异构农业环境监测无线传感器网络关键技术研究

论文摘要

农业信息化是21世纪我国现代农业建设的重大战略决策，信息的获取、传输、处理与应用是农业信息化研究领域的四个重要组成部分。先进的传感器技术和智能化信息处理技术是保证农业信息正确获取的重要手段。无线传感器网络集传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，具有易于布置、灵活通信、低功耗、低成本等特点，将其应用于农业环境监测领域已成为目前无线传感器网络的研究热点之一。农业环境监测的目的是实时、精准地获取农业现场数据，包括：地面信息（空气温湿度、风向速度、光照参数、CO2浓度等）、土壤信息（土壤温湿度、土壤张力、土壤墒情等）、营养信息（pH值、EC值、离子浓度）、有害物信息（动物疾病、植物病虫害）、生长信息（植物生理生态信息、动物健康信息）等。无线传感器网络为农业环境信息的采集与处理提供了新的思路和有力手段。农业环境监测具有监测对象多样、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区、通信条件落后等特点。在农田中大规模布置的传感器节点能够实现对监测区域的环境参数的全天候不间断观察，采集的数据经由基站最终传送给观察者，能够为农田的种植规划和田间管理提供可靠的基础依据。农业环境信息的采集需要依靠温度、光照、土壤温湿度等多种不同类型的传感器，使得节点可能有不同的初始能量，节点感知、接收和发送的数据包不同，消耗能量的快慢也不同，从而构成异构网络，因此异构对农业环境监测传感器网络的研究具有重大的现实意义。本文在传统异构农业环境无线传感器网络的基础上，针对具体的农业环境监测应用场景，提出了一种有源主干网和无线子网混合的异构传感器网络结构。这种有源主干网和无线子网混合的异构网络主要由控制中心、有源主干网和无线子网三个部分组成：1)控制中心部署在离监测区域较远的环境良好的区域，接受由sink节点发送的数据进行相应的融合处理，并实时控制各无线子网间的协调运作，通过internet将信息发送至远程用户进行控制处理；2)有源主干网由有源线路和多个sink节点构成。主干网上布置若干高能力sink节点，该节点较一般的节点有较高的计算处理能力、通信能力和存储能力，由主干网提供持续有源供电，不受能量限制；3)无线子网部署在各个农业监测子区域，由大量低功耗的无线传感器节点构成，负责采集农业环境监测数据。整个网络采用多级层次的体系结构，由多个sink节点连接到有源线路构成上一层的有源主干网络，负责无线子网的管理；无线子网采取分簇的层次组网方式，由各簇首经由多跳路由方式和sink节点进行数据通信。对于分簇的无线子网内部，提出了一种基于权值的无线子网分簇算法WBCA，该算法分为建簇阶段和稳定阶段。建簇阶段中簇首的选择从节点剩余能量信息、节点度信息、节点距离信息多方面综合考虑。稳定阶段中簇内节点通过单跳路由和簇首进行通信，由簇首处理好的数据通过多跳路由的方式发送给sink节点融合处理，继而通过有源线路发送给控制中心。对于子网间路由，提出了多sink动态路径切换策略，以路径能耗为参考标准，动态选择下一跳路由。并针对无线子网间的边界问题，给出了用于子网边界判断的基于二邻居图的无线子网边界检测算法。最后通过实验仿真表明，WBCA算法相对于传统分簇算法在能耗、延迟各方面较优越，适用于多sink场景下的异构无线传感器网络。文中的多sink网络模型在不同网络规模下相对于单sink网络的平均传输延时均有所改善，且基于二邻居图的无线子网边界检测算法能准确检测出网络边界。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 农业环境监测无线传感器网络应用研究现状
• 1.2.2 异构无线传感器网络研究现状
• 1.2.3 问题提出
• 1.3 研究的主要内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 异构无线传感器网络
• 2.1 异构无线传感器网络
• 2.1.1 异构性的几种表现形式
• 2.1.2 异构无线传感器网络层次体系结构
• 2.1.3 典型的分簇算法分析
• 2.2 异构无线传感器网络的挑战与性能指标
• 2.3 本章小结
• 第三章 异构农业监测网络多级层次体系结构
• 3.1 有源主干网和无线子网混合的异构农业监测无线传感器网络
• 3.1.1 网络结构
• 3.1.2 多级层次组网
• 3.2 无线子网分簇算法
• 3.2.1 无线通信模型
• 3.2.2 权值计算
• 3.2.3 建簇阶段
• 3.2.4 稳定阶段
• 3.3 本章小结
• 第四章 多sink动态路径切换和无线子网边界问题
• 4.1 基于路径能耗的动态路径切换
• 4.1.1 多sink网络模型
• 4.1.2 相关定义
• 4.1.3 路径切换
• 4.2 基于二邻居图的无线子网边界检测
• 4.2.1 边界问题
• 4.2.2 节点的二邻居图
• 4.2.3 算法描述
• 4.3 本章小结
• 第五章 性能分析
• 5.1 WBCA算法性能分析
• 5.2 多sink性能分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间的科研成果
• 致谢