1、基于无线传感器网络的果园生态环境监测关键技术研究基于无线传感器网络的果园生态环境监测关键技术研究 摘要无线传感器网络是传感器技术与无线通信技术的结合产物,它具有低能耗、低成本、自组织、部署方便、组网灵活等优点。通过对果园生态环境系统采用无线传感器网络计策技术，使果园得到更加高效的信息采集，实时监控。本文首先介绍了无线传感器网络的研究意义和发展现状，同时介绍了有关无线传感器网络的相关知识和关键技术，并对部分关键技术进行了分析和研究，最后本文提出基于无线传感器网络的果园生态环境监测关键技术研究。关键词：无线传感器网络;生态环境系统监测;分簇算法;MAC协议;数据融合;拓扑结构THE KEY TEC
2、HNOLOGY RESEARCH OF GARDEN ECOLOGICAL ENVIRONMENT MONITORING BASED ON WIRELESS SENSOR NETWORKABSTRACTWireless sensor network (WSN) is a combination of sensor technology and wireless communication technology, it has low energy consumption, low cost, self-organization, easy deployment, flexible networ
3、king, etc. Through the orchard ecological environment system using wireless sensor network plan technology, make the orchard gets more efficient information acquisition, real-time monitoring. This paper first introduces the research significance and current situation of the development of wireless s
4、ensor network (WSN), at the same time introduced the relevant knowledge about the wireless sensor network and the key technology, and analyzed the key technologies and research, finally in this paper, based on wireless sensor network (WSN) of orchard ecological environment monitoring key technology
5、research.KEY WORDS: Wireless sensor network (WSN); Ecological environment monitoring system; Clustering algorithm; MAC protocols; Data fusion; topology目录1绪论 31.1本课题的研究背景 31.2本课题的研究目的及意义 31.3 本文的主要工作 31.4本文的组织结构 32无线传感器网络的研究现状 32.1国外研究现状 32.2国内研究现状 33无线传感器网络概述 33.1无线传感器网络简介 33.2无线传感器网络的特点 33.3无线传感器网络
6、的部分关键技术 33.3.1分簇算法与结构 33.3.2 MAC协议 33.3.3数据融合 34基于无线传感器网络的果园生态环境监测关键技术研究 34.1数据帧格式设计 34.2非均匀节点布放的链式拓扑结构设计 34.3山地果园分簇拓扑结构设计 34.4拟采用分簇算法构思 35总结 31绪论1.1本课题的研究背景随着无线传感器网络技术的发展，越来越多的领域开始应用此技术，无线传感器网络技术在农业领域的应用也变得更加普遍。我国现阶段大力发展农业信息化产业，在果园种植领域，农业信息化的普及程度正在随着信息技术的进步而逐步提升。在此背景下，将无线传感器网络技术应用于果园生态环境已成为未来果园环境监测
