基于无线传感网的地下自来水供水管道漏水监测关键技术的研究
发布时间：2021-01-20 00:16
近些年来,随着数字电子技术、无线通讯技术以及微处理系统技术的发展,无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）取得了巨大的进步。伴随WSN技术的日趋成熟,WSN在目标检测,监控,跟踪,控制等领域得到了广泛的应用。因此,我们利用WSN进行管道漏水监测。依据大量资料分析发现,WSN中的传感器节点在管道漏水监测系统的实际应用中存在三个方面的问题,一是节点自身能量消耗问题,二是节点在传递信息过程中时钟同步问题,三是节点自身计算能力和存储空间有限问题。节点能量消耗问题与整个WSN的生命周期密切相关,节点时钟同步问题影响到数据融合的准确性,节点计算能力和存储空间有限问题限制了收到漏水信息后及时进行计算漏水点位置。本论文是围绕这三个问题展开研究的,同时作为管道漏水监测系统的三个关键技术。首先,在查阅大量相关文献的基础上对国内外经典的无线传感器节点节能方式进行了深入分析研究,研究表明具有休眠/唤醒方式的传感器节点节能性最佳。因此,通过编写程序完成WSN各节点随时休眠/唤醒,达到一定的节能效果。同时,对经典路由协议进行分析后,选择改进阈值敏感的高能效传感器网络协议（Impro...
【文章来源】：内蒙古师范大学内蒙古自治区
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平面结构示意图
第2章无线传感器网络的概述7图2-1平面结构示意图图2-2分级结构示意图2.2无线传感器网络特征及关键技术2.2.1无线传感器网络特征与传统方式下的网络相比较，WSN具有以下特点：（1）控制方式自由。WSN虽然将传感器节点和基站统一控制起来，但是区域内各节点之间以分散式的方式进行控制，主机的各部分功能和路由协议最终由网络终端控制，实现主机独立运行，所以WSN的强度高，抗破坏性强。（2）组建自由。WSN的组建者能够在任意时间和地点，将WSN快速地建立起来，形成一个完善的系统，不会受到外界环境的干扰和限制，建立成功后的组网系统的后期管理和维护工作也同样在网络的内部进行。（3）网络拓扑结构自由。WSN具有随时进行变化的网络拓扑结构，例如在组建网络过程中，WSN节点的数量可以根据需要随时增加和减少，最终形成的网络拓扑结构图可以随时进行对应的合并和分开。2.2.2无线传感器网络的关键技术WSN有几大关键技术，在日常生活以及工业生产中起到关键作用：（1）混沌加密技术密码学主要研究的是利用一些方式将有用的信息隐藏，授权人只有获取正确的授权方向（例如解码指令）才能解读出正确的信息内容，将可读信息转换成无法读取的技术称为加密技术。WSN中对称密钥体制技术是最具代表性的，也可称为是一项耗能低，计算量简单的密码算法。WSN中判断密码技术是否标准恰当一般有三个方面：能量消耗的多少、密码算法所需要的具体长度、处理数据所要花费的时间。其中密码算法包括对称加密算法和高级加密算法。而混沌加密技术是属于高级加密算法，结合了混乱、扩散以及动力学机制的多项算法原则。
内蒙古师范大学硕士学位论文10第3章WSN节点唤醒与I-TEEN路由协议应用本文研究地下管道漏水的监测，将WSN应用于地下环境，然而地下环境无法外接交流电源，只能依赖电池供电，而电池电量是有限的，能耗成为所要研究的重点。因此，本节通过WSN节点唤醒方式和I-TEEN路由协议的应用，使节点最大程度上节能。3.1WSN节点唤醒传统方式下无线传感器节点为单向形式，也就是说，将节点开启后，放到监测区域，使其一直处于工作状态，直到监测到漏水信息。这种工作方式短期内可以满足监测需求，但是在没有漏水的情况下的工作方式在理论上是一种能耗上的浪费，长时间的话会造成漏水没有监测到，而大量节点能耗殆尽，需要再次更换节点。这不仅增加了成本，而且漏水监测效果会大大降低。所以具有休眠/唤醒双向方式的WSN应运而生。在WSN监控系统的运行过程中，系统由大量的传感器节点构成，而同一区域内由多个节点共同采集信息的区域被称为监控区域，在该监控区域内的所有节点通常不需要都处于工作状态，因此采用休眠/唤醒[32]策略来降低系统能耗，当系统需要进行处理数据时，将系统从“休眠”中“唤醒”。当发现漏水现象时，路由节点迅速向漏水区域布置的分节点发送一个唤醒信息，此时漏水区域所有节点更新工作节点信息。通过该技术可以有效地防止监控区域出现所有节点都处于休眠状态的情况，并可以实时根据唤醒信号改变工作状态。具体过程如图3-1所示：图3-1节点唤醒流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于嵌入式Linux与Qt的植保机流量控制器设计与实现[J]. 闫啸,李树江,王向东. 计算机测量与控制. 2019(10)
