基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

1、基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生 態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵 技術(shù)研究 摘要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，它具有低能耗、 低成本、自組織、部署方便、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)果園生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)采用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)計(jì)策技術(shù)，使果園得到更加高效的信息采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文 首先介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究意義和發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了有關(guān)無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，最后本 文提出基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究。 關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè);分簇算法;MAC協(xié)議;數(shù)據(jù)融合;拓 撲結(jié)構(gòu)

2、 III THE KEY TECHNOLOGY RESEARCH OF GARDEN ECOLOGICAL ENVIRONMENT MONITORING BASED ON WIRELESS SENSOR NETWORK ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is a combination of sensor technology and wireless communication technology, it has low energy consumption, low cost, self-organization easy deployment

3、, flexible networking, 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 developm

4、ent of wireless sensor 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 monitorin

5、g kev technology research. KEY WORDS: Wireless sensor network (WSN); Ecological environment monitoring system; Clustering algorithm; MAC protocols; Data fusion; topology hi 目錄 1緒論 11本課題的研究背景3 1.2本課題的研究目的及意義3 1. 3本文的主要工作3 1.4本文的組織結(jié)構(gòu)3 2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀3 2. 1國(guó)外研究現(xiàn)狀3 2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀3 3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述3 3. 1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介3 3.

6、 2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)3 3. 3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)3 3. 3.1分簇算法與結(jié)構(gòu)3 3. 3. 2 MAC 協(xié)議3 33. 3數(shù)據(jù)融合3 4基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 4.1 :據(jù)幀格式設(shè)計(jì) 4. 2非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 4. 3山地果園分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 4. 4擬采用分簇算法構(gòu)思3 5總結(jié) in 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 1緒論 1.1本課題的研究背景 隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用此技術(shù)，無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也變得更加普遍。我國(guó)現(xiàn)階段大力發(fā)展農(nóng)業(yè) 信息化產(chǎn)業(yè)，在果園種植領(lǐng)域，

7、農(nóng)業(yè)信息化的普及程度正在隨著信息技術(shù)的進(jìn) 步而逐步提升。在此背景下，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于果園生態(tài)環(huán)境已成 為未來(lái)果園環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 當(dāng)今世界，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類在探索復(fù)合 技術(shù)的道路上不斷開(kāi)拓出新的領(lǐng)域，對(duì)于無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)而言，作為一項(xiàng)新 興技術(shù)，尤其是在我國(guó)，正在得到越來(lái)越多的人的重視和研究。我國(guó)在無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域雖然起步較晚，但在國(guó)家的大力支持下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正 在成為一項(xiàng)吸引無(wú)數(shù)相關(guān)研究人員和技術(shù)愛(ài)好者與不斷探索和研發(fā)的技術(shù)。它 在中國(guó)這個(gè)以技術(shù)為創(chuàng)新為重點(diǎn)的國(guó)家已經(jīng)找到了合適的生存土壤。在我們生 活中的給各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)逐漸出現(xiàn)無(wú)線傳

8、感器網(wǎng)絡(luò)的身影。在與我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 相結(jié)合的領(lǐng)域中，其巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景正在讓更多的人投入到 這項(xiàng)研究中來(lái)。 1.2本課題的研究目的及意義 本課題的研究目的是為了根據(jù)己有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建出一 種理論上可行的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與果園生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，對(duì)于當(dāng)今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，是一 個(gè)具有巨大拓展?jié)摿Φ霓r(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用。通過(guò)對(duì)果園環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)，不僅可 以為未來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供更大的發(fā)展空間，更有利于我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn) 代化建設(shè)。本文的研究在發(fā)展和探索基于果園生態(tài)環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè) 技術(shù)上提出了個(gè)別改進(jìn)建議，為今后果

9、園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展提供了一種可能。 同時(shí)，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用拓展也起到了積極的作用。 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的巨大優(yōu)勢(shì)，是通過(guò)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的信息釆集而體 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 現(xiàn)出的。為了讓其優(yōu)勢(shì)在果園生態(tài)環(huán)境中得到進(jìn)一步體現(xiàn)，在認(rèn)識(shí)其相關(guān)理論 知識(shí)的基礎(chǔ)上，更要對(duì)果園生態(tài)環(huán)境有一個(gè)全面而具體的認(rèn)知。由于果園生態(tài) 環(huán)境的特殊性，在這一領(lǐng)域內(nèi)研究無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究人員并不多，因 此相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)理論并不十分豐富。為了讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在果園 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)有更大的發(fā)展，本文通過(guò)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵 技術(shù)，讓其適應(yīng)果園的特殊環(huán)境并作出改進(jìn)

10、，為日后的研究提供了一種理論思 想，也提供了一條可供參考的實(shí)現(xiàn)途徑。 1.3本文的主要工作 本文的主要內(nèi)容如下： 1、分別對(duì)國(guó)內(nèi)，國(guó)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，通過(guò)比較而得出相關(guān)結(jié)論，對(duì)國(guó) 內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀有了更加全面的認(rèn)識(shí)。 2、對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的理論體系，包括對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu), 傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出了詳細(xì)的闡述。 3、詳細(xì)說(shuō)明了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的關(guān)鍵性技術(shù)，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中的分簇算法與結(jié)構(gòu)、MAC協(xié)議以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)。 4、設(shè)計(jì)和構(gòu)思了果園環(huán)境監(jiān)測(cè)所需要的關(guān)鍵技術(shù)，包含對(duì)數(shù)據(jù)幀的重新設(shè) 計(jì)，設(shè)計(jì)出兩種適用于不同果園生態(tài)環(huán)境的分簇拓?fù)浣Y(jié)

