污水处理监测无线传感网络的路由协议研究

发布时间：2020-04-05 14:08

【摘要】：随着经济的发展,城市生活污水的排放量越来越大,对污水处理效率的要求也越来越高。使用无线传感器网络技术实现污水处理在线监测,相对传统手段,成本更低,实时性更好。路由协议是无线传感器网络研究中的关键问题,它直接影响网络性能和监测质量。本文通过大量调研和比较,对适用于污水处理在线监测的无线分簇路由和机会路由展开深入研究,并设计相应改进策略。本文的主要研究内容和特色之处如下:为延长监测网络的有效运行时间,实现对常规水质参数的长时间在线监测,本文针对LEACH协议中因簇头选择随机性而导致不合理分簇影响网络寿命问题,设计一种基于萤火虫算法的分簇路由协议。该协议引入集中式分簇思想,运用萤火虫算法对节点进行最优化聚类,同时提出一种综合考虑节点位置和剩余能量的簇头选择方案,有效提高网络分簇和簇头选取的合理性。实验仿真结果表明,改进的分簇协议相较于传统LEACH分簇协议,网络寿命延长近6倍。LEACH协议固有的分簇特性,导致数据反应慢,不适用于数据流量大且实时性要求高的网络。而机会路由充分利用无线信道广播特性,通过反应式多路径算法,可有效提高网络数据传输性能,但传统机会路由存在候选转发节点选择不合理问题。因此,本文分别设计能量优先和低时延机会路由协议。在能量优先机会路由协议中,首先构建非理想数据链路层下的能量消耗模型,计算每个节点到目的节点数据包传输预期能量消耗。然后,提出一种最优能耗候选转发节点选择算法。最后,根据节点预期能耗和剩余能量为候选转发节点进行优先级排序。低时延机会路由协议中,通过构建基于机会转发框架的时延模型计算出节点预期端对端时延,并设计基于时延的候选转发节点选择方案,再根据预期时延和传输成功率为候选转发节点进行优先级排序。仿真实验结果表明,机会路由协议可以有效均衡网络中各节点能量消耗,延长网络寿命,明显降低网络传输时延。污水微生物对水质处理质量有着重要指示作用,为合理使用有限的无线带宽,同时保证实时可靠地水质在线监测,本文设计图像内容相关的机会路由协议。首先,运用快速运动目标检测算法提取视频图像中的指示性微生物。然后,设计一种检测结果分级策略,完成数据分包和等级评测,降低网络数据流量和运行负荷。最后,对高优先级数据包,采用低时延机会转发策略;对低优先级数据包,采用能量优先机会转发策略。仿真实验结果显示,相对于传统和已改进的机会路由协议,该协议网络生存时间延长近50%,高优先级数据包传输时延降低20%。
【图文】：

示意图,协议工,流程,示意图

成簇阶段帧图2-2 LEACH协议工作流程示意图每一轮从簇构建阶段开始，在这个阶段网络会进行分簇工作，将网络中的传器节点分为不同的类别，，每一类聚成一个簇，每一个簇中有一个传感器节点作

路由转发,机会,节点,数据分组

中优先级顺序为z的节点的ID。图4-1 机会路由转发示例图在机会路由中，当某个节点具有需要发送到汇聚节点的数据分组时，该节点需要监视网络中的信道是否空闲。如果信道未处于使用状态，而且在分布式帧间间隔（Distributed interframe space，DIFS）内没有其他节点使用信道就广播待发送的数据分组。在短帧间间隔（Shortinterframespace，SIFS）之后，候选转发节点之间的竞争转发和协调的阶段开始。节点广播的分组包含节点的所有转发节点的ID列表。当转发节点收到数据分组时，它根据列表中的优先级设置自己的转发定时器。如果在定时器结束之前未成功接收到具有较高优先级的节点发送的A确认信息（Acknowledgement
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;TP212.9;TN929.5

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