7、技术的发展趋势。当今世界，随着计算机技术与无线通信技术的不断进步，人类在探索复合技术的道路上不断开拓出新的领域，对于无限传感器网络来而言，作为一项新兴技术，尤其是在我国，正在得到越来越多的人的重视和研究。我国在无线传感器网络技术领域虽然起步较晚，但在国家的大力支持下，无线传感器网络正在成为一项吸引无数相关研究人员和技术爱好者与不断探索和研发的技术。它在中国这个以技术为创新为重点的国家已经找到了合适的生存土壤。在我们生活中的给各个领域，已经逐渐出现无线传感器网络的身影。在与我国传统农业相结合的领域中，其巨大的发展潜力和广阔的应用前景正在让更多的人投入到这项研究中来。1.2本课题的研究目的及意义本
8、课题的研究目的是为了根据已有的无线传感器网络的关键技术构建出一种理论上可行的基于无线传感器网络的果园生态环境监测的关键技术。无线传感器网络技术与果园生态环境相结合，对于当今无线传感器网络的应用，是一个具有巨大拓展潜力的农业信息化应用。通过对果园环境的智能监测，不仅可以为未来的无线传感器网络技术提供更大的发展空间，更有利于我国的农业现代化建设。本文的研究在发展和探索基于果园生态环境的无线传感器网络监测技术上提出了个别改进建议，为今后果园生态环境监测的发展提供了一种可能。同时，对于无线传感器网络的应用拓展也起到了积极的作用。无线传感网络的巨大优势，是通过对特定区域内环境数据的信息采集而体现出的。为
9、了让其优势在果园生态环境中得到进一步体现，在认识其相关理论知识的基础上，更要对果园生态环境有一个全面而具体的认知。由于果园生态环境的特殊性，在这一领域内研究无限传感器网络技术的研究人员并不多，因此相关技术创新和改进理论并不十分丰富。为了让无线传感器网络技术在果园生态环境监测领域内有更大的发展，本文通过研究无线传感器网络的部分关键技术，让其适应果园的特殊环境并作出改进，为日后的研究提供了一种理论思想，也提供了一条可供参考的实现途径。1.3 本文的主要工作本文的主要内容如下：1、分别对国内，国外研究现状进行介绍，通过比较而得出相关结论，对国内外无线传感器网络的研究现状有了更加全面的认识。2、对于无
10、线传感器网络最基本的理论体系，包括对无线传感器网络的架构，传感器节点的构成以及无线传感器网络的拓扑结构做出了详细的阐述。3、详细说明了无线传感器网络中出现的关键性技术，包括无线传感器网络中的分簇算法与结构、MAC协议以及数据融合技术。4、设计和构思了果园环境监测所需要的关键技术，包含对数据帧的重新设计，设计出两种适用于不同果园生态环境的分簇拓扑结构，最后对采用HEED分簇算法应用于果园生态环境监测进行了论述。1.4本文的组织结构为了更加明确的阐述本文所涉及到的研究内容，本节按以下章节分别介绍：第一章：绪论，主要介绍了基于无线传感器网络的果园生态环境关键技术的研究背景、研究目的及意义、文章的主要
11、工作内容。第二章：无线传感器网络的研究现状，主要介绍了国内外现阶段无线传感器网络的研究成果。第三章：无线传感器网络概述，包括无线传感器技术的简介，无线传感器网络的特点，一部分无线传感器网络中用到的关键技术的论述。第四章：构思出在果园生态环境中应用的无线传感器网络的关键技术，包含果园生态环境的数据帧，设计两种基于不同果园环境的分簇拓扑结构，提出利用HEED分簇算法设计果园生态环境的理论依据。2无线传感器网络的研究现状 无线传感器网络在国内外的研究中得到了全面而广泛的重视。因而不断有新的无线传感器网络理论提出，本章对国内外的相关研究成果做出了归纳整理，并对国内外研究现状的差异给出了适当结论。美国“
12、智慧地球”、日本“u-Japan”、韩国“IT839”、韩国三星集团“U-City”计划、中国“感知中国”战略已全面开展。国内外一些地区/国家的无线传感器网络研究的主要项目及进展参见下表。2.1国外研究现状表2-1 无线传感器网络主要项目及进展计划名称研究内容与进展资助部门承担单位起止年代“地球中枢系统”（CeNSE）通过各种网络实现与计算机系统、软件和服务的连接。预计将在全球范围内安装一万亿个微型传感器惠普公司惠普公司20092018EYES自组织和协作有效能量的传感器网络，研究无线传感器网络的架构、节点的协作、网络协议和安全等欧盟欧盟2002第七框架计划ICT 20092010年工作计划开
13、发系统架构、硬件/软件集成平台和工程方法，有助于工厂、建筑和大型基础设施（包括环境管理系统）实现更好的可靠性、安全性、成本和能源效率欧盟欧盟20092010国外研制的无线传感器网络拓扑算法包括统一功率分配算法,如COMPOW,基于节点度数的算法,LINT/LILT和LMN和LMA,;基于邻近图的近似算法,如DRNG和DLSS,等 在层次型拓扑控制方面,提出了TopDisc闭成簇算法,以及LEACH和HEED等自组织成簇算法。另外研究人员提出一些带有节点激活/休眠机制等方式来控制网络拓扑的算法,如GAf基于虚拟地理网格分簇算法、STEM、ASCENT等比较经典的拓扑控制算法。2.2国内研究现状表
