基于WSN的河流水质监测系统路由技术研究
发布时间：2021-07-29 12:16
随着经济的快速发展,河流水污染形势日趋严峻。传统的监测设备存在部署困难,易产生故障等问题,给河流水质监测工作带来很大困扰。而无线传感器网络作为近年来在通信领域快速发展的新兴技术,越来越得到大家的关注和认可,尤其是在河流水质监测领域展现出很好的发展前景。但基于河流监测的无线传感器网络也会遇到网络能量损耗严重和数据传输实时性差的问题,因此无线传感器网络中路由技术的研究显得十分重要。本文基于河流水质监测为背景,针对传统LEACH算法在传感器网络中节点能量利用不均衡情况,提出新型的E-LEACH能量高效路由算法。该算法通过最优簇首数目进行分区,在此基础上,采用簇首轮换机制,考虑节点剩余能量与未被当选为簇首的轮次,动态改变簇首的选举阈值,另外采用单跳和多跳相结合方式进行路由转发,以达到网络节点能量高效利用的目的。针对LEACH算法在数据传输过程中采用单跳通信而导致时延较高的问题,提出RT-LEACH实时路由算法。该算法在下一跳路径选择中引入繁忙率等因素,避免排队等待,在稳定数据传输阶段采用CSMA机制,争用网络信道,降低了数据传输延迟,同时在网络中引入高低能量节点,在保证数据实时传输的基础上也要...
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
河流水质监测系统结构
第2章基于WSN的河流水质监测系统路由概述-9-470MHz无线传输技术更适合目前狭长河流的数据采集传输工作，在河流水质监测系统中前端数据采集工作由470MHz无线通信技术与无线传感器网络结合方式来进行数据采集，Wireless-TH-470（WTH-470）网络具备覆盖范围广，吞吐量灵活，成本低等特点，是一种由470MHz微功率技术组成的中低速的无线传感器网络。（1）WTH-470网络分层在分层结构上，部分遵循网络七层模型(OpenSystemInterconnection，OSI)，增加硬件逻辑层，舍弃物理层和数据链路层。WTH-470网络协议主要由硬件逻辑层、网络层和应用层三部分构成，并且在网络层中添加安全防护，用于保护数据安全。网络层次结构如图2.2所示。图2.2网络层次结构Fig.2.2TheStructureofnetworkhierarchy硬件逻辑层主要由板级支持层数据包(BoardSupportPackage，BSP)和470MHz无线射频模块组成，BSP主要负责硬件逻辑层与网络层之间的数据通信工作。470MHz无线射频模块主要用于数据的收发工作。网络层主要用来实现网络地址的分配、传输数据的管理以及网络拓扑路由的建立等，通过网络校验把经过处理的数据传输给特定的端口，并且接收通信数据包发送给对应的端口地址。应用层主要用来完成目标监测区域样本数据的采集工作，另外网络层也需要进行定期维护。（2）WTH-470网络设备分类全能耗设备（FullEnergeticDevice，FED）和部分能耗设备（PartEnergeticDevice，PED）是根据无线接入访问节点（AccessPoint，AP）传输能力以及携带能量的不同来划分的。因为本文针对狭长河流环境，可以采用FED，FED与FED
第2章基于WSN的河流水质监测系统路由概述-11-图2.3网状网络拓扑结构Fig.2.3Meshnetworktopology2.1.2水质感知终端河流水质监测感知终端硬件系统平台主要通过地板电路和核心硬件电路共同组成。主要核心模块的组成采用的是ARM处理器STM32F103RC的CPU模块，其中ARM处理器是由32位Cortex-M3TM架构并且由意法半导体公司所生产；470MHZ无线传输模块配备标准的外围电路并采用SX1278高性能射频芯片；使用了AD7708的AD采集模块；利用1N5408芯片作为锂电池充电管理的电源模块；采用了SIMCOM公司的SIM900A模块进行数据的传输的GPRS模块；采用了CPLD驱动4.3寸TFT液晶显示屏的方案的LCD模块；DI/DO通过MCU的IO管脚控制的继电器来实现输入输出模块；SD卡存储模块实现读写功能需要使用STM32处理器自带的SDIO接口方式来完成。本文的串口假定是可扩展的，因此串口扩展模块采用VK3266芯片来设计[16]。下面是对各个模块的详细介绍。（1）CPU核心处理模块河流水质监测感知终端系统的硬件设计中，选择采用意法半导体公司生产的STM32F103RC作为CPU模块。ARM处理器由32位的Cortex-M3来构建。STM32F103RC在工作状态下，最高频率只有72MHZ，但是每一赫兹在每秒能处理1250万条指令的程序，能够在一个周期内可以同时实现乘法运算和硬件的除法运算，芯片上集成了闪存和静态随机存取这两种存储器，且这两种存储器作为暂时存储数据的容器他们的内存分别为512KB和64KB。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于时间门限值的低时延编码感知路由算法[J]. 耿蓉,孙学超,王梦源,陈文君. 东北大学学报(自然科学版). 2018(11)
