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1、华中科技大学硕士学位论文工业无线传感器网络的节点休眠算法研究姓名：王文青申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：王芙蓉20080529华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 将无线技术引入到工业控制领域是未来的发展趋势和方向。无线传感器网络作为炙手可热的一种无线技术，如何将其稳定可靠的应用在工业控制领域是新的研究热点问题。如何使能量有限的传感器节点在保证监测范围和通信可靠性的前提下能耗最低，成为目前研究的重要内容之一。 首先，针对工业这一特定应用领域，从工业应用的角度来研究无线传感器网络的分簇算法，给出了一种结合工业
2、应用场景的网络分簇算法。 由于传感器节点通常都采用电池供电，能量有限，必须设计高能效的算法延长网络的生存时间。研究表明，传感器节点组织成簇的形式可以有效地减少网络的能量消耗，LEACH、SEP、DEEC 等分簇算法相继提出，它们在能量效率、异构性、簇首分布均衡度等各方面加以改进，取得了很好的效果。在此基础上，针对工业应用背景给出了一种网络分簇算法。该算法的特点是：将传感器节点周围的工业噪声等工业现场环境因素作为一种影响权值，结合节点的剩余能量，来参选簇首。这在传感器节点相对比较固定的工业应用场合是切合实际的。 其次，结合工业应用背景，研究了基于簇状网的节点休眠算法，提出了一种基于簇状异构工业无
3、线传感器网络的节点休眠算法。 由于无线传感器网络在部署时有一定的冗余性。研究表明，在不影响监测区域和可靠通信的前提下，选取部分冗余节点进入休眠状态可以提高网络的能量效率和延长网络生存期。 现有簇状网采取的节点休眠算法主要有 RS 算法、 LDS 算法和基于AHP 的节点休眠调度等。在分析和比较的基础上，结合工业应用场景，提出了一种基于簇状异构工业无线传感器网络的节点休眠算法。该算法的特点是：基于层级分析模型，影响节点休眠的因素有节点剩余能量、节点到簇首的距离和工业噪声等现场环境因素。随着网络的运行，部分因素的权值呈泊松过程变化，以考虑网络的能量均衡性。 最后，通过 Matlab 仿真分析的结果
4、表明，给出的工业无线传感器网络分簇算法和基于该分簇算法下的节点休眠算法都是可行的，对于网络生存期的延长和网络能量效率的提高都有显著的效果。 关键词：关键词：无线传感器网络；工业应用；分簇算法；节点休眠算法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Its a trend that applying wireless technologies in the field of industrial control in the future. As the focuses of wireless technologies,
5、 Wireless Sensor Networks (WSN), how its applied in industrial control steadily and reliably is becoming to a new hot research point. Its considerably important to make the sensor nodes whose energy is limited consume less power, under the condition that guarantee the detecting range and reliable co
6、mmunication. First, focus on the specific application of industrial and research on the sensor clustering strategies of WSN from industrial field application of view, propose a clustering scheme joint with industrial application scene. Since a sensor usually operates on battery, the network must be
7、power-efficient. Clustering has proven to be an effective technique to organize a large number of sensor nodes into a connected hierarchy to reduce the energy dissipation and improve the energy efficiency. Clustering algorithms such as LEACH, SEP and DEEC have been proposed in recent years, which im
8、prove the performance of WSN in various aspects such as energy efficiency, heterogeneity, cluster-head balance, etc. Basing on these existing clustering algorithms, a novel clustering scheme was proposed focusing on industrial application. The novel feature of this approach is as follows. Cluster he
9、ads are generated by referring residual energy, jointed with industrial noise and even other environment elements in industrial scene around node are weight value. This approach is reasonable and feasible to a certain extent in the field of industrial application where part nodes are fixed. Second,
10、focus on the background of industrial application and research on the node sleeping algorithms in clustered-network, then a node sleeping algorithm was proposed in industrial wireless sensor network. It exist redundant nodes when deploying WSN. In former researches, its rather useful to select part
11、redundant nodes in sleep mode to enhance energy efficiency and lifetime of network, under the condition that guarantee the detecting range and reliable communication. There are some sleeping algorithms in clustered-network, for example RS (Randomized Scheduling) algorithm, LDS (Linear Distance-based
12、 Scheduling) algorithm and sleeping scheduling based on AHP (Analytic Hierarchy Process). A novel sleeping algorithm was proposed focusing on industrial application under the condition of analyzing these existing sleeping algorithms. The novel feature of this approach is as follows. Three factors af
13、fect the selection of sleeping nodes based on AHP model and they are residual energy, the distance to cluster-head, industrial noise and other field random elements. The weight value of part factor is like Poisson Process along the run of network 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III ti
14、me. This has active influence on the whole balance of energy in network. At last, the simulation result in Matlab indicates that its feasible that clustering approach in industrial wireless sensor network and sleeping scheme based on this clustered-network. It has notable benefit on prolonging the l
15、ifetime of network and enhancing energy efficiency. Keywords: Wireless Sensor Networks; Industrial application; Clustering algorithm; Sleeping algorithm 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担
16、。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密?，在 年解密后适用本授权书。 不保密?。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 在工业上实现无线通信和控制是未来的发展趋势，美国能源部(DoE)在 2002 年发布的 “Indus