11、構(gòu)，最后對(duì)采用HEED分 簇算法應(yīng)用于果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了論述。 1-4本文的組織結(jié)構(gòu) 為了更加明確的闡述本文所涉及到的研究?jī)?nèi)容，本節(jié)按以下章節(jié)分別介紹: 第一章：緒論，主要介紹了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù) 的研究背景、研究目的及意義、文章的主要工作內(nèi)容。 第二章：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀，主要介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的研究成果。 第三章：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述，包括無(wú)線傳感器技術(shù)的簡(jiǎn)介，無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，一部分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用到的關(guān)鍵技術(shù)的論述。 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 != 第四章：構(gòu)思出在果園生態(tài)環(huán)境中應(yīng)用的無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵

12、技術(shù)，包含果園生態(tài)環(huán)境的 數(shù)據(jù)幀，設(shè)計(jì)兩種基于不同果園環(huán)境的分簇拓?fù)?結(jié)構(gòu)，提出利用HEED分簇算法設(shè)計(jì)果園生態(tài)環(huán)境 的理論依據(jù)。 2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外的研究中得到了全面而廣泛的重視。因而不斷有 新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論提出，本章對(duì)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果做出了歸納整理， 并對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的差異給出了適當(dāng)結(jié)論。 美國(guó)智慧地球”、日本“u-Japan”、韓國(guó)“IT839”、韓國(guó)三星集團(tuán)“UYity” 計(jì)劃、中國(guó)“感知中國(guó)”戰(zhàn)略己全面開(kāi)展。國(guó)內(nèi)外一些地區(qū)/國(guó)家的無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)研究的主要項(xiàng)目及進(jìn)展參見(jiàn)下表。 2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 表2-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要項(xiàng)目及進(jìn)展 計(jì)劃名

13、稱 研究?jī)?nèi) 容與進(jìn) 資助部 門(mén) 承擔(dān)單 起止年 代 21 通過(guò)各 種網(wǎng)絡(luò) “地球中樞 系統(tǒng)” 實(shí)現(xiàn)與 計(jì)算機(jī) 惠普公 惠普公 (CeNSE) 系統(tǒng)、軟 司司 2009 2018 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 件和服 務(wù)的連 接。預(yù)計(jì) 將在全 球范圍 EYES 內(nèi)安裝 一萬(wàn)億 個(gè)微型 傳感器 自組織 和協(xié)作 有效能 量的傳 歐盟 歐盟 2002 感器網(wǎng) 絡(luò)，研究 無(wú)線傳 感器網(wǎng) 絡(luò)的架 構(gòu)、節(jié)點(diǎn) 的協(xié)作、 網(wǎng)絡(luò)協(xié) 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 議和安 全等 第七框架計(jì) 劃ICT 20092010 年工作計(jì) 劃 開(kāi)發(fā)系 統(tǒng)架構(gòu)、 硬件/軟 件集成 平臺(tái)和

14、 工程方 法，有助 于工廠、 建筑和 大型基 礎(chǔ)設(shè)施 （包括 環(huán)境管 理系統(tǒng)） 實(shí)現(xiàn)更 好的可 靠性、安 全性、成 本和能 歐盟 歐盟 2009 2010 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 源效率 國(guó)外研制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴òńy(tǒng)一功率分配算法，如COMPOW,基 于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法,LINT/LILT和LMN和LMA,;基于鄰近圖的近似算法，如DRNG 和DLSS,等 在層次型拓?fù)淇刂品矫?，提出?TopDisc閉成簇算法，以及LEACH和HEED等 自組織成簇算法。另外研究人員提出一些帶有節(jié)點(diǎn)激活/休眠機(jī)制等方式來(lái)控制 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃惴?，如GAf基于虛擬地理網(wǎng)格分簇算法

15、.STEM、ASCENT等比較經(jīng)典 的拓?fù)淇刂扑惴ā?2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 表2-2中國(guó)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目 計(jì)劃名稱 研究?jī)?nèi)容 資助部門(mén) 承擔(dān)/參 起止年代 與進(jìn)展 研制具有 海量通信 寬帶無(wú)線 通信網(wǎng)” 國(guó)家重大 專項(xiàng) 能力的新 中華人民 企業(yè)、高 2008 一代寬帶共和國(guó)工校、研究 蜂窩移動(dòng)業(yè)和信息所單位共 通信系 化部（簡(jiǎn) 同參與 統(tǒng)，低成 本廣泛覆 稱工信 部） 蓋的寬帶 無(wú)線通信 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 下一代互 聯(lián)網(wǎng)示范 工程 接入系 統(tǒng)、近距 離無(wú)線互 聯(lián)系統(tǒng)與 傳感器網(wǎng) 充分利用 并優(yōu)化 CNGI骨干 網(wǎng)、駐地 網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè) 施，繼續(xù) 推動(dòng)下一 代互聯(lián)網(wǎng)

16、在科研、 運(yùn)營(yíng)以及 重要行業(yè) 的應(yīng)用。 重點(diǎn)研究 面向三網(wǎng) 融合的新 中華人民 共和國(guó)國(guó) 家發(fā)展和 改革委員 會(huì)（簡(jiǎn)稱 發(fā)改委） 企業(yè)、高 校、研究 所 2003 21 三網(wǎng)融合 演進(jìn)技術(shù) 與系統(tǒng)研 究 型網(wǎng)絡(luò)體 系架構(gòu)， 支持用戶 寬帶演進(jìn) 到100M/s 的光纖、 無(wú)線、同 軸接入網(wǎng) 絡(luò)的體系 標(biāo)準(zhǔn)、核 心裝備和 核心技術(shù) 國(guó)家高技 術(shù)研究發(fā) 展計(jì)劃 （“863” 計(jì)劃） 高校、研 究所、企 業(yè) 2011 2013 我國(guó)的很多知名大學(xué)和院校在中國(guó)科學(xué)院的帶領(lǐng)下，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)進(jìn)行了不斷地探討和研究。中國(guó)科學(xué)院憑借其在芯片技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，軟 件技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)的各方面相關(guān)技術(shù)的優(yōu)

