基于WSN的污水监测系统拓扑控制算法研究

发布时间：2017-09-02 05:04

  本文关键词：基于WSN的污水监测系统拓扑控制算法研究

  更多相关文章： WSN 污水监测系统 拓扑控制 LEACH算法

【摘要】：水是人类社会生存和进步不可替代的资源与保障。通过对城市污水快速高效的处理,不仅可以保障城市稳定持续地供水,也可以使有限的水资源得到循环利用,达到生态环保的目的。针对传统的污水监测系统存在花费造价高、自动化程度低、监测数据不能及时采集等缺陷,本文提出了一种基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的污水监测系统,并重点研究与改进网络拓扑控制算法。课题源于陕西省科学技术研究发展计划项目,对西安市第三污水处理厂污水水质实施监测。在此监测系统中,高效优化的网络拓扑结构控制,既能有效减少传感器节点的能耗,也为监测网络MAC协议和路由协议效率的提高、时间同步和数据融合等方面的实现奠定基础。本文对多种经典拓扑控制算法进行分析对比,结合污水监测过程的性能要求,选择使用低功耗自适应算法(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)。针对LEACH算法在簇头数目的选择随经验确定、簇头节点等概率随机选举机制和单跳通信的数据传输方式三个方面的不足,提出了一种基于最优簇头数目、能量和距离及多跳传输方式的改进LEACH算法。利用MATLAB软件,通过仿真实验分别从网络拓扑结构图、网络工作寿命和网络剩余能量三个方面对LEACH算法和改进算法进行比较分析。仿真得到的结果表明：相较于LEACH算法,本文提出的改进算法对系统的拓扑结构进行了优化,使节点分簇更加均匀,延迟了死亡节点的出现时间,有效降低了网络节点的能量消耗,增加了污水监测系统的使用年限。
【关键词】：WSN 污水监测系统 拓扑控制 LEACH算法
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X84
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 课题研究背景8
• 1.2 课题研究目的及意义8-9
• 1.3 国内外研究现状9-11
• 1.3.1 污水监测国内外研究现状9
• 1.3.2 WSN国内外研究现状9-10
• 1.3.3 WSN拓扑控制国内外研究现状10-11
• 1.4 论文研究内容与结构安排11-13
• 2 基于WSN的污水监测系统概述13-20
• 2.1 课题来源13
• 2.2 基于WSN污水监测系统介绍13-16
• 2.2.1 WSN简述13
• 2.2.2 系统整体架构13-14
• 2.2.3 水质监测参数14-15
• 2.2.4 传感器节点结构15-16
• 2.2.5 协议栈结构16
• 2.3 基于WSN污水监测系统关键技术介绍16-19
• 2.3.1 拓扑控制17
• 2.3.2 节点部署17-18
• 2.3.3 能量调配18
• 2.3.4 数据融合18-19
• 2.3.5 通信协议19
• 2.4 本章小结19-20
• 3 基于WSN的污水监测系统拓扑控制算法分析20-28
• 3.1 拓扑控制对污水监测系统的意义20-21
• 3.2 WSN拓扑结构分类21-23
• 3.3 WSN拓扑控制算法分类23-25
• 3.3.1 功率控制算法23-24
• 3.3.2 层次拓扑控制算法24-25
• 3.3.3 不同拓扑控制算法的比较25
• 3.4 面向污水监测系统拓扑控制算法的性能要求25-26
• 3.5 污水监测系统拓扑控制算法的选用26-27
• 3.6 本章小结27-28
• 4 LEACH算法面向污水监测系统的分析与改进28-39
• 4.1 能耗模型28
• 4.2 LEACH算法介绍28-31
• 4.2.1 簇的产生时期29-30
• 4.2.2 稳定传输阶段30-31
• 4.3 LEACH算法分析31
• 4.4 LEACH改进算法设计思路31-32
• 4.5 LEACH改进算法工作步骤32-38
• 4.5.1 最优簇头概率32-34
• 4.5.2 簇头选取机制34-36
• 4.5.3 多跳传输方式36-38
• 4.6 本章小结38-39
• 5 算法仿真与结果分析39-57
• 5.1 仿真环境介绍39
• 5.2 算法仿真及性能分析39-47
• 5.2.1 比较算法的簇头分布状况41-43
• 5.2.2 比较算法的网络生存周期43-45
• 5.2.3 比较网络的剩余能量45-47
• 5.3 污水监测系统应用指标分析47-56
• 5.3.1 WSN网络规模47-49
• 5.3.2 Sink节点位置49-51
• 5.3.3 最优簇头数目51-56
• 5.4 本章小结56-57
• 6 结论57-60
• 6.1 总结57
• 6.2 展望57-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文63-64
• 致谢64-66

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本文编号：776523