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海洋增强型监测物联网组网方案研究

海洋增强型监测物联网组网方案研究

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作者：韩结爱上海海洋大学

学位级别：硕士

我国大陆海域辽阔，包含着丰富的能源和资源，由于陆地资源的逐渐减少，海洋资源在人类的生活中的重要性呈现出日趋上升的趋势。但是，随着人类对海洋的探索的深入和生活垃圾的任意排放，导致海洋灾害、海洋生态等各种海洋污染问题严重... 详细信息

我国大陆海域辽阔，包含着丰富的能源和资源，由于陆地资源的逐渐减少，海洋资源在人类的生活中的重要性呈现出日趋上升的趋势。但是，随着人类对海洋的探索的深入和生活垃圾的任意排放，导致海洋灾害、海洋生态等各种海洋污染问题严重，加强海洋环境保护刻不容缓。2013年7月30日，习近平在中共中央政治局第八次集体学习时明确提到，要更深入的关心、认识和经略海洋，推动海洋强国建设[1]。如何实现对海洋资源的合理有效的开发和利用，是关系到发展海洋经济和我国经济的可持续发展的大问题。对海洋环境的良好的认知是保护海洋环境和开发海洋资源的前提，而海洋环境监测是认知海洋的最重要的手段。所以，要更好的研究和大力发展海洋环境监测技术，为了更好的推进海洋环境的高效管理、防灾减灾、资源保护、海上军事、作业等活动，为它们提供良好的技术支撑作用和信息平台。自从1991年美国麻省理工学院首次提出物联网概念以来，这项技术已经发展成为继计算机和互联网之后全球信息产业发展的新一代信息技术，被称为第三次浪潮。将物联网技术应用到海洋环境领域，实现海洋增强型监测物联网是大势所需。ZigBee协议由IEEE802.15.4工作小组和ZigBee Alliance合作研究和制定，该无线通信技术作为物联网关键技术之一，具有低功耗、低成本、低复杂度、高可靠性的特点，能很好的满足无线传感器对于低成本、低功耗、高容错性的要求，是无线传感器网络实现自组网的不二之选，加之可嵌入到电子设备中，支持地理定位，尤其适用于海洋环境监控领域。海洋监测系统通过采用岸站监测中心、卫星遥感和海洋浮标、监测船等监测手段于一体，借助于部署在实际检测海域的各种传感器、浮标等无线监测节点，完成对温湿度、盐度、深度、洋流、叶绿素、浊度等海洋参数进行采集。由于无线监测节点一般采用锂电池供电，且部署在环境恶劣的海洋环境中，即使大型浮标采用电池与太阳能相结合的供电方式，电池充放电循环次数达到一定值后，其容量也会越来越小，减少到初始值的80%就基本不工作了，一旦电池能量耗尽或者不再工作，人工充电或者更换电池成本大、操作复杂，因此，在海洋环境监测系统中，必须确保整个系统的可靠性和稳定性，通过节能策略可以有效的延长网络的使用寿命。设计和优化MAC（介质访问控制）协议、路由协议，可以提高无线通信的效率，降低网络能量的消耗;数据融合的目的是去掉冗余，只保留有用的信息，可以有效的降低网络负载，必须要综合考虑通信代价和数据融合代价，使两者达到平衡，才能降低网络总能耗;拓扑控制的作用是保证网络的连通质量和覆盖质量，提高路由协议效率，同时兼顾网络简单性、可靠性、可扩展性等性能，对网络进行优化;休眠机制让传感器节点周期性的工作与休眠，是节点能量管理的重要手段。本文围绕海洋环境监控系统重点研究无线传感网的智能组网方案。文章借助于NS2仿真平台，建立了ZigBee节点的模型，分析了网络的zbr算法和组网流程，动画模拟了网络的组网过程，通过仿真实验探索和总结了不同拓扑结构在不同的激活各个节点的时间间隔下完成网络的建立所需时间的规律，最后结合软硬件的设计，完成了小型无线传感网实验，实验结果证明了前面所得规律的科学性。在实际应用中，可以将节点部署成多个星型拓扑结构，设置好依次上电激活不同节点的时间，可以有效减少组网过程中的信标冲突，降低建立网络所用时间，从而减少网络能耗，延长网络使用寿命。

关键词：海洋环境监测组网方案 ZigBee 节能策略 zbr算法最佳时间间隔

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基于IEEE 802.15.4的WSN簇树路由算法和MAC协议设计

基于IEEE 802.15.4的WSN簇树路由算法和MAC协议设计

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作者：袁有义兰州理工大学

学位级别：硕士

基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)具有低能耗、低成本、易扩展等优点,在物联网、智能医疗等领域有重要的应用前景。该标准定义超帧结构,实现低占空比技术与混合CSMA/TDMA技术的有效结合;定义簇树拓... 详细信息

