基于风能收集的无线传感器网络中的节能控制和数据保护的研究

【摘要】：无线传感器网络是一种基于无线射频通信技术的多跳自组网络，由随机部署在监测空间内的无线传感器节点组成。它的诞生是微电子集成技术、数字信号处理技术、传感技术、无线通信RFID技术以及嵌入式计算机技术快速发展的结果。节点上搭载多种传感器，能够实时感知部署区域内监测对象的信息，并将信息通过无线传输给用户。传感器节点方便部署、价格低廉，因此无线传感器网络在农业、军事、建筑等领域都有广泛的应用。 无线传感器网络用途广泛，但传感器网络的发展也存在诸多制约。比如在能量方面的限制，由于它的供电多采用干电池等移动电源，更换电源极不方便。在数据保护方面，在无法直达Sink的监测环境中，传感器感知的环境信息无法及时的传递到用户手中。在能量和数据方面的弊端成为制约其大范围应用的主要因素。尽管已有的无线传感器网络系统中提出了针对能量和数据问题的解决方案，但都没有将两者整合。本文针对无线传感器网络目前所面临的能量限制和数据保护两方面的制约，将两个问题合并研究，并提出了一种简易的风能收集装置，一个高效精确的能量控制策略，一套有效的基于能量感知的数据收集策略。通过风能收集装置收集风能并将能量存储，通过能量控制策略将能量合理利用，通过数据保护策略将数据安全的传送给远端用户。实验证明，本文所设计的系统能延长无线传感器网络的工作时长并能最大程度的保证网络中的数据安全。本文的研究内容如下： (1)深入分析了传感器网络风能收集的特点，在对风能发电机底座、扇叶以及各种储能超级电容对比试验的基础上，设计了一套基于风力发电的风能收集、风能存储和风能控制装置，实现与传感器节点的无缝连接。 (2)在对风能收集研究的基础上，提出了一种基于能量等级的传输功率控制策略，通过调整节点的操作模式，形成分层的网络架构，优先使用高能量水平、充电和漏电迅速的节点，从而使低能量水平的节点工作时间得以延长，进而延长整个传感器网络的工作时间。 (3)提出了基于能量感知的数据收集策略，在无线传感器网络中建立特殊的区域用来保存网络中的数据，根据节点所处能量的不同水平来决定数据保护策略的控制机制。 【关键词】：无线传感器网络 风能收集 能量控制 数据保护
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP212.9;TN929.5;TP309.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景及意义10-12
• 1.2 能量控制和数据保护的国内外研究现状12-14
• 1.3 研究内容14-15
• 1.4 本文结构15-16
• 第2章 无线传感器网络概述16-22
• 2.1 无线传感器网络结构组成16-19
• 2.1.1 无线传感器网络结构16-17
• 2.1.2 无线传感器网络节点的硬件结构17
• 2.1.3 无线传感器网络节点的软件结构17-19
• 2.2 无线传感器网络的综合特点19-20
• 2.3 无线传感器网络的应用领域20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 无线传感器网络中的能量控制和数据保护22-33
• 3.1 无线传感器网络中的能量控制概述22-24
• 3.1.1 无线传感器网络能量控制的研究方向22-23
• 3.1.2 无线传感器网络能量控制目标23-24
• 3.2 无线传感器网络现有的能量控制方案24-30
• 3.2.1 现有的能量收集方案24-29
• 3.2.2 现有能量收集方案总结29-30
• 3.3 无线传感器网络中的数据保护概述30-32
• 3.3.1 现有的数据保护方案30-32
• 3.3.2 现有的数据保护方案总结32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 基于风能收集的节能控制和数据保护方案33-51
• 4.1 本系统模型设计和预备知识33-35
• 4.1.1 问题描述33-34
• 4.1.2 系统模型设计方案34-35
• 4.2 风能收集的实现35-43
• 4.2.1 风能收集装置总体设计35-41
• 4.2.2 风能收集电路设计和控制机制41-43
• 4.3 能量控制机制实现43-46
• 4.3.1 网络拓扑结构的特征指定和系统参数43-44
• 4.3.2 多传输范围选择44-45
• 4.3.3 数据包传送控制45-46
• 4.4 数据保护机制实现46-50
• 4.4.1 DEDC 设计46-48
• 4.4.2 DEDC 机制实现48-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第5章 实验分析51-56
• 5.1 实验平台51-52
• 5.2 性能分析52-55
• 5.3 本章小结55-56
• 第6章 总结与展望56-58
• 6.1 全文总结56
• 6.2 研究展望56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63
• 附录63

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