无线传感器网络算法的改进与水灾监测应用研究

发布时间：2020-11-01 06:07

　　 我国是一个水灾多发的国家,为了预防水灾,需要实时准确地监测江河、湖泊与水库等地的水文数据。目前,国内许多水文站的监测主要使用人工查看的方式,除此之外,还有传统的地面定点观测法,或者是利用气象卫星或气象雷达取得数据资料。第一种方法测量数据的连续性和时效性差,还存在安全隐患,威胁人身安全；第二种方法缺少灵活性,不适合大范围监测；第三种方法更是对设备和人员有严苛的要求。所以,以上方式在许多情况下已无法满足当今高科技时代对水灾监测工作提出的实际需求。 因此,借鉴国内外无线监测系统的开发经验,分析无线传感器网络技术的国内外研究现状与发展趋势,并结合现代监测系统对数据采集的特殊要求,本课题尝试将相关技术应用于水灾监测系统的相关设计中,借助二者优势克服目前水灾监测系统中存在的缺点。 确定主要研究内容后,在分析和研究的基础上,提出了本系统的设计目标和总体设计方案。 第一步是对传感器节点进行设计,将经过选型、较适用于本系统的数据采集模块与高性能单片机相结合,选用抗干扰能力强的射频发射模块与接收模块,配以相应的软件系统,使节点在通信距离内实现无线通信。 由于传感器网络节点的数量庞大,而且单个节点能量有限,所以第二步是传感器节点的组网设计,运用一定的通信协议将多个节点组织起来。这里借鉴无线传感器网络的分布式分簇算法思想,在经典LEACH算法基础之上,提出了一种基于延长WSN生命周期的分簇算法。该算法结合了节点的能量、位置及其分布密度等因素,在LEACH中加入门限,使得能量消耗均衡的分布在各节点上；簇间多跳通信时综合考虑下一跳节点的剩余能量及其到基站的距离,节约有限的系统能量。仿真实验表明,改进后的算法比LEACH算法更好地均衡了整个网络的能量消耗,延长了网络的生命周期。 最后是上位机监测软件的设计,选择开发软件的平台和环境,实现一个具有可视化界面监测软件。
【学位单位】：哈尔滨商业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P426.616;TN929.5;TP212.9
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题背景
    1.2 国内外研究现状及分析
    1.3 论文的主要研究内容
        1.3.1 无线传感器的组网与节能算法研究
        1.3.2 无线传感器节点设计
        1.3.3 节点与上位机之间的数据通信设计
    1.4 论文的篇章结构
2 系统的总体设计方案
    2.1 无线传感器网络体系结构
    2.2 系统设计原则和设计目标
    2.3 系统的总体概述
    2.4 本章小结
3 无线传感器网络节点的设计
    3.1 传感器节点的硬件选择
        3.1.1 传感器的选择
        3.1.2 单片机的选择
        3.1.3 无线模块的选择
    3.2 传感器节点硬件电路设计
        3.2.1 单片机基本外围电路设计
        3.2.2 nRF24L01相关电路设计
        3.2.3 串口通信设计
    3.3 无线传感器节点软件设计
        3.3.1 nRF24L01初始化配置
        3.3.2 节点发送流程
        3.3.3 节点接收流程
    3.4 本章小结
4 无线传感器网络自组织算法
    4.1 无线传感器网络组织结构
    4.2 自组织算法介绍
        4.2.1 分簇算法简介
        4.2.2 分簇结构在无线传感器网络中的作用
        4.2.3 分簇算法的性能指标
    4.3 LEACH算法
        4.3.1 LEACH算法的描述
        4.3.2 LEACH算法的不足
    4.4 基于延长WSN生命周期的LEACH算法的改进
        4.4.1 无线通信模型
        4.4.2 网络模型
        4.4.3 改进分簇算法
    4.5 仿真实验和结果
        4.5.1 性能评估
        4.5.2 仿真结果
    4.6 本章小结
5 上位机监测软件设计
    5.1 系统功能需求和特点
    5.2 上位机监测软件开发环境
    5.3 上位机监测软件设计
        5.3.1 上位机监测软件层次结构
        5.3.2 上位机监测软件流程
        5.3.3 监测软件串口设置
        5.3.4 监测软件二维曲线走势图设计
        5.3.5 监测软件数据查询功能实现
    5.4 上位机监测软件测试
    5.5 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2865128