[2]基于DSP的家庭漏水检测系统设计[J]. 方超. 电子制作. 2019(12)
[3]物联网中的无线传感器网络技术综述[J]. 郭志鹏,李娟,赵友刚,官洪民,韩仲志. 计算机与应用化学. 2019(01)
[4]一种改进PBS的无线传感器网络时钟同步方法SCRT[J]. 车步波,郭改枝. 现代电子技术. 2019(04)
[5]Use of genetic algorithm in new approach to modeling of flood routing[J]. EL ALAOUI EL FELS Abdelhafid,ALAA Noureddine,BACHNOU Ali. Journal of Oceanology and Limnology. 2019(01)
[6]基于复相关—信息灵敏度的C4ISR评估指标体系构建[J]. 张壮,李琳琳,路云飞. 火力与指挥控制. 2018(10)
[7]基于无线传感网络和CAN总线技术的综采面喷雾降尘系统[J]. 丁飞,吕自力. 传感器与微系统. 2018(10)
[8]基于Linux平台下SSH安全远程登录的研究[J]. 闫梅. 网络安全技术与应用. 2018(09)
[9]基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现分析[J]. 曹树伟. 电子元器件与信息技术. 2018(07)
[10]基于无人机动态路径的无线传感器网络定位[J]. 李松生. 软件导刊. 2018(08)
硕士论文
[1]面向供水管道传感网的时钟同步算法改进研究[D]. 车步波.内蒙古师范大学 2019
[2]基于ZigBee网络的管道泄漏监测设计[D]. 邓慧.内蒙古师范大学 2017
[3]基于DSP的供水管道漏水检测器的设计与实现[D]. 蒲显城.华南理工大学 2014
[4]基于WSN的水质监测系统中ZigBee协议和网关系统的设计与实现[D]. 丁胜建.安徽大学 2013
[5]基于单片机和DSP的漏水检测定位系统的实现[D]. 唐路.华南理工大学 2013
本文编号：2987969
【文章来源】：内蒙古师范大学内蒙古自治区
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平面结构示意图
第2章无线传感器网络的概述7图2-1平面结构示意图图2-2分级结构示意图2.2无线传感器网络特征及关键技术2.2.1无线传感器网络特征与传统方式下的网络相比较，WSN具有以下特点：（1）控制方式自由。WSN虽然将传感器节点和基站统一控制起来，但是区域内各节点之间以分散式的方式进行控制，主机的各部分功能和路由协议最终由网络终端控制，实现主机独立运行，所以WSN的强度高，抗破坏性强。（2）组建自由。WSN的组建者能够在任意时间和地点，将WSN快速地建立起来，形成一个完善的系统，不会受到外界环境的干扰和限制，建立成功后的组网系统的后期管理和维护工作也同样在网络的内部进行。（3）网络拓扑结构自由。WSN具有随时进行变化的网络拓扑结构，例如在组建网络过程中，WSN节点的数量可以根据需要随时增加和减少，最终形成的网络拓扑结构图可以随时进行对应的合并和分开。2.2.2无线传感器网络的关键技术WSN有几大关键技术，在日常生活以及工业生产中起到关键作用：（1）混沌加密技术密码学主要研究的是利用一些方式将有用的信息隐藏，授权人只有获取正确的授权方向（例如解码指令）才能解读出正确的信息内容，将可读信息转换成无法读取的技术称为加密技术。WSN中对称密钥体制技术是最具代表性的，也可称为是一项耗能低，计算量简单的密码算法。WSN中判断密码技术是否标准恰当一般有三个方面：能量消耗的多少、密码算法所需要的具体长度、处理数据所要花费的时间。其中密码算法包括对称加密算法和高级加密算法。而混沌加密技术是属于高级加密算法，结合了混乱、扩散以及动力学机制的多项算法原则。
