基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议

近年来,水下物联网和海洋物联网已经成为一个热门的研究方向,水声传感器网络路由协议作为海洋物联网的重要组成部分也得到研究人员的广泛重视。因此在HH-VBF协议的基础上,提出一种基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议——ES-HH-VBF协议。ES-HH-VBF协议在保留了将下一跳节点的位置信息作为计算节点转发因子的参考值的基础上,引入了节点剩余能量改进节点转发因子的计算方式,以此来均衡网络中的能量消耗;并且还将预设的距离阈值由HH-VBF协议中的固定值改为根据节点剩余能量变化的动态值,从而可以动态地控制数据冗余。为了验证ES-HH-VBF协议的性能,在水下传感器网络仿真器Aqua-Sim上对HH-VBF协议和ES-HH-VBF协议的性能进行了对比分析。仿真结果表明,随着节点发包间隔的增加,ES-HH-VBF协议的包传递率比HH-VBF协议的包传递率高4.2%左右,网络平均时延比HH-VBF协议低11.3%左右,网络平均能耗比HH-VBF协议低8.2%左右。通过对ES-HH-VBF协议和HH-VBF协议的仿真实验分析可知,ES-HH-VBF协议在提高数据包传递率、降低平均能耗和降低平均延时方面具有较大优势。

自然河流中压电能量收集系统信号检测装置的设计与实现

涡致振动压电能量收集系统对在自然界中产生的压电信号进行信号分析相较于在固定实验室中进行实验分析更具备科学意义,因此笔者设计了一种适用于自然河流环境下的压电信号采集、检测装置,并通过实验验证了该装置对压电信号采集的有效性.该系统利用“L”型支架将阻流体、压电悬臂梁等器件固定于漂流船底部,将航速调整模块、压电信号采集装置和蓝牙通信模块放置于漂流船内.在实际实验中,利用岸上的上位机通过蓝牙通信模块向航速调整模块下达指令,控制漂流船的航行速度模拟出不同的水流速度,使船内压电信号采集装置采集到不同水流速下压电悬臂梁产生的能量信号,并将其转换后通过蓝牙模块发送到岸上的接收处理系统进行存储分析.实验研究表明:在实验水域、水速范围内,该装置能够实现对自然河流中压电信号的采集;电压信号随着水流速的提高而增大.

基于WOSS的NS-Miracle水声信道模拟方法扩展

将世界海洋仿真系统(World Ocean Simulation System,WOSS)与声射线模型Bellhop结合并引入海洋噪声经验公式对NS-Miracle仿真系统的水声传输信道模拟方法进行扩展。为了验证扩展后的仿真系统,实验采用了基于水声信道特征经验模型、Bellhop射线模型及WOSS结合Bellhop射线模型的3种仿真方法对5个节点集中式拓扑结构的水下传感器网络进行了计算机仿真。结果表明,在相同的网络环境中,利用Bellhop信道仿真模型的两组实验的平均吞吐量、平均延时非常接近,而利用经验信道模型的第一组仿真得到的平均吞吐量和延时与后两组数据的差别稍大,三者的平均误包率非常接近。同时实验仿真了3个不同海域相同结构水下传感器网络的运行情况,分析引入WOSS后对仿真结果的影响。结果显示:在不同海域引入WOSS的系统仿真结果比未引入WOSS的系统仿真结果更具有实时动态性,扩展后的NS2/NS-Miracle仿真系统能够更准确地模拟实际水声网络的相关特性。另外,实验还利用扩展后的系统对ALOHA-CS、CSMA/CA和DACAP三种MAC协议进行了仿真和分析,结果显示,CSMA/CA协议相较于其他两种协议更适合集中式结构的水下传感器网络。

基于节点位置的水声传感器网络功率控制MAC协议

针对水声传感器网络能耗高和数据传输质量低的问题,基于路径增强介质访问控制(Routing enhanced-MAC,R-MAC)协议,提出一种根据节点位置信息进行功率控制的路由增强介质访问控制(PC-RMAC)协议。根据接收功率阈值、传感器节点换能器的发射和接收天线增益、系统损耗因子、声波频率及节点间实际距离,计算出最优发送功率并进行动态调整,从而减少节点发送数据产生的能量消耗,进而提高网络能量利用率,延长网络的生命周期。仿真结果表明,网络中节点间距离在700 m范围内,PC-RMAC协议的数据包传递率比R-MAC协议高1%左右,平均能耗略低,平均延时低30%左右;而节点间距离在700~900 m范围内,PC-RMAC协议在数据包传递率、平均能耗和平均延时方面的优势明显增加,从而验证了理论分析的正确性。