14、2-2中国无线传感器网络项目计划名称研究内容与进展资助部门承担/参与起止年代“新一代宽带无线通信网”国家重大专项研制具有海量通信能力的新一代宽带蜂窝移动通信系统，低成本广泛覆盖的宽带无线通信接入系统、近距离无线互联系统与传感器网络。中华人民共和国工业和信息化部（简称工信部）企业、高校、研究所单位共同参与2008下一代互联网示范工程充分利用并优化CNGI骨干网、驻地网基础设施，继续推动下一代互联网在科研、运营以及重要行业的应用。中华人民共和国国家发展和改革委员会（简称发改委）企业、高校、研究所2003三网融合演进技术与系统研究重点研究面向三网融合的新型网络体系架构，支持用户宽带演进到100M/s
15、的光纤、无线、同轴接入网络的体系标准、核心装备和核心技术国家高技术研究发展计划（“863”计划）高校、研究所、企业20112013我国的很多知名大学和院校在中国科学院的带领下，对无线传感器网络技术进行了不断地探讨和研究。中国科学院凭借其在芯片技术，计算机技术，软件技术，无线通信技术的各方面相关技术的优势，攻坚克难，对无线传感器网络的部分关键技术的研究达到了比较成熟的程度。并结合我国实际需求，设计出了种种无线传感器网络的应用平台，并使之应用在各个相关领域之中。无线传感器网络技术在我国作为一个新兴产业，虽然还不够成熟，对于设计开发无线传感器网络的拓扑控制技术还有待加强，对算法的研究和改进也只是参照
16、国外无线传感器领域的研究成果。但随着我国信息化产业技术的日趋成熟，无线传感器网络一定会越发普遍。3无线传感器网络概述3.1无线传感器网络简介无线传感器网络(Wireless Sensor Network)可以概括成一个集信息感知（Sensing）、信息处理（Processing）、信息传送（Transmitting）和信息提供（Provisioning）等功能于一体的有机自知整体，通常包括一个或多个汇聚节点（Sink）、网关及大量微型化传感节点。其相对统一，典型的结构，如图3-1所示 图3-1 无线传感器网络每一个传感器节点就是一个微型嵌入式计算机,拥有无限通信、计算、存储和感知的能力。如图
17、3-2 所示。传感器模块主要负责监测收集区域内物理信息量，并将其转化为数字信息；处理器模块包括处理器和存储器两部分，处理器用来控制传感器节点的相应操作;存储器用来存储釆集以及计算所用的数据,；无线通信模块负责将节点收集的数据传递给下一节点；能量供应模块是节点的能量来源，具有特使功能的节点包括其他辅助模块，例如GPS定位装置、运动装置、能源再生装置等。 图3-2 无线传感器节点体系结构汇聚节点的数据处理能力，通信能力都能量供应能力要比普通节点强很多，普通传感器节点通过汇聚节点将收集到的数据发送到用户或互联网上。构成无线传感器网络的拓扑结构分为两种，一种是平面型拓扑结构，另一种是层次型拓扑结构。如
18、图3-3所示。这种平面型拓扑结构布置简单易实施，在小型传感器网络中具有优势，但如果遇到大型传感器网络，平面型拓扑结构在数据传递和能量消耗问题中会遇到很多问题。（a）平面型拓扑结构 （b）层次型拓扑结构图3-3 无线传感器网络拓扑结构构成层次型拓扑结构的节点分为高层节点和底层节点，处于高层节点的传感器节点成为簇首，簇首负责接收与之相连的底层节点的数据，之后，簇首将接收到的数据传递给汇聚节点。在这种以簇首为局部数据接收站的层次性拓扑结构中，利用分簇算法可以更加有效地实现数据收集，同时在大范围的无线传感器网络中能量消耗的分配将变得更加均匀合理，同时，可以创造灵活可变的分簇路由算法以实现在不同应用环境
19、中收集数据的目的。但是，层次型拓扑结构也有不足之处，由于簇首所承担的任务加重，簇首的能量消耗必定加大，这就限制了簇首的生命周期。3.2无线传感器网络的特点 (1) 有限的节点能量无线传感器网络节点通常是通过大量布放的方式对人员不易接近的地方或环境恶劣的地方进行监测。每一个传感器节点不具备更换电池的能力，也就是说一旦能量耗尽，传感器节点就失去了所有功能。所以一个好的无线传感器网络必须具备延长其工作时间。(2) 节点运算和存储能力受限同样，由于传感器节点通常尺寸较小，以满足大数量投放的需要。所以单个传感器节点的数据运算能力以及数据存储能力都是有限的。对于处理能力有限的传感器节点，就不能让其处理过分