17、勢(shì)，攻堅(jiān)克難，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)的研究達(dá)到了比較成熟的程度。并結(jié)合我國(guó)實(shí)際需求，設(shè)計(jì) 出了種種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺(tái)，并使之應(yīng)用在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域之中。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國(guó)作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，雖然還不夠成熟，對(duì)于設(shè) 計(jì)開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)還有待加強(qiáng)，對(duì)算法的研究和改進(jìn)也只 是參照國(guó)外無(wú)線傳感器領(lǐng)域的研究成果。但隨著我國(guó)信息化產(chǎn)業(yè)技術(shù)的日趨成 熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一定會(huì)越發(fā)普遍。 3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)可以概括成一個(gè)集信息感知 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 (

18、Sensing)、信息處理(Processing)、信息傳送(Transmitting)和信息提供 (Provisioning)等功能于一體的有機(jī)自知整體，通常包括一個(gè)或多個(gè)匯聚節(jié) 點(diǎn)(Sink)、網(wǎng)關(guān)及大量微型化傳感節(jié)點(diǎn)。其相對(duì)統(tǒng)一，典型的結(jié)構(gòu)，如圖3-1 所示 每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)微型嵌入式計(jì)算機(jī)，擁有無(wú)限通信、計(jì)算、存儲(chǔ) 和感知的能力。如圖3-2所示。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)收集區(qū)域內(nèi)物理信息 量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息；處理器模塊包括處理器和存儲(chǔ)器兩部分，處理器 用來(lái)控制傳感器節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)操作;存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)釆集以及計(jì)算所用的數(shù)據(jù),； 無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)傳遞給下一節(jié)點(diǎn)；能量

19、供應(yīng)模塊是節(jié)點(diǎn)的 能量來(lái)源，具有特使功能的節(jié)點(diǎn)包括其他輔助模塊，例如GPS定位裝置、運(yùn)動(dòng) 裝置、能源再生裝置等。 能星供應(yīng)模塊 圖3-2無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu) 匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力，通信能力都能量供應(yīng)能力要比普通節(jié)點(diǎn)強(qiáng)很多, 普通傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶或互聯(lián)網(wǎng)上。 構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種，一種是平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另一 種是層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖3-3所示。這種平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單易實(shí)施， 在小型傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)勢(shì)，但如果遇到大型傳感器網(wǎng)絡(luò)，平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 21 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 在數(shù)據(jù)傳遞和能量消耗問(wèn)題中會(huì)遇到很多問(wèn)題。

20、 0 (a)平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (b)層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖3-3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 構(gòu)成層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分為高層節(jié)點(diǎn)和底層節(jié)點(diǎn)，處于高層節(jié)點(diǎn)的傳 感器節(jié)點(diǎn)成為簇首，簇首負(fù)貴接收與之相連的底層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，之后，簇首將 接收到的數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)。在這種以簇首為局部數(shù)據(jù)接收站的層次性拓?fù)?結(jié)構(gòu)中，利用分簇算法可以更加有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，同時(shí)在大范圍的無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的分配將變得更加均勻合理，同時(shí)，可以創(chuàng)造靈活可變的 分簇路由算法以實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用環(huán)境中收集數(shù)據(jù)的目的。但是，層次型拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)也有不足之處，由于簇首所承擔(dān)的任務(wù)加重，簇首的能量消耗必定加大，這 就限制了簇首的生命周期。 3.2

21、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) (1) 有限的節(jié)點(diǎn)能量 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是通過(guò)大量布放的方式對(duì)人員不易接近的地方或 環(huán)境惡劣的地方進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)不具備更換電池的能力，也就是 說(shuō)一旦能量耗盡，傳感器節(jié)點(diǎn)就失去了所有功能。所以一個(gè)好的無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)必須具備延長(zhǎng)其工作時(shí)間。 (2) 節(jié)點(diǎn)運(yùn)算和存儲(chǔ)能力受限 同樣，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常尺寸較小，以滿足大數(shù)量投放的需要。所以單 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力都是有限的。對(duì)于處理能力有 限的傳感器節(jié)點(diǎn)，就不能讓其處理過(guò)分復(fù)雜的算法，所以在算法的編輯上要考 慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的有效運(yùn)算能力。 (3) 有限的節(jié)點(diǎn)通信能力 同樣,傳感器節(jié)點(diǎn)受其規(guī)

22、格所限，與相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞 (4) 以數(shù)據(jù)上傳為主 傳感器節(jié)點(diǎn)只要是通過(guò)收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至用戶，而無(wú)需接收用戶的 指令，所以其通信特征往往是數(shù)據(jù)上傳。 (5) 機(jī)動(dòng)性低 普遍應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)，屬于靜止在安置點(diǎn)收集環(huán)境信息，因而其機(jī)動(dòng)性 較低。 (6) 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，密度高 傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)大量安置在一定范圍內(nèi)，使得單位面積內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)在 數(shù)量和密度上比較多。這樣形成的網(wǎng)絡(luò)，在遇到個(gè)別傳感器節(jié)點(diǎn)失效的情況下, 由于存在冗余，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以得到修復(fù)。 (7) 網(wǎng)絡(luò)的自組織性和動(dòng)態(tài)性 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是通過(guò)空投或隨機(jī)拋灑的方式安置在各種地形， 對(duì)此，隨機(jī)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)就要

