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通过无人机网络收集数据西莉亚·亚斯敏·塔兹伯特引用此版本:西莉亚·亚斯敏·塔兹伯特。通过无人机网络收集数据。自动化。巴黎-北-巴黎第十三大学; MouloudMammeri大学(阿尔及利亚蒂齐-乌祖),2021年。法语。NNT:2021PA131096。电话:03920392HAL ID:电话:03920392https://theses.hal.science/tel-03920392提交日期:2023年HAL是一个多学科的开放存取档案馆,用于存放和传播科学研究论文,无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构,也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire巴黎第十三大学-巴黎北部索邦大学加利利科学、技术、健康博士学院通过无人博士论文提交人西莉亚·亚斯敏·塔兹伯特乌巴巴斯L2TI以获得于2021年12月15日在考试委员会面前进行答辩,考试委员会DAOUI MEHAMMED,UMMTO评审团Bouzefrane Samia,CNAM巴黎报告员MOUNGLA Hassine,巴黎大学报告员Boussetta Khaled,巴黎北部索邦大学考官ACHIR Nadjib,巴黎北部索邦大学博士..........................................生导师DJAMAH Tounsia,UMMTO博士............................................. 论文联合主任12谢谢你这项工作是在巴黎北部索邦大学的信息处理和传输实验室(L2 TI)和阿尔及利亚Tizi-Ouzou的Mouloud Mammeri大学的计算机科学研究实验室(LARI)进行的我要感谢巴黎北部索邦大学讲师Achir Nadjib先生对我的信任,他接受了我感谢他在整个工作过程中使我受益于他的巨大能力、他的知识严谨性、他的活力和他的效率如果没有他的无条件支持,这一论点是J’adresse我也要感谢那些同意并花时间阅读和评估我的作品的评审团成员此外,J’exprime 我们分享了美好的时光。最后,我不能不想到我的家人,他们因此,我感谢我亲爱的父母,是他们造就了今天的我,感谢我亲爱的丈夫,是他支持我所做的一切,感谢我的小王子艾兰,感谢我的兄弟和姻亲。 他们允许我在最好的条件下进行我的研究,我想向他们致敬。3目录1导言91.1背景和动机。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...91.2捐款111.3论文结构2无线传感器网络和数据收集152.1导言152.2静态无线传感器网络2.2.1无线电网络的定义和组成........................................................................2.2.2传感器节点的体系结构............................................................................2.2.3无线电网络的特点和限制2.2.4无线电网络的使用领域............................................................................2.2.5无线电网络21的能耗2.2.6优化WSN23中能耗的方法......................................................................2.2.7无线电网络的类型2.3传感器网络中的数据收集2.3.1传统数据收集2.3.2移动数据收集2.4无人机数据收集2.4.1功能和挑战362.4.2路线规划2.4.3结论443基于无人机的数据收集聚类方法4643.1导言463.2问题....................................................................................................................................的表述473.2.1集群的形成3.2.2能源......................................................................................................................消耗模型503.2.3无人机53的轨迹规划3.3测试和结果533.4结论564基于人工势场的数据采集方法584.1导言584.2动机594.3最新技术水平........................................................................................................4.4问题的定义4.5潜在功能:634.6测试和结果654.7结论705数据收集的动态策略5.1导言725.2动机745.3问题....................................................................................................................................