恶劣环境下能量收集型无线传感器网络的可靠性研究

This project applies ambient energy harvesting wireless sensor networks in harsh desert environment, detects and traces the object region. However, due to instability characteristics of sensor nodes in harsh environment, the harvested energy and signal of a node are different along with the change of environment; hence, there are several problems like nodes unable to achieve synchronization, data link are always interrupted, data transmission rate and data reliability decreases. To solve these problems, this project study and explore network performance and data reliability from three points: node reliability, network reliability and data reliability. At first, we built experimental testbed in the desert environment and measure energy and the signal characteristics of nodes, and then combining with the mathematical theory to conclude the relationship among energy, data transmission rate and the number of nodes. Then, for improving the network reliability, propose a reliable link option algorithm that based on a Q value (sleep/work ratio) and this algorithm divide into night mode and day mode. A last, for achieving the reliable data transmission of detected area, propose a routing scheme in harsh environment, data aggregation scheme in night mode as well as a trade-off mechanism for different applications. By this project, verify the various performances of wireless sensor network powered by ambient energy in the harsh environment, improve the reliability of wireless sensor network in harsh environment, promote its application in harsh environments, so that contribute to the construction of ecological civilization.

本项目利用能量收集型无线传感器网络在恶劣的沙漠环境下进行目标环境的监测和跟踪。由于节点在恶劣环境中的不稳定特性，其能量和信号随环境的变化大，并且，存在节点间无法时钟同步、数据链路随时中断、数据传输率和可靠性降低等问题。为了解决以上问题，本项目从节点可靠性，网络可靠性以及数据可靠性三个方面进行研究并探索提高网络性能和数据可靠性能的方法。首先搭建实验网络并测试节点的能量特性和信号特性，结合数学模型化方法取得能量、数据传输量以及邻居节点数之间的关系模型。之后提出一种基于Q值（休眠/工作比）的、日夜不同模式的、链路选择方案，提高数据链路的可靠性。最后为了实现监测数据的可靠传输，分别提出了恶劣环境下的路由选择方法、夜间数据的可靠传输以及面向不同应用的网络权衡算法。通过此项目研究，了解EH-WSNs在沙漠中的各项性能，提高其在恶劣环境下的可靠性、推动其在恶劣环境下的应用，促进生态文明建设。

本项目利用能量收集型无线传感器网络在恶劣环境条件下进行了目标环境的监测和跟踪。由于节点在恶劣环境中的不稳定特性，本项目从节点可靠性，网络可靠性以及数据可靠性三个方面进行研究并探索提高网络性能和数据可靠性能的方法。在项目执行期内，完成工作如下：（1）搭建了户外太阳能收集平台，从不同季节、不同时间、不同放置角度、不同收集板等多维度收集并转化了太阳能，总结出了太阳能在本地的特性。（2）搭建了基本的实验网络并测试了能量收集型无线传感器网络的连通性等特点，结合马尔科夫链的方法模型化了收集能量与节点消耗能量之间的关系。（3）为了解决网络不可靠问题，提出了考虑了节点能量平衡的路由选择方法、基于能量的任务调度算法、针对恶劣天气的能量受限条件下基于网格的休眠调度算法、基于能量预测的路由选择方法等，从而提高了节点间链路的可靠性和网络平均寿命。（4）为了实现监测数据的可靠传输，分别提出并完成了堆积数据处理机制、数据优先级的数据处理方法、基于节点分布密度的数据可靠传输算法等。.通过此项目研究，了解到了EH-WSNs在恶劣环境中的能量收集和转化特点、网络运行中存在的气候、位置和环境引起的网络不可靠问题，以及进一步引发的数据堆积和数据丢失等数据不可靠问题。同时，本项目为以上问题提出了相应的解决方案，从而提高了EH-WSN在恶劣环境下的可靠性、推动其在恶劣环境下的应用，促进了偏远地区生态文明建设、对保障我国边境和人烟稀少区域的环境监测和数据传输提供了解决方案和基础数据。