23、具備自我拓?fù)浣M織的功能，已形 成完整的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，伴隨著個(gè)別傳感器節(jié)點(diǎn)的失效或受到外界環(huán) 境因素而打破原有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)而動(dòng)態(tài)的改 變?cè)袩o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 3.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù) 3. 3. 1分簇算法與結(jié)構(gòu) 研究分簇算法的主要目的就是為了更有效率的控制整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，是傳 感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗更加平衡，以延長(zhǎng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。其次，通 過(guò)簇首與節(jié)點(diǎn)之間的算法控制，可以降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳 遞的效率。 1、LEACH 算法 LEACH算法是最早提出應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇算法，它的核心思想 21 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園

24、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇，每個(gè)簇的簇頭隨機(jī)產(chǎn)生，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期性地每隔一段 時(shí)間作為一輪，進(jìn)行簇頭的變更。 LEACH算法通過(guò)簇頭輪換的方式避免了簇頭的能量過(guò)度消耗，通過(guò)數(shù)據(jù)融 合的方式減少了通信量，可以有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH算法也有顯著 的弱點(diǎn)：LEACH需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，因此不適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較 大的應(yīng)用；選擇產(chǎn)生的簇頭隨機(jī)，有可能出現(xiàn)分布不均勻的極端現(xiàn)象；不適合 節(jié)點(diǎn)能量非常不均衡的網(wǎng)絡(luò)。 2、HEED算法 HEED算法是對(duì)LEACH算法的改進(jìn)算法，在LEACH算法的基礎(chǔ)上引入了對(duì) 節(jié)點(diǎn)剩余能量這一參數(shù)的考慮。 3、基于地理位置的分簇算法 G

25、AF算法是一種按照地理位置分簇的算法。該算法的前提條件是每個(gè)節(jié)點(diǎn) 的地理位置都是已知的，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)GPS或其它定位方法確定各自的位置。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干個(gè)單元格，每個(gè)單元格組成一個(gè)簇，每個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)輪 流當(dāng)選為簇頭。傳感器節(jié)點(diǎn)具有三種狀態(tài)：發(fā)現(xiàn)狀態(tài)、活躍狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)地理位置知道自己所在的簇。 該算法適用于節(jié)點(diǎn)分布比較均勻的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)關(guān)閉睡眠節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)功能可 以更進(jìn)一步節(jié)省能量。算法的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布不均勻或十分稀疏時(shí)，簇的分 布也會(huì)不均勻，導(dǎo)致分簇效率降低；而且該算法需要鄰近的節(jié)點(diǎn)保持通信可達(dá) 的狀態(tài)，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中未必能夠得到保證；當(dāng)節(jié)點(diǎn)的通信距離比較短時(shí)，每個(gè) 簇的單

26、元格會(huì)被劃得很小，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的簇?cái)?shù)量增加，分簇的效用也就不髙。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)分簇算法也稱聚類算法，簇成員節(jié)點(diǎn)集群類型的拓 撲結(jié)構(gòu)、層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)協(xié)助溝通。聚類算法的一個(gè)主要 的研究目標(biāo)是如何在一個(gè)有效的管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效均衡節(jié)點(diǎn)能耗，基于動(dòng)態(tài) 調(diào)整路徑和參數(shù)，以達(dá)到有效地利用能源,延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，如圖3-4所 示。在單級(jí)分簇結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個(gè)簇頭，簇頭下聯(lián)各自的簇成員節(jié)點(diǎn)。 在多級(jí)分簇結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個(gè)第一級(jí)簇頭，第一級(jí)簇頭下聯(lián)各個(gè)第二 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研

27、究 級(jí)簇頭，第N-1級(jí)簇頭下聯(lián)第N級(jí)簇頭，其中各級(jí)簇頭還要下聯(lián)屬于該 簇的簇成員節(jié)點(diǎn)。 A匯聚節(jié)點(diǎn)簇頭。普通節(jié)點(diǎn) (a)單級(jí)分簇結(jié)構(gòu) (b)多級(jí)分簇結(jié)構(gòu) 21 圖3-4分簇結(jié)構(gòu)(2-1) 在簇的內(nèi)部，也可以采用不同的結(jié)構(gòu)。圖3-4所示的簇結(jié)構(gòu)，其簇內(nèi)節(jié)點(diǎn) 距離簇頭只有一跳的距離，成為簇內(nèi)單跳結(jié)構(gòu)。圖3-5所示的簇結(jié)構(gòu)中，簇內(nèi) 的節(jié)點(diǎn)距離簇頭可以大于一跳的距離，形成了簇內(nèi)多跳結(jié)構(gòu)。簇內(nèi)多跳的結(jié)構(gòu) 可以擴(kuò)展單個(gè)簇的覆蓋范圍，但是簇內(nèi)的通信將比簇內(nèi)單跳結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。 圖2-5簇內(nèi)多跳結(jié)構(gòu)(2-2) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于其網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的分布而呈現(xiàn)多種類型。最常 見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域形態(tài)是矩形、圓形或相類似

