随着我国工业的快速发展,大量化工燃料被应用到工业生产过程中,其产生的诸如Cl₂、CO、NO₂、SO₂等有害气体如果被大量排放到空气中,不仅会造成环境污染、影响生态平衡,还会导致中毒、火灾、爆炸等灾难性事故的发生,严重危及人民生命财产安全。为了保护人类赖以生存的自然环境,同时防止不幸安全事故的发生,对有害气体泄漏情况进行有效检测是十分必要的。经典的有害气体检测主要有有线固定装置和便携式仪器等检测方法,存在灵活性差、实时性低、泄漏点定位不准确等缺点,无线传感网凭借其成本低、实时性高、协作性好等特点为实现远程检测有害气体提供了一个新思路。但无线传感网是个资源受限的网络,如何在保证网络覆盖率的前提下,进一步实现降低节点冗余、均衡能量消耗、延长网络生存期,是无线传感网在有害气体检测应用中的技术热点和难点。本文针对工业环境下无线传感网有害气体检测这一问题,分别从移动检测节点研制、无线传感网覆盖空洞修补、环境数据采集及传输等方面进行研究,主要研究内容如下:1.有害气体无线传感网移动检测节点的研制。针对工业环境中静态稀疏无线传感网节点无法移动且数量有限,不能有效对检测区域每一个泄漏位置完全覆盖的问题,研制基于多传感器的有害气体无线检测系统。该系统可实现Cl₂、CO、NO₂、SO₂四种有害气体的远程无线检测,其前端检测设备可作为无线传感网组网过程中的移动检测节点,以提高网络检测覆盖率。2.研究混合无线传感网覆盖空洞修补方法。针对有害气体泄露区域预先不能确定,静态传感器节点随机分布易产生覆盖空洞,而经典的覆盖空洞修补方法采用移动传感器节点随机覆盖,存在着覆盖率较低,资源浪费大等问题,提出具有优先机制的混合无线传感网覆盖空洞修补算法。该算法可通过覆盖空洞的范围大小确定修补优先级进行空洞覆盖,进而提高网络覆盖率。此外,针对该算法在空洞覆盖点较近时出现的覆盖重合问题,进一步研究改进的优先级空洞修补算法,以降低节点冗余,平衡资源分配。3.研究基于非均匀分簇的无线传感网数据传输方法。针对经典分簇路由协议容易导致离基站越近的簇头节点能量消耗大,而出现过早死亡的问题,提出一种非均匀分簇的路由协议。该协议引入竞争半径概念,使距离基站越远的节点竞争半径越大,成簇规模越大,距离基站越近的节点竞争半径越小,成簇规模越小,使其节省出更多的能量用于数据转发。同时为了进一步优化网络能耗,在簇头选取阶段,综合考虑相对剩余能量、相对距离、相对密度、相对中心度等指标因素,运用熵权法得出最优簇头,再依据距离和能量建立代价函数完成簇间通信,以此实现降低网络能量损耗,延长生存周期的目的。4.研究基于压缩感知的无线传感网数据采样方法。因网络中的各传感器节点能源受限,严重影响网络的生存周期。压缩感知理论可以对稀疏信号进行压缩,并以高概率重构出原始信号,进而降低信号采样代价。工业环境中无线传感器网的异常有害气体浓度通常具有稀疏特性,针对无线传感网络数据采样代价高的问题,以压缩感知理论为基础,采用基于优化平滑l₀范数最小化算法,在降低采样频率的前提下对采集的有害气体浓度数据进行压缩和重构。该算法通过下降迭代算法求解l₀范数最小化问题,再通过求解稀疏解还原出原始信号,可以有效降低无线传感网的采样代价。