20、复杂的算法，所以在算法的编辑上要考虑到传感器节点的有效运算能力。（3）有限的节点通信能力同样,传感器节点受其规格所限，与相邻节点的数据传递（4）以数据上传为主传感器节点只要是通过收集数据，将数据上传至用户，而无需接收用户的指令，所以其通信特征往往是数据上传。（5）机动性低普遍应用的传感器网络，属于静止在安置点收集环境信息，因而其机动性较低。（6）传感器节点数量多，密度高传感器节点通过大量安置在一定范围内，使得单位面积内的传感器节点在数量和密度上比较多。这样形成的网络，在遇到个别传感器节点失效的情况下，由于存在冗余，传感器网络可以得到修复。（7）网络的自组织性和动态性由于无线传感器网络通常是通过
21、空投或随机抛洒的方式安置在各种地形，对此，随机分布在监测区域的传感器节点就要具备自我拓扑组织的功能，已形成完整的无线传感器网络。同时，伴随着个别传感器节点的失效或受到外界环境因素而打破原有的无线传感器网络，传感器节点将通过网络重构而动态的改变原有无线传感器网络。3.3无线传感器网络的部分关键技术3.3.1分簇算法与结构研究分簇算法的主要目的就是为了更有效率的控制整个传感器网络，是传感器节点的能量消耗更加平衡，以延长整个传感器网络的工作时间。其次，通过簇首与节点之间的算法控制，可以降低数据的冗余程度，提高网络中数据传递的效率。1、LEACH 算法LEACH 算法是最早提出应用于无线传感器网络的分
22、簇算法，它的核心思想是整个网络分成多个簇，每个簇的簇头随机产生，整个网络周期性地每隔一段时间作为一轮，进行簇头的变更。LEACH 算法通过簇头轮换的方式避免了簇头的能量过度消耗，通过数据融合的方式减少了通信量，可以有效延长网络的生命周期。LEACH 算法也有显著的弱点：LEACH 需要每个节点都能与汇聚节点通信，因此不适用于网络规模较大的应用；选择产生的簇头随机，有可能出现分布不均匀的极端现象；不适合节点能量非常不均衡的网络。2、HEED 算法HEED 算法是对 LEACH 算法的改进算法，在 LEACH 算法的基础上引入了对节点剩余能量这一参数的考虑。3、基于地理位置的分簇算法GAF 算法是
23、一种按照地理位置分簇的算法。该算法的前提条件是每个节点的地理位置都是已知的，节点可以通过 GPS或其它定位方法确定各自的位置。整个网络区域划分为若干个单元格，每个单元格组成一个簇，每个簇的节点轮流当选为簇头。传感器节点具有三种状态：发现状态、活跃状态和睡眠状态。每个节点根据地理位置知道自己所在的簇。该算法适用于节点分布比较均匀的网络，通过关闭睡眠节点的侦听功能可以更进一步节省能量。算法的缺点是当节点分布不均匀或十分稀疏时，簇的分布也会不均匀，导致分簇效率降低；而且该算法需要邻近的节点保持通信可达的状态，在实际网络中未必能够得到保证；当节点的通信距离比较短时，每个簇的单元格会被划得很小，整个网络
24、的簇数量增加，分簇的效用也就不高。无线传感器网络(WSN)分簇算法也称聚类算法，,簇成员节点集群类型的拓扑结构、层次拓扑结构的无线传感器网络(WSN)协助沟通。聚类算法的一个主要的研究目标是如何在一个有效的管理网络节点的有效均衡节点能耗,基于动态调整路径和参数,以达到有效地利用能源,延长整个网络的工作时间。无线传感器网络的分簇结构可以是单级的，也可以是多级的，如图 3-4 所示。在单级分簇结构中，汇聚节点下联各个簇头，簇头下联各自的簇成员节点。在多级分簇结构中，汇聚节点下联各个第一级簇头，第一级簇头下联各个第二级簇头，第 N-1 级簇头下联第 N 级簇头，其中各级簇头还要下联属于该簇的簇成员节
25、点。汇聚节点 簇头 普通节点 （a）单级分簇结构 （b）多级分簇结构图3-4 分簇结构(2-1)在簇的内部，也可以采用不同的结构。图 3-4 所示的簇结构，其簇内节点距离簇头只有一跳的距离，成为簇内单跳结构。图 3-5 所示的簇结构中，簇内的节点距离簇头可以大于一跳的距离，形成了簇内多跳结构。簇内多跳的结构可以扩展单个簇的覆盖范围，但是簇内的通信将比簇内单跳结构更为复杂。汇聚节点 簇头 普通节点图2-5 簇内多跳结构(2-2)无线传感器网络的拓扑结构由于其网络区域的分布而呈现多种类型。最常见的网络区域形态是矩形、圆形或相类似的块状区域形状，如图 3-4 所示，汇聚节点可以位于区域内，也可以位于