28、的塊狀區(qū)域形狀，如圖3-4所示，匯 聚節(jié)點(diǎn)可以位于區(qū)域內(nèi)，也可以位于區(qū)域以外。大部分常見(jiàn)的分簇算法都可以 適用于這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 在一些特殊的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域可能會(huì)呈現(xiàn)特殊的一些形狀，網(wǎng)絡(luò)的分 簇結(jié)構(gòu)也需要相應(yīng)適配。 長(zhǎng)條形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常適用于果園.蔬菜大棚等應(yīng)用場(chǎng)景。在此類網(wǎng)絡(luò) 中，如果匯聚節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)，或者接近區(qū)域范圍，可以采用鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 如圖3-6所示。這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的 傳感器節(jié)點(diǎn)因承擔(dān)更高的負(fù)載，而容易提前耗盡能量。如需解決這一矛盾，可 采用扇形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖3-6長(zhǎng)條區(qū)域的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)

29、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2-3) 匯聚節(jié)點(diǎn)位于長(zhǎng)條區(qū)域的邊緣以外較遠(yuǎn)處，在這種情況下可以釆用扇形分 簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從匯聚節(jié)點(diǎn)向外輻射而形成多個(gè)扇區(qū)，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器 節(jié)點(diǎn)之間的角度不同，而形成扇形的簇結(jié)構(gòu)，如圖3-7所示。 十字形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常用于果園、管道等應(yīng)用。如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域內(nèi)或 接近區(qū)域內(nèi)，可放在十字形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的中央，這時(shí)候網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可按照?qǐng)D3-4 所示。如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域外較遠(yuǎn)處，十字形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看作兩個(gè)L形 網(wǎng)絡(luò)的疊加，通過(guò)雙匯聚節(jié)點(diǎn)的方式形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?對(duì)于L形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域外，可通圖3-8所示的方 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 式放置匯聚節(jié)

30、點(diǎn)，這樣能采用較小的能量代價(jià)覆蓋整個(gè)區(qū)域。 圖3-8形區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2-5L) 3. 3. 2 MAC 協(xié)議 媒體訪問(wèn)控制(MAC)層協(xié)議在物理層，主要是通過(guò)分配的節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中的 資源。 近年來(lái)學(xué)術(shù)界的研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的MAC層協(xié)議提出了幾個(gè)文件,o 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，該應(yīng)用側(cè)重于不同的網(wǎng)絡(luò)性能,從而映 射到往往會(huì)有不同的側(cè)重于MAC協(xié)議的設(shè)計(jì) (1) 基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議采用根據(jù)需要占用通道 (2) 調(diào)度基于MAC協(xié)議的基本思想是:用一個(gè)調(diào)度算法分配通道節(jié)點(diǎn),使之沒(méi) 有沖突在一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)給定的通道訪問(wèn)通道。 (3) 混合MAC協(xié)議通過(guò)使用頻分復(fù)用F

31、DMA、碼分復(fù)用CDMA。 3.3.2.1基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議 基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議的基本思想是，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)搶 占無(wú)線信道；當(dāng)與其通信范圍內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)主動(dòng)搶占無(wú)線 信道。MAC協(xié)議就是建立一種機(jī)制，確保任一時(shí)刻在通信范圍內(nèi)最多只能有一 個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得無(wú)線信道的使用權(quán)。基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議能較好滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載的變化，能很好適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓恍枰獜?fù)雜的時(shí)間同步或集中控制 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 調(diào)度算法。但是這類協(xié)議的缺點(diǎn)是需要持續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道，使得節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間也有 校大的能量消耗。 S-MAC協(xié)議是在IEEE 802. 11

32、MAC協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的專為無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議。S-MAC采用類似于IEEE 802. 11 MAC協(xié)議的載波偵聽(tīng) 機(jī)制以及RTS/CTS/DATA/ACK機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)。此外S-MAC還采用了休眠機(jī)制 、休眠調(diào)度表同步、消息傳遞和物理與虛擬載波偵聽(tīng)等技術(shù)來(lái)降低能耗。它將 每一個(gè)時(shí)間幀分為工作階段和休眠階段，在休眠階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并關(guān)閉通信 模塊，進(jìn)入工作階段后集中發(fā)送數(shù)據(jù)。S-MAC具有有效節(jié)能、擴(kuò)展性和沖突避 免等幾大優(yōu)點(diǎn)。但是，S-MAC的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)裝置處于休眠狀態(tài)下 時(shí)，若有事件被觸發(fā)而需要發(fā)送信息，則必須按照休眠調(diào)度表的規(guī)定，等待節(jié) 點(diǎn)被喚醒以后才能發(fā)送，從

33、而增加了通信時(shí)延；此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間是 相同的，低能量節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲得更多的休眠機(jī)會(huì)。 T-MAC協(xié)議針對(duì)S-MAC的弱點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，在S-MAC基礎(chǔ)上引入了適應(yīng) 性占空比，以適應(yīng)不同時(shí)間和位置上的負(fù)載變化。T-MAC協(xié)議通過(guò)占空比的動(dòng) 態(tài)選擇，來(lái)減少閑時(shí)監(jiān)聽(tīng)的能量浪費(fèi)，并保持合理的吞吐量。T-MAC協(xié)議定義 了 5種激活事件和一個(gè)計(jì)時(shí)器，如果在計(jì)時(shí)內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到其中任意一種激活事 件，則認(rèn)為信道空閑，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻模塊而進(jìn)入睡眠狀態(tài)。T-MAC協(xié)議采用了 未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送（FRTS）和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種解決方案，減少了早睡問(wèn)題的發(fā)生 可能性，但在網(wǎng)絡(luò)流量比較大時(shí)增加了沖突的可能性。 Sift協(xié)議是一

