和工作环境智能化，以及仓储管理智能化；在医疗上，可以远程实时监控病人身体状况，如实时掌握病人所处地理位置，以及病人血压、血糖、脉搏等情况，一旦发生危急情况可在第一时间实施救助；在环境方面，有 农业立体污染监测 、 河道水文监 测、江河水质监测和水灾预警等作用。 在农业方面，农业是国民经济的基础，农业的可持续发展将直接影响我国整个社会经济的发展。目前，我国 农产品与农田环境的安全形势正日趋严峻 。随着工业化、现代化和社会经济的快速发展，人口的急剧增长，以及人类对资源不合理利用，工业“三废”及生活废弃物的排放引发的环境污染，化肥、农药、生长激素、农用塑料薄膜等化学物质的大量使用，规模化养殖业的发展带来的禽畜废弃物增加，工业废弃污染物的农业利用及农田废弃物不合理处置等，已造成了农业系统中水体 生物 合、交叉与循环污染（ 即有关专家提出的“农业立体污染”），极大地影响了农业生态系统的稳定及其功能的发挥，从而严重威胁我国农产品的安全生产。构建农田污染信息系统，提高对农田系统立体污染灾情的监测与预报能力，非常必要。传统的农田污染信息的采集靠人力对各个采样点进行人工采集信息再录入计算机系广东工业大学硕士学 位论文 2 统。也有应用 线网络进行监控的，但不能对监控区域进行精确的数据采集。根据无线传感器网络在农业上广阔的应用前景，建立基于无线传感器网络的 农田土壤监 测 系统，提高农田污染信息采集的自动化程度及数据采集点的精确度，再组合适合于远程数据传输技术 可远程地对农田 土壤 污染区域进行大范围、远程、实时、精确的监控。 有广阔的应用前景，但节点能量、带宽、储存空间等因素严重影响了它的大规模应用。而路由协议是无线传感器网络的核心技术之一，它的性能和整个网络的性能密切相关，它的主要设计目标是满足应用需求的同时尽量降低网络开销，取得资源利用的整体有效性，扩大网络容量，提高网络吞吐率。因此设计一个高效的路由协议，显得格外重要。 在无线传感器网络涉及的基本网络协议中，路由协议属于一项极为重要的核心技术 4。在研究的初期，人们曾经一度认为成熟的 术加上 由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明，无线传感器网络和传统的无线网络有着明显的不同 5。 路由协议的设计主要面临的问题和挑战有： 1、 传感器节点能量受限，节能成为路由协议最主要的优化目标 无线传感器网络中节点的一般采用电池供电，节点大部分情况下分布于无人看守的环境中，电池不能补充和更换，节点能量受限。而无线传感器网络节点的工作过程中，大部分能量消耗在无线通信里。因此，研究低功耗的通信路由协议极为迫切。 2、网络规模巨大，其路由协议必须具有高可扩展性 持的节点可以达到上千个，如此巨大的规模，必须要有一个扩展性很高的路由协议来支持。 3、传感器网络拓扑变化性强 的网络拓扑变化主要是因为无线 通信 的冲突而产生的拓扑不稳定、节点的移动以及节点的失效等，当网络规模很大时，这些因素引起的网络拓扑变化会很频繁。这需要设计既能适应高度的拓扑变化，时延又小的路由协议 4、传感器网络路由中使用数据融合技术 为了减少流量和能耗，传输过程中的转发节点经常将不同的入口数据融合成数目更少的出口数据转发到下一跳。采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调第一章 绪论 3 整。 5、 传感器网络中流量分布不均匀 越靠近 点，链路的流量越高，相应节点的负载越重，寿命就越短。因此，流量分布不均匀造成功耗分布不均匀，并直接导致网络生存时间的缩短。 本 文以农田土壤监测为应用对象， 研究无线传感器网络中的能量高效路由协议技术。针对农田土壤监测应用中监测数据与节点地理位置密切相关的特点，选择设计基于地理位置信息的路由算法；根据监测应用中网络规模大、可扩展性要求高的特点，选择设计集群结构路由算法；根据传感器节点位置基本不变化的特点，对网络进行一次性分簇；针对多跳路由中出现的“热区”问题，对分簇方 法进行改进。 目来源 本课题来源于国家自然科学基金项目 （ 编号： 60673132） ： 感器网络关键问题研究； 2007 年粤港关键领域重点突破项目 (2007珠江三角洲农田系统立体污染监测信息化关键技术与示范（合作） 。 内外研究现状 传感器网络的研究起步于 20 世纪 90 年代末期。从 21 世纪开始，传感器网络引起了军界、工业界和学术界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划 6。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资