的表述755.3.1系统概述5.3.2无线传感器的功耗模型............................................................................5.3.3通信模型和协议775.4数据收集策略5.4.1数据驱动的收集策略................................................................................5.4.2时间驱动的收集策略................................................................................5.5绩效评估5.5.1模拟参数5.5.2结果875.6结论9256结论946.1合成946.2论文95的贡献6.3前景966图表2.1无线网络网络的架构............................................................................................2.2传感器节点的体系结构........................................................................................2.3无线电网络20的应用领域....................................................................................2.4无线网络的类型[1] 252.5路由平面302.6经典扩散与MPR扩散[2] 302.7分层路由2.8移动下沉2.9移动继电器3.1无人机电路与最小跳数"h 553.2无人机功耗VS传感器节点功耗...........................................................................4.1捕获场划分为六边单元的表示第66章4.2时间与数据量4.3距离与数据量4.4不同行驶通过无人机收集不同数量的数据694.5传感器节点数与行进距离5.1系统的介绍。........................................................................................................ 765.2DDG 81策略的Hello包格式5.3DDG 81的TC包格式5.4TDG 83的HELLO包格式5.5TDG 84的TC包格式5.6数据收集速度75.7每行驶距离5.8收集的数据量与传感器节点5.9收集的有效数据量与传感器节点数。915.10 收集的有效数据量与捕获频率925.11 传感器节点的功耗....................................................................................................8图片列表2.1数据收集方案的比较3.1CC2420 53传感器的特性3.2DJI Phantom3标准高级54的规格4.1CC2420的特性5.1节点的发射器/接收器的功耗。....................................................................................775.2模拟参数。............................................................................................................ 859第一章引言1.1背景和动机近年来,无线通信领域的技术进步使得能够开发出具有低生产成本、低能耗和高灵活性的它们相互连接以形成无线传感器网络,该无线传感器网络可以部署在感兴趣的区域中,以满足污染、农业、结构和建筑物)到事件检测入侵、火灾和洪水),包括目标跟踪[90,8]。通常,大量的小型设备(节点)组成传感器网络或无线传感器网络(案情摘要)。节点被认为是资源有限的,即具有有限的板载存储器这些设备执行三个基本任务:(i)对环境的物理量进行采样,这些无线节点可以分布在远程检测区域上,例如人类无法访问的区域在这种情况下,数据收集成为在大多数研究工作中,传感器节点是静态的,捕获的数据通过网络传输到称为基站的节点。10或通过多跳无线通信下沉这些被称为"收敛广播",或者换句话说,多对一的 在这种情况下,有必要建立数据路由协议。后者将支持多个转发以将分组路由到目的地节点。由于网络拓扑的动态特性,此任务非常复杂实际上,当传感器节点耗尽其能量储备或由于环境条件而恶化时许多用于无线传感器网络的路由解决方案使用静态接收节点来收集数据。[66]在这些类型实际上,它们比网络中的其它节点被更多地请求,并且比其它节点消耗更多的能量,因为它们负责将分组从其它节点重传到接收器为了克服这个问题,最近的研究考虑在首先,研究人员考虑了地面数据收集 为了做到这一点,井结被放置在机器人上,[125]有时委托给人,甚至固定在动物身上。[51]最近,由于新的低成本飞行设备(也称为无人机或UAV)的开发,研究人员设想使用它们来帮助收集无线传感器网络中的数据。这种类型的无线传感器网络是移动无线传感器网络家族的一部分L’introduction de la mobilité dans les WSNs apporte beaucoup d’améliorationsmais 实际上,该方法不仅有助于减少整个网络中的传输和通信延迟,而且还减少了位于汇点附近的节点的能量消耗,从而延长了虽然这项工作包括提出无人机轨迹规划算法,用于在无线传感器网络中收集数据他们的目标是收获11网络中的最大数据量此外,目前民用无人机电池寿命有限,这加强了最大限度地减少其能耗的必要性总之,我们的目标是提供以下解决方案:— 最大化收集的数据量。— 最大化无线网络的使用寿命— 最大限度地降低无人机1.2贡献数据收集是WSN最重要的为了克服传统数据收集的问题,最近出现了有三种类型的下沉移动性随机移动性:下沉在捕获场中以这样一种方式移动;预定义移动性:下沉遵循预先计算的路径的静态方法;非预定义移动性:下沉在数据收集过程中发现其路径的为了在最终用户要求和网络限制之间提供最佳折衷,我们在整个贡献中回答了1. 如何最大限度地降低整个网络的能耗2. 如何有效地收集感官数据?3. 如何在最佳利用无线传感器网络资源的情况下实现这一目标?我们的第一个贡献是静态解决方案第一种方法是以优化的方式飞越所有传感器以恢复捕获的数据(最短路径)。后者的优点是它为网络提供了降低的能量成本。这是因为不需要路由协议不过,无人机将不得不长途飞行,这是一个缺点。因此,必须缩短无人机飞行路径的长度第二种方法是选择特定的传感器作为井,并且所有传感器必须将它们的数据发送到该井。