[2]基于能量感知路由和节点过滤的虚假数据过滤算法[J]. 张利峰,徐永华. 南京理工大学学报. 2018(04)
[3]基于WSN和ZigBee的水质监测系统设计[J]. 孙卓. 电子设计工程. 2017(24)
[4]基于能量均衡高效WSN的LEACH协议改进算法[J]. 黄利晓,王晖,袁利永,曾令国. 通信学报. 2017(S2)
[5]一种基于簇首协调的时分多址路由协议[J]. 唐尧,李波,闫中江,杨懋,左晓亚. 兵工学报. 2017(11)
[6]一种基于PEGASIS协议的路径优化方法[J]. 方伟欣,王新,郑英丽. 云南民族大学学报(自然科学版). 2017(03)
[7]鲁棒成形极化敏感阵列波束的方法及极化估计[J]. 虞翔,李旦,张建秋. 航空学报. 2017(06)
[8]基于无线传感器网络的水质监测系统研究[J]. 张国杰,陈凯,颜志刚,王文豪. 机电工程. 2016(03)
[9]一种能量有效的三维传感器网络覆盖控制算法[J]. 张宝利,于峰崎,张足生. 传感技术学报. 2009(02)
[10]无线传感器网络综述[J]. 马祖长,孙怡宁,梅涛. 通信学报. 2004(04)
博士论文
[1]移动感知网络数据收集及激励机制研究[D]. 蒋凌云.南京邮电大学 2017
[2]无线传感器网络低功耗传输协议关键技术研究[D]. 刘代波.电子科技大学 2018
[3]无线传感器网络数据融合关键技术研究[D]. 许建.南京邮电大学 2016
硕士论文
[1]基于动态汇聚节点的无线传感器网络能量均衡策略研究[D]. 鲁瑶.电子科技大学 2019
[2]无线传感器—执行器网络中的实时路由协议研究[D]. 殷佳佳.北京交通大学 2018
[3]无线传感器网络路由优化算法研究[D]. 王群.西安电子科技大学 2018
[4]WSN能量有效的成簇路由技术[D]. 韩丽媛.北京邮电大学 2018
[5]水下传感器网络定位算法及路由技术研究[D]. 高峰.北京交通大学 2018
[6]无线传感网中基于TEEN协议的数据融合算法研究[D]. 王一凡.北京邮电大学 2017
[7]基于多种群的度约束最小生成树算法研究[D]. 范凯翔.天津工业大学 2016
[8]基于WSN的水环境参数因子采集系统设计与实现[D]. 郭允峰.沈阳理工大学 2016
[9]基于无线传感器网络的库区水质监测系统研究[D]. 胥可.重庆大学 2015
[10]基于物联网的水环境在线监测系统的研发[D]. 刘坤.曲阜师范大学 2015
本文编号：3309305
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
河流水质监测系统结构
第2章基于WSN的河流水质监测系统路由概述-9-470MHz无线传输技术更适合目前狭长河流的数据采集传输工作，在河流水质监测系统中前端数据采集工作由470MHz无线通信技术与无线传感器网络结合方式来进行数据采集，Wireless-TH-470（WTH-470）网络具备覆盖范围广，吞吐量灵活，成本低等特点，是一种由470MHz微功率技术组成的中低速的无线传感器网络。（1）WTH-470网络分层在分层结构上，部分遵循网络七层模型(OpenSystemInterconnection，OSI)，增加硬件逻辑层，舍弃物理层和数据链路层。WTH-470网络协议主要由硬件逻辑层、网络层和应用层三部分构成，并且在网络层中添加安全防护，用于保护数据安全。网络层次结构如图2.2所示。图2.2网络层次结构Fig.2.2TheStructureofnetworkhierarchy硬件逻辑层主要由板级支持层数据包(BoardSupportPackage，BSP)和470MHz无线射频模块组成，BSP主要负责硬件逻辑层与网络层之间的数据通信工作。470MHz无线射频模块主要用于数据的收发工作。网络层主要用来实现网络地址的分配、传输数据的管理以及网络拓扑路由的建立等，通过网络校验把经过处理的数据传输给特定的端口，并且接收通信数据包发送给对应的端口地址。应用层主要用来完成目标监测区域样本数据的采集工作，另外网络层也需要进行定期维护。（2）WTH-470网络设备分类全能耗设备（FullEnergeticDevice，FED）和部分能耗设备（PartEnergeticDevice，PED）是根据无线接入访问节点（AccessPoint，AP）传输能力以及携带能量的不同来划分的。因为本文针对狭长河流环境，可以采用FED，FED与FED
