基于鲸鱼群算法的WSN能效优化分簇方法研究

发布时间：2020-09-03 19:40

　　无线传感器网络(WSN)是由大量具有信息感知、通信与计算能力的传感器节点构成的多跳自组织网络系统,广泛应用于军事、工业等领域。然而对于绝大多数WSN场景,高度受限的能量是影响WSN生命周期的重要难题。因此如何有效提高网络能效成为WSN领域的研究热点。能效优化分簇方法是提高WSN能效的有效方法之一。本文在分析总结国内外研究现状的基础上,对WSN能效优化分簇问题进行了研究,其中分簇问题包括簇头选择问题和成簇问题。针对大规模WSN,建立了WSN簇头选择问题的模型。针对问题的特点,提出了一种考虑簇头剩余能量以及簇头连通性与覆盖性的目标函数。采用鲸鱼群算法(WSA)进行求解,改进了WSA的个体编码、个体间距离计算及个体移动规则等,并设计了一种邻域搜索策略。通过实例计算与对比,验证了所提簇头选择算法的优异性。提出了以簇头选择算法和成簇算法相结合的分簇方法。针对大规模WSN,建立了WSN成簇问题的模型。针对问题的特点,提出了一种提高网络能效、均衡节点能耗的目标函数。采用WSA求解WSN成簇问题,改进了WSA的个体编码、个体间距离计算及个体移动规则等,并设计了一种邻域搜索策略。通过实例仿真与对比,验证了所提分簇方法的优异性。针对本文提出的分簇方法,设计了一种集网络启动、信息汇聚、分簇路由配置、数据采集启动、网络恢复等功能的WSN分簇协议,确定了该协议的定位与设计目的,设计了协议的组成与功能,详细设计了整个分簇协议,包括路由表结构、协议数据结构及多个协议报文。基于Contiki/6LoWPAN平台,结合本文提出的WSN分簇协议,设计了一种温湿度无线传感器网络原型系统。对温湿度无线传感器网络系统进行了系统定位,设计了基于WSN分簇协议的温湿度无线传感器网络系统架构及功能组成,从设备选型、系统功能模块、系统工作流程三个方面对系统进行了详细设计,使用该温湿度无线传感器网络原型系统进行信息传输实验,验证了系统的有效性及其工程应用价值。最后,对全文工作进行了总结,并对未来研究方向进行了展望。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.9;TN929.5;TP18
【部分图文】：

温湿度传感器,数字,控制头,上位机

图 5.5 DHT11 数字温湿度传感器功能模块进行设计介绍，主要包括串、网络信息统计功能以及温湿度信息可能完成汇聚节点与上位机（温湿度监控信息通过串口传输到上位机，上位机通完成网络的搭建。表 5.1 串口消息控制头与主要结构控制头（十六进制） FF EE 01 FF EE 02 分FF EE 03 FF 00 11 网

集成开发环境

中科技大学硕士学位论数据包消息、节点死亡消息。网络信息汇聚消息是汇聚节文后，将网络信息向上位机发送的串口消息。分簇路由配置成功后，由汇聚节点告知上位机配置成功的串口消息。集全网络的温湿度信息，向上位机发送网络感知数据的串传感器节点死亡后告知汇聚节点，汇聚节点告知上位机的串串口消息控制头与主要结构如下表所示：簇协议实现与温湿度信息采集议与温湿度信息采集功能都实现在传感器节点上，传感器节 IAR Embedded Workbench 8051 集成开发环境上进行开发编辑、编译、链接、调试、烧写等多种功能。IAR 具有功，十分适合用于协议开发。分簇协议主要实现在路由层，由协议相仿，取代 RPL 路由协议，完成 6LoWPAN 网络的。IAR 集成开发平台与协议实现中简要展示如图 5.6 所示。

示意图,温湿度传感器,示意图,集成开发

度信息采集功能都实现在传感器节点上，bedded Workbench 8051 集成开发环境上译、链接、调试、烧写等多种功能。IAR合用于协议开发。分簇协议主要实现在路仿，取代 RPL 路由协议，完成 6LoWPA成开发平台与协议实现中简要展示如图 5.6 IAREmbedded Workbench 8051 集成开发环

【参考文献】