基于IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)具有低能耗、低成本、易扩展等优点,在物联网、智能医疗等领域有重要的应用前景。该标准定义超帧结构,实现低占空比技术与混合CSMA/TDMA技术的有效结合;定义簇树拓扑结构,易于扩展网络规模。在无线传感器网络路由算法和MAC协议设计方面,现有的研究成果大多关于实现全网任意节点间的路由构建和数据传输,而新科技的发展对其提出新的要求,许多应用场景需要汇聚节点从网络各节点收集数据来集中处理。为满足这种需求,本文为可移动无线传感器网络提出基于邻居表的簇树路由算法,即NT-CTR路由算法,以及基于共享时隙的MAC协议,即SS-MAC。NT-CTR算法借鉴zbr(ZigBee Routing)、Cluster-Tree两种典型簇树路由算法优点,并对其进行较大地改进和创新:将节点分为汇聚节点、簇头节点和成员节点三类,以执行不同的路由功能;考虑节点间的距离和移动性,且对汇聚节点的子节点数进行特殊设置,以减小网络最大深度和数据帧端到端时延;采用分步式构建网络拓扑,以减小控制开销。算法重点设计网络地址分配策略、消息帧格式、邻居表格式及算法具体流程。SS-MAC协议用于从NT-CTR算法构建的网络中收集数据,协议改进了IEEE802.15.4标准定义的混合CSMA/TDMA技术和跳频机制,以降低节点间干扰;提出共享时隙分配算法,以异步唤醒网络节点;定期调整占空比和共享时隙长度,以适应动态流量负载。本文详细设计SS-MAC协议的网络运行周期、共享时隙算法及数据收集过程。然后,推导共享时隙参数及网络能耗的数学表达式,并利用排队理论分析成员节点的分组平均等待时间及其影响因素。通过MATLAB仿真分析和对比NT-CTR、Cluster-Tree、zbr三种算法的分组投递率、路由控制开销等性能。结果表明,在节点数量较多或者通信半径较大的情况下NT-CTR算法的分组投递率和分组平均跳数性能表现最佳,而路由控制开销居于另外两种算法之间。同样地,与IEEE 802.15.4标准的对比仿真结果表明,本文提出的SS-MAC协议能较好地适应大规模簇树无线传感器网络,且在相同条件下分组时延和吞吐量性能表现更佳。

关键词：无线传感器网络 IEEE802.15.4 混合CSMA/TDMA Cluster-Tree算法 zbr算法

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面向小区公共车位的可视化智能停车系统的研究

面向小区公共车位的可视化智能停车系统的研究

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作者：张文杰桂林电子科技大学

学位级别：硕士

智能停车是智慧城市的重要组成部分。然而,近二十年来,由于经济和人口的迅速增长,一些采用公共车位的老旧小区由于早期规划落后而频繁出现车辆过多而停车位不足的现象,车位利用率低,居民停车体验差。为了提高用户在小区内使用公共车位... 详细信息

智能停车是智慧城市的重要组成部分。然而,近二十年来,由于经济和人口的迅速增长,一些采用公共车位的老旧小区由于早期规划落后而频繁出现车辆过多而停车位不足的现象,车位利用率低,居民停车体验差。为了提高用户在小区内使用公共车位时的停车效率与车位利用率,本文设计了一种车位可视化的小区智能停车系统,能够将每个车位的位置与状态在微信小程序中显示出来,供车主实时查看小区内空闲车位的数量与位置。论文主要研究内容如下:(1)针对小区环境内Wi-Fi网络会对Zigbee网络造成干扰的问题,本文提出了一种基于平均RSSI的Zigbee信道自适应选择优化策略。该策略通过协调器定期收集各节点的RSSI的瞬时值并计算其平均值,如果在一定时间内平均RSSI低于预设阈值,就进行信道自适应切换,寻找更合适的信道建立网络。实验结果显示,该策略在传统的CSMA/CA算法的基础上,不仅能够减少同信道的数据碰撞,而且能够将Zigbee网络切换到更优的信道上,进一步降低数据冲突。(2)针对传统Zigbee路由算法在路由发现时的网络泛洪以及最优路径上的节点与其他节点资源损耗不均导致掉线的问题,本文提出了一种结合节点深度判定和概率因子的zbr改进算法。该算法首先在路由发现过程中,对目标节点的节点深度进行判定,限制RREQ的广播深度不超过目标节点的父节点的节点深度。其次,该算法计算并存储节点Ni到节点Nj的传输路径的概率Pij在节点Ni的邻居表和路由表中,当节点需要发送数据时,根据路由表中的概率路径选择下一跳节点。实验结果显示,该算法相比传统算法,能够减少路由表中只存储最优路径的局限性,每条概率路径都会被存放在路由表中,并且能够降低死亡节点个数和提高平均剩余能量比例。(3)针对用户获取非可视化车位信息步骤繁琐的问题,本文提出了一种基于微信小程序平台的可视化智能停车系统。该系统首先利用经过声速修正的超声波检测车位状态,并通过Zigbee协议和MQTT协议构建数据传输通道。然后通过E-R图设计数据库表,存储用户、小区、车位等信息。接着为了进一步缩短用户浏览时间,提出车位推荐算法,根据用户的登录信息推荐最适合的空闲车位并在车位界面上突出显示。最后通过软硬件结合实现车位在微信小程序上可视化展示。

关键词：超声波测距 Zigbee协议 zbr算法 MQTT协议微信小程序

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