第2章基于WSN的河流水质监测系统路由概述-11-图2.3网状网络拓扑结构Fig.2.3Meshnetworktopology2.1.2水质感知终端河流水质监测感知终端硬件系统平台主要通过地板电路和核心硬件电路共同组成。主要核心模块的组成采用的是ARM处理器STM32F103RC的CPU模块，其中ARM处理器是由32位Cortex-M3TM架构并且由意法半导体公司所生产；470MHZ无线传输模块配备标准的外围电路并采用SX1278高性能射频芯片；使用了AD7708的AD采集模块；利用1N5408芯片作为锂电池充电管理的电源模块；采用了SIMCOM公司的SIM900A模块进行数据的传输的GPRS模块；采用了CPLD驱动4.3寸TFT液晶显示屏的方案的LCD模块；DI/DO通过MCU的IO管脚控制的继电器来实现输入输出模块；SD卡存储模块实现读写功能需要使用STM32处理器自带的SDIO接口方式来完成。本文的串口假定是可扩展的，因此串口扩展模块采用VK3266芯片来设计[16]。下面是对各个模块的详细介绍。（1）CPU核心处理模块河流水质监测感知终端系统的硬件设计中，选择采用意法半导体公司生产的STM32F103RC作为CPU模块。ARM处理器由32位的Cortex-M3来构建。STM32F103RC在工作状态下，最高频率只有72MHZ，但是每一赫兹在每秒能处理1250万条指令的程序，能够在一个周期内可以同时实现乘法运算和硬件的除法运算，芯片上集成了闪存和静态随机存取这两种存储器，且这两种存储器作为暂时存储数据的容器他们的内存分别为512KB和64KB。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于时间门限值的低时延编码感知路由算法[J]. 耿蓉,孙学超,王梦源,陈文君. 东北大学学报(自然科学版). 2018(11)
[2]基于能量感知路由和节点过滤的虚假数据过滤算法[J]. 张利峰,徐永华. 南京理工大学学报. 2018(04)
[3]基于WSN和ZigBee的水质监测系统设计[J]. 孙卓. 电子设计工程. 2017(24)
[4]基于能量均衡高效WSN的LEACH协议改进算法[J]. 黄利晓,王晖,袁利永,曾令国. 通信学报. 2017(S2)
[5]一种基于簇首协调的时分多址路由协议[J]. 唐尧,李波,闫中江,杨懋,左晓亚. 兵工学报. 2017(11)
[6]一种基于PEGASIS协议的路径优化方法[J]. 方伟欣,王新,郑英丽. 云南民族大学学报(自然科学版). 2017(03)
[7]鲁棒成形极化敏感阵列波束的方法及极化估计[J]. 虞翔,李旦,张建秋. 航空学报. 2017(06)
[8]基于无线传感器网络的水质监测系统研究[J]. 张国杰,陈凯,颜志刚,王文豪. 机电工程. 2016(03)
[9]一种能量有效的三维传感器网络覆盖控制算法[J]. 张宝利,于峰崎,张足生. 传感技术学报. 2009(02)
[10]无线传感器网络综述[J]. 马祖长,孙怡宁,梅涛. 通信学报. 2004(04)
博士论文
[1]移动感知网络数据收集及激励机制研究[D]. 蒋凌云.南京邮电大学 2017
[2]无线传感器网络低功耗传输协议关键技术研究[D]. 刘代波.电子科技大学 2018
[3]无线传感器网络数据融合关键技术研究[D]. 许建.南京邮电大学 2016
硕士论文
[1]基于动态汇聚节点的无线传感器网络能量均衡策略研究[D]. 鲁瑶.电子科技大学 2019
[2]无线传感器—执行器网络中的实时路由协议研究[D]. 殷佳佳.北京交通大学 2018
[3]无线传感器网络路由优化算法研究[D]. 王群.西安电子科技大学 2018
[4]WSN能量有效的成簇路由技术[D]. 韩丽媛.北京邮电大学 2018
[5]水下传感器网络定位算法及路由技术研究[D]. 高峰.北京交通大学 2018
[6]无线传感网中基于TEEN协议的数据融合算法研究[D]. 王一凡.北京邮电大学 2017
[7]基于多种群的度约束最小生成树算法研究[D]. 范凯翔.天津工业大学 2016
[8]基于WSN的水环境参数因子采集系统设计与实现[D]. 郭允峰.沈阳理工大学 2016
[9]基于无线传感器网络的库区水质监测系统研究[D]. 胥可.重庆大学 2015
[10]基于物联网的水环境在线监测系统的研发[D]. 刘坤.曲阜师范大学 2015
本文编号：3309305
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