34、種基于事件驅(qū)動(dòng)的MAC協(xié)議, 充分考慮了事件的相關(guān)特性 進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)。該協(xié)議適合于分簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò), 簇頭擔(dān)當(dāng)一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài) 的活動(dòng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)角色，簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)消息給簇頭, 通過(guò)簇頭的能量消耗換來(lái)消 息傳輸延遲的縮短。 3.3.2.2基于調(diào)度的MAC協(xié)議 基于調(diào)度的MAC協(xié)議通常采用TDMA、FDMA、CDMA等信道訪問(wèn)模式，其 中TDMA模式最為常用?；谡{(diào)度的MAC協(xié)議不會(huì)帶來(lái)因競(jìng)爭(zhēng)而造成的沖突以 及控制開(kāi)銷的增加，協(xié)議實(shí)現(xiàn)方便，信道分配不會(huì)帶來(lái)沖突。但是這類協(xié)議很 難動(dòng)態(tài)改變幀的長(zhǎng)度以及時(shí)隙、頻率等的分配，并且難以動(dòng)態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 構(gòu)

35、的變化以及節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化。 EATB MAC 協(xié)議(Energy-Aware TDMA-Based MAC 協(xié)議)適用于分簇網(wǎng)絡(luò), 它將時(shí)間幀分成周期性的四個(gè)階段：數(shù)據(jù)發(fā)送階段.更新階段.更新引起的重 組階段以及事件觸發(fā)的重組階段。在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，各簇成員節(jié)點(diǎn)通過(guò)各自分 配到的時(shí)隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，其中非活躍節(jié)點(diǎn)保持睡眠狀態(tài)；在更新階段，各 簇成員節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送狀態(tài)信息；在更新引起的重組階段，簇頭根據(jù)更新階段 所獲得的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，向簇成員節(jié)點(diǎn)重新分配時(shí)隙；在事件觸發(fā)的重組階 段，簇頭根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蚬?jié)點(diǎn)能量低于門(mén)限值等特定事件而觸發(fā)的簇內(nèi)時(shí) 隙重新分配。 TRAMA協(xié)議是一種流量自適

36、應(yīng)介質(zhì)接入?yún)f(xié)議，通過(guò)預(yù)定的時(shí)隙機(jī)制限制碰 撞并減少總能耗，從而可以提高TDMA機(jī)制的利用率。協(xié)議將時(shí)間劃分為連續(xù) 時(shí)隙，根據(jù)局部?jī)商鴥?nèi)的鄰居信息來(lái)選擇每個(gè)時(shí)隙的無(wú)沖突收發(fā)者，并避免把 時(shí)隙劃分給沒(méi)有流量的節(jié)點(diǎn)，從而通過(guò)分布式協(xié)商的方式保證節(jié)點(diǎn)無(wú)沖突發(fā)送 數(shù)據(jù)，減少了控制開(kāi)銷。 DMAC協(xié)議采用了擺動(dòng)喚醒機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)解決數(shù)據(jù)匯聚樹(shù)的工作周期，使發(fā)送 節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間和接收節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間得到很好的協(xié)調(diào)一致，使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不 會(huì)產(chǎn)生中斷。PEDAMACS協(xié)議針對(duì)具有訪問(wèn)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)尋找網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒕S持節(jié)點(diǎn)同 步，執(zhí)行TDMA傳輸時(shí)間安排。 一些協(xié)議采用了 FDMA或CDMA與TDMA相結(jié)合的方法，增強(qiáng)了協(xié)議的擴(kuò)

37、 展性。 例如LEACH分簇算法所使用的MAC協(xié)議，對(duì)各個(gè)不同的簇分配不同的 CDMA編碼，而每個(gè)簇內(nèi)則通過(guò)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同時(shí)隙的方式建立TDMA定 時(shí)。當(dāng)然，采用這種方式需要傳感器節(jié)點(diǎn)具備編碼和解碼的能力，對(duì)傳感器節(jié) 點(diǎn)的計(jì)算能力和處理能力提出了一定的要求。 C-MAC在LEACH算法的MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，為每個(gè)時(shí)隙分配了超時(shí)時(shí)間，以 減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)，提升能量效率。 SMACS/EAR協(xié)議結(jié)合了 TDMA和FDMA基于固定信道分配的時(shí)隙機(jī)制。在 空閑階段，傳感器節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無(wú)線收發(fā)裝置以節(jié)省能量。節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟后進(jìn)入鄰居發(fā) 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 現(xiàn)階段并開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)收

38、到其它節(jié)點(diǎn)的廣播包則返回包進(jìn)行連接建立。連接建 立時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)之間選擇一個(gè)空閑頻率以及TDMA幀的空閑時(shí)隙進(jìn)行信 道的建立。 3.3.2.3混合式MAC協(xié)議 Z-MAC是一種混合型的MAC協(xié)議，它采用CSMA機(jī)制為基礎(chǔ)，在競(jìng)爭(zhēng)加劇 時(shí)使用TDMA機(jī)制來(lái)解決信道沖突問(wèn)題。Z-MAC引入了時(shí)間幀的概念，每個(gè)幀 分為多個(gè)時(shí)隙。網(wǎng)絡(luò)布置時(shí)通過(guò)DRAND算法進(jìn)行時(shí)隙分配，此后每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有 各自的時(shí)隙。節(jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)隙需要發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要先偵聽(tīng)信道的狀態(tài)，時(shí)隙 所有者節(jié)點(diǎn)通過(guò)獲得較小的時(shí)間窗口而在該時(shí)隙擁有發(fā)送優(yōu)先級(jí)，當(dāng)時(shí)隙所有 者不使用時(shí)隙時(shí)，該時(shí)隙可以被其它節(jié)點(diǎn)使用，由此提升了信道利用率。 AMA