内蒙古师范大学硕士学位论文10第3章WSN节点唤醒与I-TEEN路由协议应用本文研究地下管道漏水的监测，将WSN应用于地下环境，然而地下环境无法外接交流电源，只能依赖电池供电，而电池电量是有限的，能耗成为所要研究的重点。因此，本节通过WSN节点唤醒方式和I-TEEN路由协议的应用，使节点最大程度上节能。3.1WSN节点唤醒传统方式下无线传感器节点为单向形式，也就是说，将节点开启后，放到监测区域，使其一直处于工作状态，直到监测到漏水信息。这种工作方式短期内可以满足监测需求，但是在没有漏水的情况下的工作方式在理论上是一种能耗上的浪费，长时间的话会造成漏水没有监测到，而大量节点能耗殆尽，需要再次更换节点。这不仅增加了成本，而且漏水监测效果会大大降低。所以具有休眠/唤醒双向方式的WSN应运而生。在WSN监控系统的运行过程中，系统由大量的传感器节点构成，而同一区域内由多个节点共同采集信息的区域被称为监控区域，在该监控区域内的所有节点通常不需要都处于工作状态，因此采用休眠/唤醒[32]策略来降低系统能耗，当系统需要进行处理数据时，将系统从“休眠”中“唤醒”。当发现漏水现象时，路由节点迅速向漏水区域布置的分节点发送一个唤醒信息，此时漏水区域所有节点更新工作节点信息。通过该技术可以有效地防止监控区域出现所有节点都处于休眠状态的情况，并可以实时根据唤醒信号改变工作状态。具体过程如图3-1所示：图3-1节点唤醒流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于嵌入式Linux与Qt的植保机流量控制器设计与实现[J]. 闫啸,李树江,王向东. 计算机测量与控制. 2019(10)
[2]基于DSP的家庭漏水检测系统设计[J]. 方超. 电子制作. 2019(12)
[3]物联网中的无线传感器网络技术综述[J]. 郭志鹏,李娟,赵友刚,官洪民,韩仲志. 计算机与应用化学. 2019(01)
[4]一种改进PBS的无线传感器网络时钟同步方法SCRT[J]. 车步波,郭改枝. 现代电子技术. 2019(04)
[5]Use of genetic algorithm in new approach to modeling of flood routing[J]. EL ALAOUI EL FELS Abdelhafid,ALAA Noureddine,BACHNOU Ali. Journal of Oceanology and Limnology. 2019(01)
[6]基于复相关—信息灵敏度的C4ISR评估指标体系构建[J]. 张壮,李琳琳,路云飞. 火力与指挥控制. 2018(10)
[7]基于无线传感网络和CAN总线技术的综采面喷雾降尘系统[J]. 丁飞,吕自力. 传感器与微系统. 2018(10)
[8]基于Linux平台下SSH安全远程登录的研究[J]. 闫梅. 网络安全技术与应用. 2018(09)
[9]基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现分析[J]. 曹树伟. 电子元器件与信息技术. 2018(07)
[10]基于无人机动态路径的无线传感器网络定位[J]. 李松生. 软件导刊. 2018(08)
硕士论文
[1]面向供水管道传感网的时钟同步算法改进研究[D]. 车步波.内蒙古师范大学 2019
[2]基于ZigBee网络的管道泄漏监测设计[D]. 邓慧.内蒙古师范大学 2017
[3]基于DSP的供水管道漏水检测器的设计与实现[D]. 蒲显城.华南理工大学 2014
[4]基于WSN的水质监测系统中ZigBee协议和网关系统的设计与实现[D]. 丁胜建.安徽大学 2013
[5]基于单片机和DSP的漏水检测定位系统的实现[D]. 唐路.华南理工大学 2013
本文编号：2987969
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