布袋除尘器耗损件生命周期监控策略

针对除尘器内滤袋生命周期监测问题,提出一种基于物联网传感器技术的滤袋生命周期监控策略,通过压力传感器MS5611对除尘器滤袋的压力进行实时监测,并通过其内部集成ZigBee协议的CC2530无线通信模块,将数据传送到主控接收端.主控接收端通过具有相同ZigBee协议的无线模块进行接收,并对接收到的数据进行存储、分析和处理,计算滤袋当前运行状态以及除尘器的工作效率.运行结果表明:该系统具有实时性,灵活地随环境变化做出响应,并可以根据不同气候、不同季节为滤袋更换制定不同的方案,具有实际意义.

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3~4.0,中心距为3 D^6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5 D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10-3 m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。

水声传感器网络MAC协议UW-CSMA/CA的NAV优化

水声传感器网络UW-CSMA/CA协议依据源节点与目的节点间最大传播延时确定NAV,这将导致发生网络延时冗余问题,从而降低网络吞吐量。基于此协议,提出了一种根据节点实际距离计算NAV的AN-MAC协议。该协议根据节点间的实际传输距离计算出传播延时并存储在控制帧中,将节点间实际传播延时替换最大延时来计算NAV,可以有效减少网络冗余延时。为了提高仿真结果的有效性,在NS-Miracle仿真器中将Bellhop和世界海洋仿真系统WOSS相结合,对2种协议进行仿真和比较。结果表明,AN-MAC协议较UW-CSMA/CA协议在吞吐量和传输延时方面均有改善。

基于物联网的雾化降尘效果优化研究

基于物联网对矿料处理及输送流程中粉尘扩散程度进行智能化研究,对不同处理阶段的粉尘浓度进行监测、采集及分析,从而确定有效的降尘距离,合理排布雾化降尘装置,达到高效降尘的效果.应用结果显示:该系统具有高效性、准确性、实时性、安全性、响应速度快、绿色环保等优点,很大程度地优化了矿料处理过程的环境,并提高了矿料生产效率,符合建设美丽中国的美好愿望.

基于水下无线传感器网络路由协议的仿真

水下环境的复杂特性是水下传感器网络(UWSN)设计路由协议时面临的挑战。为了在源节点和目的节点之间建立高效、可靠的传输路径,分别对基于压力的路由协议、节能型路由协议及基于矢量转发的路由协议进行论述和分析,对各种路由协议性能进行了评述。并采用Aqua-Sim仿真软件对基于矢量转发的VBF协议和HH-VBF协议进行了仿真分析。结果表明,HH-VBF协议在数据包传递率和平均剩余能量方面要优于VBF协议,该仿真验证了理论分析的正确性。

筛分车间矿料仓除尘优化策略

利用物联网技术解决布料车向筛分车间矿料仓进行布料时产生粉尘扩散的问题.将粉尘浓度传感器、嵌入式处理器STM32F103B、CAN总线收发器有效地组合构成落料仓物联网传感器,监测矿料仓各个落料口在布料车布料时产生的实时粉尘扩散及滞后情况,并将采集到的数据通过ZigBee无线通信模块CC2430发送到中央控制室,由中央控制室对收集到的数据进行分析、处理.中央控制室根据现场粉尘扩散情况,调整筛分车间集中除尘器运行功率,解决落料口在布料期间实时粉尘及布料后的滞后粉尘扩散问题.

仿海底洋流实验中水流动状况智能监控系统

在实验室做仿海底洋流模拟实验中发现利用水泵作为水循环装置时,仿海底管道中会产生较大的紊流与海底真实环境不符,为确定压电能量收集器的最佳放置区间,提出一种基于无线传感器网络的水流动状况监控策略.该监控策略通过芯片式加速度传感器对水循环廊道内的水流情况进行实时监测,并将监测到的水流数据通过Wi-Fi协议传送到上位机进行处理.实验利用水泵作为水循环装置,对规格为10 cm×10 cm×100 cm玻璃廊道内放置的3个三轴加速度传感器的采集数据进行分析.结果表明在距廊道入水口42~74 cm区间内水流较为平稳,未产生紊流现象,从而确定了压电能量收集器的最佳放置区间.