39、C協(xié)議基于分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用與LEACH相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簇 成員節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身的狀態(tài)向簇頭提出時(shí)隙申請(qǐng)，簇頭根據(jù)時(shí)隙申請(qǐng)進(jìn)行仲 裁，然后及時(shí)調(diào)整時(shí)間幀的長(zhǎng)度以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?3. 3. 3數(shù)據(jù)融合 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)能耗中，無(wú)線通信所造成的能耗占據(jù)最主要比重。 相比之下，傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行計(jì)算操作時(shí)所消耗的能量，要比無(wú)線通信能量要小 得多。分簇結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，因此采用適 合的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以節(jié)省各個(gè) 傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提升信息的準(zhǔn)確度，并提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的效率。 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量布放到監(jiān)測(cè)區(qū)域

40、的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的，為 了達(dá)到精確監(jiān)測(cè)的目的，在大多數(shù)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的布放有一定的冗余，節(jié)點(diǎn)的 監(jiān)測(cè)區(qū)域都有交叉甚至重疊，相鄰的節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)有相似性、相關(guān)性甚至 有時(shí)候有可能相同。數(shù)據(jù)融合就是節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，對(duì)所釆集到或從從其 它節(jié)點(diǎn)處發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行預(yù)處理，以去除冗余信息，降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的比特?cái)?shù)， 從而提升信息傳送的效率。 分簇結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及應(yīng)用需求, 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 合理選擇數(shù)據(jù)融合算法。 3.3.3.1根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理層次分類 根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理的層次，可分為集中式融合和分布式融合。 1、集中式融合的方法是由若干個(gè)源節(jié)點(diǎn)

41、直接傳送所收集的監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)， 之后，匯聚節(jié)點(diǎn)在對(duì)匯總的來(lái)自各個(gè)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。這種方式的優(yōu)點(diǎn) 是數(shù)據(jù)融合過(guò)程中的信息量保持的比較完整。但缺點(diǎn)是由于源節(jié)點(diǎn)的分布存在 相鄰或同一監(jiān)測(cè)環(huán)境下的情況，所收集的數(shù)據(jù)存在較大相似性，這就給匯聚節(jié) 點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合帶來(lái)較大冗余，降低了數(shù)據(jù)融合的效率。對(duì)于大規(guī)模的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)并不適用。 2、分布式融合方式與集中式不同，經(jīng)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)每經(jīng)過(guò)一個(gè)無(wú)線傳 感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)就被檢查一次，并去除掉冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)打包，再傳送至下 一結(jié)點(diǎn)。這種數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中的融合方式分擔(dān)了匯聚節(jié)點(diǎn)的融合能耗，使整 個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗降低，提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 3.3.

42、3.2根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)信息量變化分類 根據(jù)數(shù)據(jù)融合后內(nèi)容的長(zhǎng)度變化，將融合分為無(wú)損融合與有損融合 1、無(wú)損融合的方式，保留了除冗余數(shù)據(jù)外的所有數(shù)據(jù)內(nèi)容，具有較高的數(shù) 據(jù)完整性。 2、有損融合在進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)于用戶不需要的環(huán)境收集數(shù)據(jù)則給 予刪除，與源節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)相比，有損融合后的數(shù)據(jù)量大幅減少，在一定 程度上減少了網(wǎng)絡(luò)通信量。 3.3.3.3根據(jù)信息抽象層次分類 根據(jù)信息抽象層次，可分為數(shù)據(jù)集融合、特征級(jí)融合、決策級(jí)融合。 1、數(shù)據(jù)集融合是在數(shù)據(jù)處于最底層時(shí)就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，處于采集層的數(shù) 據(jù)經(jīng)過(guò)分析融合后再進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈。 2、特征級(jí)融合是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行提取來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合

43、與分 析。 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 3、決策級(jí)融合是對(duì)不同無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所收集的信息進(jìn)行分析和判斷，從 而進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 4基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究 通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的果園,運(yùn)用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，通 過(guò)分析和響應(yīng)的信息采取措施進(jìn)一步提高果園的數(shù)據(jù)收集能力。通常利用傳感 器節(jié)點(diǎn)安置在待監(jiān)測(cè)區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到采集節(jié)點(diǎn)，收 集節(jié)點(diǎn)被用來(lái)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心。 根據(jù)果園的特點(diǎn)，首先通過(guò)設(shè)計(jì)一種適合于果園環(huán)境的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)而設(shè)計(jì) 了兩種適用于這一應(yīng)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別適用于兩種不同地形 特征的果園，最后對(duì)

44、于應(yīng)用HEED算法于果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了理論論證。 4.1數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì) 根據(jù)果園的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)通常被安置在一個(gè)較大范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域， 所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模通常比較大，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集，再傳送數(shù) 據(jù)之匯聚節(jié)點(diǎn)，此時(shí)的冗余數(shù)據(jù)較多，而對(duì)于數(shù)據(jù)的載體，數(shù)據(jù)幀，普通的數(shù) 據(jù)幀已無(wú)法滿足這種大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳遞，以下通過(guò)改進(jìn)數(shù)據(jù)幀格式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 果園數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)。 普通數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)部分組成，如圖4-1。 幀頭 數(shù)據(jù)部分 幀尾 圖4-1普通數(shù)據(jù)幀格式(2-6) 改進(jìn)后的數(shù)據(jù)幀成為數(shù)據(jù)融合幀，其數(shù)據(jù)部分經(jīng)過(guò)多重劃分可以承載更多 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究

