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随着无线通信技术和传感器技术的飞速发展以及国家对科技创新的日益重视,物联网(Internet of things)技术已成为当前的研究热点。传感网是无线传感器网络(Wirelesssensor networks)的简称,也是物联网技术的一个重要组成部分。近十年来,对传感网的研究已经得到了长足的发展。由于大量无线传感器节点工作可能长时间工作在恶劣的环境中,其设计和制造需要遵循低成本、低功耗的设计原则。为此,对传感网中节点能耗的降低和能量分布的优化,一直是研究人员的工作重点之一。
本文以传感网用于湿地环境保护、太湖流域蓝藻爆发监测和室内办公环境监控为应用背景,结合这些应用所构建网络的多跳传输特性,指出了静止的基站在数据传输时可能造成的“漏斗效应”,然后引入移动基站并表明使用移动基站进行网络能量优化、均衡网络负载、延长网络寿命的必要性与可行性。
在分析了研究领域有关使用移动基站进行网络能量优化的相关工作后,本文针对已有工作所存在的控制开销大、不适用于节点非均匀分布的传感网等问题,参照物理学中计算多个质点组成物体的中心的方法,提出了网络“能量中心”的概念,用该点作为指引基站移动和停靠位置的最佳点,这种方法称为能量中心法(ECM)。它的特性使得它适用于分布式计算的应用场合,拥有较少的控制开销。
根据ECM方法以及特点,本文设计并在NS-2仿真平台下实现了基于该计算方法的分布式基站引导策略(DLING)。该策略利用分布式的计算方法,逐跳将能量信息整合,最终能使基站计算出网络中的能量中心,并向该点进行移动。在NS-2仿真平台上进行的实验结果表明,DLING策略与传统策略相比能够延长网络的使用寿命,均衡网络能量分布。
基于ECM方法,本文又提出了分簇网络中利用移动基站的能量优化策略(CIND)。它利用室内环境中可用的智能移动设备资源作为备选的基站,同时将网络分为若干个簇,使得同一簇的节点更容易使用ECM找到最优的基站,进行数据传输。利用仿真平台,本文对CIND策略的性能进行了评估,并与传统网络和单纯使用DLING策略的网络进行对比,以此来说明CIND策略的优越性。
最后本文设计实现了适用于多个基站分簇采集数据的传感网数据管理系统EasiView。该系统基于JavaSE6平台搭建,具有数据的接收、解析、显示、保存功能,并且所有功能均实现了模块化与松耦合,因此能方便地进行修改和扩展。EasiView系统广泛使用于中科院计算所传感器网络实验室所承担的多个项目中,包括故宫文物环境监测项目、“感知太湖”蓝藻监测项目、广东怀集南药基地高速传感器网络环境监测项目以及江苏大丰麋鹿保护区应用示范项目等。