因此,无人机可以从特定节点检索所有数据。不幸的是,即使这种方法节省了12通过显著减少其飞行时间,它可以增加网络的能量消耗实际上,数据必须通过传感器网络路由到井。此路由过程增加了网络中的数据包数量,从而增加了传感器的功耗 为此,我们提出了一种方法,其第一目标是最小化传感器消耗的能量,第二目标是通过最小化路径长度来最小化无人机的能量消耗。我们分两步解决这个问题。 对于簇头的选择,我们使用传感器和簇头之间允许的最大跳数作为标准然后,为了计算无人机覆盖所有簇头的路径,我们建议在我们的第二篇文章中,我们提出了一个基于人工势场(APF)的解决方案。该方法具有与先前提议相同的目标,即收集网络中存在简而言之,捕获场被划分为一组单元,在该组单元中可以找到一个或多个节点。这些细胞中的每一个都是虚拟力(吸引力)的来源。 后者对应于这些区域内的节点所施加的力的总和。在收集过程中,无人机将前往具有最大吸引力的区域,或者换句话说,前往数据最存在我们的第三个贡献是一个动态的解决方案无人机在简而言之,我们为网络中的每个节点分配一个权重,该权重与其在收集过程中的优先级相对应每当无人机必须选择目的地时,它就会前往权重最高的节点。 我们提出了两种基于效用函数的无人机路径规划解决方案。这些功能使用从传感器节点传输的信息,该信息使用OLSR路由协议在地面网络实际上,计算每个节点的权重所需的信息被添加到在OLSR执行期间交换的分组13第一个解决方案考虑了每个节点中存储的数据量以及该节点与无人机之间的距离实际上,该方法允许从网络收集最大量的数据我们发现,使用后一种正是在这个意义上,我们转向了第二个解决方案:我们在前一个解决方案中加入了一个参数,即数据的年龄。换句话说,网络中的每个节点根据存储在其缓冲区中的最旧数据的年龄被赋予权重。这种方法将使无人机能够在数据达到到期日期之前检索数据1.3论文的结构手稿的其余部分分为两个主要部分第一部分致力于第二部分由三章组成,代表我们的三个贡献。在第2章中,我们介绍了固定式无线传感器网络的一些基本定义、其特征、约束、组件及其应用领域。接下来,我们将用本章的一部分来讨论因此,我们将通过讨论流动性的好处、原因、流动性的类型和挑战,从总体上界定区域合作框架中的流动性。我们将重点关注数据收集器的移动性,特别是无线传感器网络中最重要的第三章介绍了我们的第一个贡献。该方法是使用无人机优化数据收集路径的静态方法它旨在研究网络和无人机的性能对获得的结果进行研究,以找到传感器节点消耗的能量与无人机飞行距离之间的最佳折衷在第四章中,我们提出了我们的第二个贡献,这是一个基于人工势场的启发式首先,我们提供了然后,我们将介绍我们的解决方案,该解决方案旨在引导无人机进入捕获区域,以收获最大量的数据14数据。第5章描述了我们的第三个贡献,这是一个动态解决方案我们对我们的建议进行了模拟,以这些模拟是在INET环境下进行的最后,在第6章中,我们给出了我们工作的结论在这里,我们将简要总结所作的贡献,并对未来的研究方向提出一些观点。15第二章无线传感器网络和数据2.1简介由于无线技术和数字电子学的进步,一些小型设备已经被用于形成解决各种问题所需的这些设备能够检测事件或数量、处理数据以及与其他设备通信 它们通常由低功耗无线电、多个智能传感器和嵌入式处理器组成。 今天,人们可以很容易地设想广泛的应用,如环境监测、安全、健康等。等等。在本章中,我们将接下来,我们将描述它的架构和应用领域。我们还将介绍在这些网络中收集数据的一些基本概念。最后,我们将介绍无人机(UAV)数据收集的最新技术水平、由此2.2静态无线网络2.2.1无线传感器网络的定义和组成无线传感器网络(RCSF)或无线传感器网络(MSN)是由大量节点组成的网络16将它们的读数发送到被认为是收集点的节点,在英语中称为汇节点或汇节点。该过程如图2.1所示组成无线网络的设备称为传感器节点它们的特点是体积小、计算和处理能力低、存储器少、能量容量有限、自组织和协作能力强、部署速度快、容错能力强、成本低无线传感器网络通常由多个传感器节点组成,这些传感器节点由电池供电,因此具有有限的能量它们的作用是捕获环境数据并将其传送到收集点无线传感器网络还包含一个接收器,用于接收来自不同传感器节点的数据一个传感器网络可以包含一个以上的图2.1.无线网络网络还包括一个数据处理中心,该中心该中心的作用是收集来自节点的数据并对其进行处理,图2.12.2.2传感器节点的体系结构传感器节点由四个基本单元组成:17能量控制根据需要,后者也可以具有图2.2用户还有更复杂的传感器,其具有在传感单元由两个子单元组成,一个是从本地环境中获取信息的物理捕获设备传感器节点可以具有一个或多个传感器该部分由一个处理器和一个集成了特定操作系统(例如TinyOS)的低容量存储单元组成该单元有两个接口:第一个接口用于从传感器单元获取信息第二接口用于将该信息传输到后者负责收发器单元也称为无线电模块,此单元允许网络节点相互通信。事实上,它确实18通过无线电介质传输和接收所有数据可以使用三种无线通信介质:激光、红外和射频(RF)。RF仍然是最广泛使用的传感器通信方式能量控制单元它用于为所有其他组件供电然而,由于其较小的尺寸,其可获得的电池是有限的,并且通常既不能充电也不能更换。为此,2.2.3无线传感器网络的特点和制约因素传感器网络受到几个设计因素的影响,这些设计因素利用无线网络的特性和约束来设计适当的算法和协议。这些因素如下所示:传感器节点的自配置:在无线传感器网络中,传感器节点通常由飞机或无人机等随机部署在捕获区域内。 它们具有用于与它们的邻居节点交换信息以建立网络拓扑的通信单元。由于某些节点的偶尔故障节点的添加或这些节点的移动性,该可扩展性:传感器网络必须是可扩展的,即能够支持非常大量的节点,同时有可能在一个区域内增加节点的数量和密度(可能超过20个节点/m²)。这些网络的协议设计必须能够考虑到传感器节点的数量,并在其增加时进行容错:传感器节点可能经历的故障会中断无线这些故障或故障通常是由缺乏能量或外部相互作用(物理损坏、环境干扰)引起的容错是指无线传感器网络在发生故障后不间断地保持传感器网络功能的能力。
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