面向城市感知的无线传感器网络低功耗技术研究

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“城市病”问题是城市发展步伐加快所带来的后果,人口膨胀、资源短缺、安全隐患、环境污染、交通堵塞等均为其具体表现。智慧城市的出现为“城市病”问题提供了可行的智能解决方案,给人类的衣食住行带来了创造性变革。城市感知网络为智慧城市的建设提供了一系列城市基础设施的实时监测数据,据此可以服务于城市各行各业,造福城市居民。大力建设智慧城市已成为目前国内外城市的主要发展趋势。无线传感器网络(Wireless Sensor network,WSN)应用于城市感知网络,配合各种传感器,以数据为中心,服务为宗旨,实现对城市基础设施的智能化监控和管理。搭建感知网络框架,结合WSN中亟待解决的低功耗问题,本文提出从单节点硬件设计和网络层中继节点部署两个方面对网络能耗进行研究。本文的主要研究内容如下:(1)提出了一种面向城市感知的传感器节点硬件设计方案。针对城市感知网络的特点对传感器节点硬件需求、架构进行了分析,以低功耗为主要设计目标,确定了传感器节点的主控芯片、射频芯片等型号,并对相关外围电路进行了分析和设计,最终实现硬件系统的搭建。(2)提出了一种改进的差分进化算法。该算法弥补了标准差分进化算法的不足——易陷入局部最优和出现早熟收敛现象。根据算法特性,本文提出了两种改进思路:一种是自适应参数控制,另一种是多差分策略选择。根据这两种思路分别阐述了其改进原理,并选取了五组不同特性的测试函数,通过MATLAB编写仿真程序对该方法进行了验证。结果表明算法能较快完成收敛,不易陷入局部最优解,且在一定程度上避免了早熟现象的出现。(3)提出了一种面向城市感知的网络模型,通过引入中继节点来控制整个网络能耗。本文采用迪杰斯特拉算法以寻找能量最优路由路径,并利用改进差分进化算法最小化网络平均能耗,从而获取中继节点部署信息。通过仿真实验结果,分析了改进差分进化算法的有效性以及能耗优化所取得的效果。(4)完成了城市建筑周围白蚁灾害监测系统的测试。结合实际工程项目,对传感器节点的性能、功耗进行了测试,得出了节点硬件的低功耗水平。最后依据优化算法得出的结果部署了中继节点,有效地降低了网络的整体能耗。
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