26、区域以外。大部分常见的分簇算法都可以适用于这种网络环境。在一些特殊的应用中，网络的区域可能会呈现特殊的一些形状，网络的分簇结构也需要相应适配。长条形的网络结构，通常适用于果园、蔬菜大棚等应用场景。在此类网络中，如果汇聚节点在区域内，或者接近区域范围，可以采用链式网络拓扑结构，如图3-6 所示。这类拓扑结构的优点是实现简单，缺点是距离汇聚节点较近的传感器节点因承担更高的负载，而容易提前耗尽能量。如需解决这一矛盾，可采用扇形网络拓扑结构。汇聚节点 传感器节点图 3-6 长条区域的链式网络拓扑结构(2-3)汇聚节点位于长条区域的边缘以外较远处，在这种情况下可以采用扇形分簇的拓扑结构，从汇聚节点向外辐
27、射而形成多个扇区，根据汇聚节点与传感器节点之间的角度不同，而形成扇形的簇结构，如图 3-7 所示。汇聚节点 传感器节点图 3-7 长条区域的扇形网络拓扑结构(2-4)十字形网络结构，常用于果园、管道等应用。如果汇聚节点位于区域内或接近区域内，可放在十字形网络区域的中央，这时候网络拓扑结构可按照图3-4 所示。如果汇聚节点位于区域外较远处，十字形网络结构可以看作两个 L 形网络的叠加，通过双汇聚节点的方式形成网络拓扑。对于 L 形的网络结构，如果汇聚节点位于区域外，可通图 3-8 所示的方式放置汇聚节点，这样能采用较小的能量代价覆盖整个区域。汇聚节点 传感器节点图3-8形区域的网络拓扑结构(2-
28、5L)3.3.2 MAC协议媒体访问控制(MAC)层协议在物理层,主要是通过分配的节点通信网络中的资源。近年来学术界的研究无线传感器网络(WSN)的MAC层协议提出了几个文件,。无线传感器网络(WSN)是针对网络应用,该应用侧重于不同的网络性能,从而映射到往往会有不同的侧重于MAC协议的设计(1)基于竞争的MAC协议采用根据需要占用通道(2)调度基于MAC协议的基本思想是:用一个调度算法分配通道节点,使之没有冲突在一个节点在一个给定的通道访问通道。(3)混合MAC协议通过使用频分复用FDMA、码分复用CDMA。3.3.2.1基于竞争的MAC协议基于竞争的 MAC 协议的基本思想是，当一个节点需
29、要发送数据时，主动抢占无线信道；当与其通信范围内其它节点需要发送数据时，也会主动抢占无线信道。MAC 协议就是建立一种机制，确保任一时刻在通信范围内最多只能有一个节点获得无线信道的使用权。基于竞争的 MAC 协议能较好满足节点数量和网络负载的变化，能很好适应网络拓扑变化，不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法。但是这类协议的缺点是需要持续监听信道，使得节点空闲时间也有较大的能量消耗。S-MAC 协议是在 IEEE 802.11 MAC 协议基础上进行改进而提出的专为无线传感器网络设计的协议。S-MAC 采用类似于 IEEE 802.11 MAC 协议的载波侦听机制以及 RTS/CTS/DATA
30、/ACK 机制发送数据。此外 S-MAC 还采用了休眠机制、休眠调度表同步、消息传递和物理与虚拟载波侦听等技术来降低能耗。它将每一个时间帧分为工作阶段和休眠阶段，在休眠阶段进行数据采集并关闭通信模块，进入工作阶段后集中发送数据。S-MAC 具有有效节能、扩展性和冲突避免等几大优点。但是，S-MAC 的缺点是当节点的无线收发装置处于休眠状态下时，若有事件被触发而需要发送信息，则必须按照休眠调度表的规定，等待节点被唤醒以后才能发送，从而增加了通信时延；此外，每个节点的休眠时间是相同的，低能量节点无法获得更多的休眠机会。T-MAC 协议针对 S-MAC 的弱点进行了改进，在 S-MAC 基础上引入了
31、适应性占空比，以适应不同时间和位置上的负载变化。T-MAC 协议通过占空比的动态选择，来减少闲时监听的能量浪费，并保持合理的吞吐量。T-MAC 协议定义了 5 种激活事件和一个计时器，如果在计时内没有侦听到其中任意一种激活事件，则认为信道空闲，节点关闭射频模块而进入睡眠状态。T-MAC 协议采用了未来请求发送（FRTS）和满缓冲区优先两种解决方案，减少了早睡问题的发生可能性，但在网络流量比较大时增加了冲突的可能性。Sift 协议是一种基于事件驱动的 MAC 协议，充分考虑了事件的相关特性进行协议的设计。该协议适合于分簇结构的网络，簇头担当一直处于监听状态的活动状态节点角色，簇成员节点发消息给簇头，通过簇头的能量消耗换来消息传输延迟的缩短。3.3.2.2基于调度的 MAC 协议基于调度的 MAC 协议通常采用 TDMA、FDMA、CDMA 等信道访问模式，其中 TDMA 模式最为常用。基于调度的 MAC 协议不会带来因竞争而造成的冲突以及控制开销的增加，协议实现方便，信道分配不会带来冲突。但是这类协议很难动态改变帧的长度以及时隙、频率等的分配，并且难以动态适应网络拓扑结构的变化以