45、的非冗余數(shù)據(jù)，如圖4-2。 幀頭 數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)2 圖4-2改進(jìn)后的數(shù)據(jù)幀格式 4.2非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 果園生態(tài)環(huán)境較為特殊的一點(diǎn)，在于其園中果樹(shù)的種植有一定的規(guī)律，因 而可以通過(guò)對(duì)果園區(qū)域的具體劃分形成分類監(jiān)測(cè)區(qū)域，而在每一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域之 中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)有規(guī)則的不放來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)果園整體的監(jiān)控，從而對(duì)冗余 數(shù)據(jù)的產(chǎn)生也起到了限制。在離匯聚節(jié)點(diǎn)較盡的監(jiān)測(cè)區(qū)域，其傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量 應(yīng)該比較多，而離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，其中的黃按期節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)控制在 少量，從而，各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域根據(jù)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離形成一種類似等差數(shù)列的傳 感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量安置。 從整體來(lái)看，整個(gè)園區(qū)的的傳感器節(jié)點(diǎn)分布形成一種

46、類似矩陣的點(diǎn)陣，如圖 4-3,通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的控制，從而降低了數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中出現(xiàn)冗余的 情況，兩一方面，由于果園生態(tài)環(huán)境是一種可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境，其要求的 傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間較高，因此這種排列方式，在數(shù)據(jù)能耗上比較平衡，各個(gè) 節(jié)點(diǎn)所分擔(dān)的數(shù)據(jù)量差別不大，所以有助于提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)限。 A匯聚節(jié)點(diǎn) oo 0 監(jiān)測(cè)區(qū)域1-1 oO O 監(jiān)測(cè)區(qū)域 1-2 oo o O O O 監(jiān)測(cè)區(qū)域Nl O 監(jiān)測(cè)區(qū)域乙2 O % O 監(jiān)測(cè)區(qū)域3-1 O 監(jiān)測(cè)區(qū)域3-2 0 圖4-3分區(qū)域的監(jiān)測(cè)模型 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 根據(jù)以上布放規(guī)則，形成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在圖4

47、-4的示例中，以監(jiān)測(cè)區(qū) 域1-1, 2-1, 3-1為例，距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)區(qū)域3-1布放一個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)A,該節(jié)點(diǎn)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后生成數(shù)據(jù)幀，并轉(zhuǎn)發(fā)至傳感器節(jié)點(diǎn)B,傳感器節(jié) 點(diǎn)B將所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)放入該數(shù)據(jù)幀中的一個(gè)數(shù)據(jù)1,再傳送給監(jiān)測(cè)區(qū)域2-1的節(jié) 點(diǎn)C,由此繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)。同樣地，監(jiān)測(cè)區(qū)域2-1的傳感器節(jié)點(diǎn)，由于 節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)E距離較遠(yuǎn)，為節(jié)約能量，提高數(shù)據(jù)傳送效率，以節(jié)點(diǎn)E為起始 點(diǎn)生成數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)F,節(jié)點(diǎn)F將所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀中的一個(gè)數(shù)據(jù)1,在傳送 給區(qū)域1-1的節(jié)點(diǎn)G,節(jié)點(diǎn)G同理與數(shù)據(jù)幀結(jié)合生成成數(shù)據(jù)2,再次轉(zhuǎn)發(fā)，直至 將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)。 L fGHOI 監(jiān)測(cè)區(qū)域1-2 o

48、o OO E 監(jiān)測(cè)區(qū)域 。o / B A 鑒測(cè)區(qū)域3-2 o 圖4-4非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu) 4.3山地果園分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 除了矩形的園地，在果園中經(jīng)常遇到帶有拐角和不規(guī)則邊界的園地情形， 而且由于拐角或轉(zhuǎn)角的邊界情況復(fù)雜，無(wú)法將匯聚節(jié)點(diǎn)布置在靠近拐角或轉(zhuǎn)角 的中心處。此時(shí)，仍然采用線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)較遠(yuǎn)距離的匯聚節(jié)點(diǎn)放置，將 導(dǎo)致靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)能耗加大，過(guò)早耗盡能量。扇形分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 可以很好地適應(yīng)這一網(wǎng)絡(luò)狀況。 與非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，將L形網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū) 域，如圖4-5所示。由于匯聚節(jié)點(diǎn)距離園地有一定的距離，因此在距離匯聚節(jié) 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生

49、態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān) 鍵技術(shù)研究 點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，適當(dāng)布放冗余的傳感器節(jié)點(diǎn)，以更好地實(shí)施對(duì)簇頭的負(fù)載 分擔(dān)。 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域選擇一個(gè)當(dāng)前剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，在其余 節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)生成承載信息的數(shù)據(jù)幀，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的其余非冗余節(jié) 點(diǎn)，則負(fù)責(zé)采集本地?cái)?shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。圖4-5顯示了 L形網(wǎng)絡(luò)的 區(qū)域劃分模型。 圖4-5 L形網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分 根據(jù)以上布放規(guī)則，形成網(wǎng)絡(luò)的扇形分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。匯聚節(jié)點(diǎn)作為扇形的 頂點(diǎn)，與每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域形成一個(gè)扇形的邏輯分簇。在圖4-6的示例中，監(jiān)測(cè)區(qū) 域1的傳感器節(jié)點(diǎn)A獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后生成信息承載幀，并轉(zhuǎn)發(fā)至傳感器節(jié)點(diǎn) B,傳感器節(jié)點(diǎn)B將所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)放入該信息承載幀中的一個(gè)信息負(fù)載，再傳送 給匯聚節(jié)點(diǎn)，