无线传感器网络三维覆盖控制及在湿地水环境监测中的应用研究

Coverage control is an important part in the construction of wetland water environment monitoring system based on wireless sensor networks (WSNs). It is also the research basis of underwater WSNs technology. The key scientific issues research of underwater three-dimensional spatial coverage control has important theoretical significance, and the research achievements have wide application prospects. WSNs three-dimensional coverage control oriented wetland water environment monitoring is limited by many water environmental features, such as numerous underwater plankton and obstacles, nodes drift with the water flow, fast signal attenuation and large time delay, difficult to achieve node localization and time synchronization, so this research faces many new difficulties and challenges. The main contents of this project are as follows: 1) According to the propagation characteristics of the measured data and physical parameters of wetland water environment, sensing and moving models of nodes which match the actual are established. 2) The corresponding coverage control strategy is proposed according to the features of the wetland water environment. It include the regulation of power and density of the node, identification delay and network connectivity, the establishment of underwater network time synchronization mechanism, optimal node scheduling/status control strategy and K-coverage control strategy based on collaborative information processing. Thus the performance comparison of the coverage control methods is achieved. 3) Sensing and moving model fitting, algorithm testing and evaluation are accessed by adopting a test bed system under actual water environment.

覆盖控制是构建基于无线传感器网络（WSNs）的湿地水环境监测系统的重要环节，是水下WSNs诸多技术的研究基础，开展水下三维空间覆盖控制的关键科学问题研究具有重要的理论意义，其研究成果亦具有广泛的应用前景。面向湿地水环境监测的WSNs三维覆盖控制受限于诸多水环境特点，如水下浮游生物、障碍物较多，节点随水流动态漂移，信号衰减快、时延大，节点定位和时间同步难等，其研究面临着诸多新难题和挑战。本项目主要研究内容包括：1）根据湿地水环境的实测数据和物理参数的传播特性，建立与实际相符的节点感知和移动模型；2）根据湿地水环境的特点，提出相应的覆盖控制策略，包括调节节点功率和密度、辨识时延和网络连通性，建立水下全网的时间同步机制，建立最优节点调度/状态控制策略，建立基于协同信息处理的K－覆盖控制策略，开展覆盖控制方法的性能比较；3）利用测试床系统在实际水环境中进行节点感知、移动模型的拟合和算法测试、评估。

本项目致力于研究面向湿地水环境监测的无线传感器网络三维覆盖控制方法，主要包括了以下内容：1）针对湿地水环境信号传播衰减特性，建立了适合水下信号传播时延大、带宽有限、信号受多径传播和多普勒频移严重衰减等特点的传感器节点感知模型和移动模型；研究了在保证网络连通度前提下的节点功率调节和节点密度间的动态平衡策略，并在动态网络中有效地辨识时延和网络连通性；针对湿地水环境监测的特殊性和约束条件，完善了传感器网络三维覆盖控制方法的性能评价体系。2）针对湿地水环境的诸多特点，如水下浮游生物、障碍物较多，节点随水流动态漂移，信号传播衰减快、时延大，节点定位和时间同步困难等，研究设计了基于最优化策略、计算几何、智能启发等的水下传感器网络覆盖控制方法体系，并建立了考虑网络覆盖率、连通率，节点总移动距离、网络能耗，网络可靠性，算法计算复杂度等性能指标的水下传感器网络覆盖控制方法综合评价体系；并对相应的算法在NS-2、opnet等仿真系统中进行验证和优化。3）在软件工程框架下对覆盖控制算法进行集成和模块化封装，并将其嵌入到自主研发的“基于WSNs的水质多参数监测测试床系统”中；编写了与仿真系统的接口软件，实现了仿真系统与实际系统的集成互联，并在校园人工湖中进行了算法的实测、评估和完善。在西溪湿地上进行了实地测试和评估，根据实测数据对算法进行了优化。. 上述研究工作为构建可实用的水下传感器网络监测系统奠定了基础，相关研究成果已投稿于传感器网络、大数据分析方向的SCI分区2源刊或EI检索的一级学术期刊（已发表20篇、录用2篇），并授权15项国家发明专利、获得1项中国自动化学会科学技术进步一等奖，项目组以本项目的相关研究成果作为研究工作基础成功申请了国家科技部国家重点研发计划专项、国家自然科学基金委-浙江两化融合联合重点基金、浙江省科技厅省重点研发计划等项目。