水产品运输中的无线传感网节点优化研究
发布时间：2020-08-14 14:55
【摘要】：随着社会的发展,生活质量的提高,人们对新鲜食物的需求量不断增加。其中,水产品(诸如鱼、蟹等)由于其具有较高的营养价值,鲜活水产品的需求量逐年增加。鲜活水产品运输与其它食品运输相比,最显著的区别是必须保持其鲜活度,因此常采用活体运输的方式,而非传统的真空塑料包装,对运输环境的要求相对严格。传统运输方式不能满足鲜活水产品运输要求,需建立一套鲜活水产品运输环境监控装置,提高水产品运输安全。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)通过结合数据采集与处理、无线通信和计算机技术,能够在网络覆盖范围内监测多种参数并进行数据采集、存储和传输。WSN相较于传统有线传输模式有体积小、功耗低、结构灵活和不用维护线路等优势,因而在水产品运输中得到广泛应用。然而,现有的水产品运输监测系统中存在着无线传感网节点功耗较高的问题,当运输距离较远时,节点的电源无法满足系统的供电需求。为解决水产品运输中的节点功耗过大的问题,本文设计了无线传感网节点,从硬件和软件两方面同时进行优化,降低无线传感网功耗,提高能量利用率。WSN中的硬件功耗高是由线路设计不合理和阻抗不匹配等原因引起的。本文设计节点时,采用了电源分压和交流滤波等手段,从电源中分离出多个电压以满足不同传感器的需求;通过设计阻抗匹配网络优化了电路结构,使得传感器获得了最大传输功率,减少了能量损失。考虑到水产品运输中的需求,设计了具有一定防水性的封装盒用以保护节点,保证了WSN的稳定性。WSN中的软件功耗高是由节点通信时,网络中的能量分布不当造成的,通常和该网络的通信协议有关。对于如何优化WSN的通信协议,一直是国内外大量学者积极研究并讨论的热点问题。本文根据WSN通信模式的不同,将其分为单点通信与多点通信两种模式。对于单点通信,本文提出了基于路径损耗模型的方法、基于高斯模型的方法和基于混合模型的方法。通过这些方法,WSN节点可以有效地降低节点在通信时的过剩发射功率并且减少了非必要的数据传输量。对于多点通信,本文改进了通信协议中的帧结构,提出了基于隐马尔可夫模型(HMM)和非合作博弈的功率控制方法,通过在无线传感网中引入节点能量博弈的方式,平衡节点传输功率,提高能量利用率并延长了网络生命周期。经过实验验证,优化后的无线传感网性能得到了提升。在单点通信模式下,基于混合模型的方法效率最高,将总功耗降低了20%以上;在多点通信模式下,基于HMM和非合作博弈的控制方法在能量利用率、算法收敛速率和最大生命周期3个方面均优于传统算法。本论文的研究成果从多方面降低了无线传感网中的能耗,解决了在长途或长时间物流运输监测过程中,节点电源能量耗尽无法对目标进行监测的困难,能够较好地应用于水产品运输监测领域,具备推广到其他物流监测领域的价值。
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：
上海海洋大学硕士学位论文第二章 无线传感网基本理论介绍了无线传感网的基本结构；比较了几种无线传感网的的优势；介绍了无线传感网的基本工作原理，根据拓扑结通信和多点通信。的结构器网的经典结构如图 2-1，首先划定一个待测区域，将传内[17]。每一个无线传感器节点都带有收发模块，通过天线去。互联网可以将该信息传输给上位机，方便存储于数据节点的容量都很小，不利于大量数据的堆积和存储[18]，因隔内，把已获取到的信息传递出去，为下次到来的信息预
每一层都完成特定的功能。具体分层如图2-2。无线传感器网络物理层可以采用多种无线射频传输技术，如正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）、超宽带（Ultra Wideband，UWB）、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output， MIMO）、码分多址（CodeDivision MultipleAccess， CDMA）技术等[28]，也可以采用传统的红外传输技术；数据链路层主要将物理层的信息自下而上地传递给网络层[29]，并且优化通信链路，
图 2-3 线性拓扑结构Figure 2-3 Linear topology structure如图 2-3，无线传感网的线性拓扑结构主要分为 3 种，分别是点对点拓扑和星型拓扑。点对点拓扑是最简单的拓扑形式，采用单点通信模式，由汇聚节点和采一对一的对应关系，半双工通信时，出度为“1”，入度为“0”。全双工通和入度都为“1”。树形拓扑的复杂程度高于点对点拓扑，由一个根节点和若干层子节点组的子节点又作为下一层的父节点，以此类推直到最底层。一般根节点由任，负责控制第一层子节点的数据流向和物理参数设定，控制关系逐层该结构多采用半双工通信模式，出度数量为除去根结点外的节点总数。确定，可能是从零到出度数量的任何一个子集。星型拓扑是复杂程度更高的一种拓扑结构，由一个汇聚节点和若干个子个簇，通常由汇聚节点担任簇首。由图可以看出，簇首处于星型结构的负责调度整个簇内所有采集节点的能量分配，收集采集节点的数据。控
本文编号：2793177
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：
上海海洋大学硕士学位论文第二章 无线传感网基本理论介绍了无线传感网的基本结构；比较了几种无线传感网的的优势；介绍了无线传感网的基本工作原理，根据拓扑结通信和多点通信。的结构器网的经典结构如图 2-1，首先划定一个待测区域，将传内[17]。每一个无线传感器节点都带有收发模块，通过天线去。互联网可以将该信息传输给上位机，方便存储于数据节点的容量都很小，不利于大量数据的堆积和存储[18]，因隔内，把已获取到的信息传递出去，为下次到来的信息预
每一层都完成特定的功能。具体分层如图2-2。无线传感器网络物理层可以采用多种无线射频传输技术，如正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）、超宽带（Ultra Wideband，UWB）、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output， MIMO）、码分多址（CodeDivision MultipleAccess， CDMA）技术等[28]，也可以采用传统的红外传输技术；数据链路层主要将物理层的信息自下而上地传递给网络层[29]，并且优化通信链路，
图 2-3 线性拓扑结构Figure 2-3 Linear topology structure如图 2-3，无线传感网的线性拓扑结构主要分为 3 种，分别是点对点拓扑和星型拓扑。点对点拓扑是最简单的拓扑形式，采用单点通信模式，由汇聚节点和采一对一的对应关系，半双工通信时，出度为“1”，入度为“0”。全双工通和入度都为“1”。树形拓扑的复杂程度高于点对点拓扑，由一个根节点和若干层子节点组的子节点又作为下一层的父节点，以此类推直到最底层。一般根节点由任，负责控制第一层子节点的数据流向和物理参数设定，控制关系逐层该结构多采用半双工通信模式，出度数量为除去根结点外的节点总数。确定，可能是从零到出度数量的任何一个子集。星型拓扑是复杂程度更高的一种拓扑结构，由一个汇聚节点和若干个子个簇，通常由汇聚节点担任簇首。由图可以看出，簇首处于星型结构的负责调度整个簇内所有采集节点的能量分配，收集采集节点的数据。控
【参考文献】
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本文编号：2793177
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