基于能量异构双簇头路由算法的水稻田无线传感器网络

针对无线传感器网络分簇结构中簇头节点能量消耗过快而容易死亡的问题,提出了一种适合于水稻田监测的混合天线组网通信的能量异构双簇头分簇路由算法。首先估算全网平均剩余能量确定阈值,根据阈值选择主簇头;然后依据节点向主簇头节点发送应答信号强弱的原则,确定簇成员节点;最后,按照簇内成员节点剩余能量大小,选择一个副簇头。副簇头负责收集并融合簇内其他成员节点的数据,从而减轻主簇头的能量消耗,降低主簇头的死亡概率。采用能量异构网络对本算法进行仿真,网络节点初始总能量的平均值与同构网络节点初始能量相等,结果显示,该算法异构网络相对于LEACH (low-energy adaptive clustering hierarchy) 算法同构网络的稳定周期延长了12.1%。采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线,在水稻田进行混合天线通信试验,测试了定向天线水平覆盖范围;在此基础上的网络模拟试验结果表明,基于该算法的通信网络稳定周期比值相比于LEACH、LEACH-E (LEACH-energy adaptive and uneven cluster)、DEEC (design of energy efficient clustering)、EADC (energy aware data-gathering cluster-heads) 4种算法分别提高了46%、47%、58%、11%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网进行环境参数实时监测提供理论参考。     

农田无线传感器网络移动终端数据收集方案

农田无线传感器网络部具有署面积大、汇聚节点位置不固定的特点,为了解决移动汇聚节点高效、低能耗地收集网络数据的问题,提出了一种基于层次型拓扑结构的移动终端数据收集方案—DCSMT_H。方案综合考虑节点位置及当前剩余能量选举簇头并形成层次型拓扑结构,根据移动终端当前位置灵活构建簇间数据汇聚路由。仿真实验结果表明,DCSMT_H方案的网络能耗低,该方案与LEACH相比能有效延长网络生存期约15%,能够较高效地应用于移动终端收集大规模农田生产信息。该研究为提高无线传感器网络在精准农业中的应用水平做出了有益探索。     

水产养殖参数无线测量网络的长生命周期研究

在水产养殖参数的无线测控网络中,测量节点能耗不均匀,个别节点由于能耗大过早失效,降低了网络的有效生命周期。该文对采用平面路由协议和低能量自适应分群分层路由协议(LEACH)的测控网络进行对比试验,发现采用LEACH协议网络的有效生命周期延长19%以上。在LEACH协议的水质参数测量网络中存在2个缺陷:一方面无线测控网络中每个簇的簇首功耗远远大于普通节点,LEACH协议通过等概率随机选择簇首部分改善了节点能耗的均衡性,但水产养殖参数监控中每个簇首功耗不同,为此在LEACH优化协议中依据节点剩余能量的多少选择簇首,使节点的剩余能量更趋均衡;另一方面水产养殖池中距离基站较远的节点容易提前失效,主要是因为监控面积大,簇首节点与基站采用单跳通信,远距离节点被选为簇首后向基站发送数据通信距离远,路径损耗采用多路径衰落信道模型,衰减指数为4。在优化协议中,对远距离簇首与基站通信采用双跳通信,使路径损耗采用自由空间信道模型,衰减指数为2。试验表明,无线传感网络有效生命周期延长了8%,各节点失效时间更趋接近。     

农田信息采集无线传感器网络节点设计

农田信息的及时准确获取是精准农业实施的基础。该文分析了几种典型无线传感器网络技术应用实例,基于当前无线传感器网络在农田信息采集中的应用现状,提出了设计体积小、工作持续时间长的农田信息采集无线传感器网络节点的必要性。基于ATmega128L单片机和CC1000射频芯片设计了无线传感器网络节点通信电路,并给出了土壤温湿度、电导率传感器、空气温湿度传感器及光照度传感器的选型和指标参数。设计了节点软件系统,描述了一种基于优先级的静态任务调度机制的实现方法,将S-MAC中的SYNC帧和RTS/CTS帧融合并加入了睡眠周期动态调度机制,并实现了全网的长周期睡眠。最后对节点进行了验证试验,给出了节点吞吐能力曲线和系统电压变化曲线,并进行了分析。试验表明,在论文给出的低功耗机制控制下,节点每秒具有6个数据包处理能力;在20个节点容量的全覆盖网络中,10 min采样周期下,节点可有效持续工作150 d以上,可以满足精准农业信息采集需求。     

农田无线传感器网络中的簇首轮换机制

在大规模农田无线传感器网络WSN应用中,如何选择最优的网络架构和相应的自组织方式是一个急需研究的问题。在多跳、无线自组织网络Ad Hoc结构基础之上,针对规模农田面积大、作物生长周期长、传感器节点众多的特点,借鉴生物体内大量细胞生长发育和相互协作的组织机理,提出一种星状网和网状网相结合的分层无线传感器网络拓扑结构和簇首轮换机制,通过簇内控制减少节点与基站远距离的信令交互,降低网络建立的复杂度,减少网络路由和数据处理的开销。     

大面积水稻田无线传感器网络组网设计与优化

为解决大面积水稻田无线传感器网络能量消耗过快和丢包率严重等问题,该文提出了不同天线模式下的3种组网方案:配备全向天线的分环多跳网络、配备定向天线的多跳网络和配备混合天线的分簇多跳网络。第一组网络,处于不同环中配备全向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输到基站;第二组网络,各级配备定向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输至第一级节点;最后一组网络,借助于双簇头分簇思想,主簇头接受副簇头汇聚于成员节点的数据包与基站多跳通信。首先,介绍了3种网络拓扑结构间的差异;然后,从网络能耗角度,理论上分别计算了3组网络的能量消耗;仿真试验表明,混合天线分簇多跳组网方案相比定向天线多跳方案数据包个数提升了近10倍;相比全向天线分环多跳方案网络稳定周期延长了24.3%,网络寿命延长了28.2%;最后,采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线进行了水稻田组网试验,结果表明混合天线分簇多跳网络相比全向天线分环多跳网络丢包率降低了8.11%,平均存活时间效率提高了8.66%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网方案的设计提供参考。     

无线水分传感器网络分路定点路由

为减少因节点失效和外界干扰带来的数据完整性问题,在无线水分传感器节点软硬件配置、网络周期性工作机制以及方向性网络拓扑的基础上,讨论适用于土壤水分周期性实时监测应用的无线水分传感器网络路由协议。传感器节点在农田中呈二维矩阵结构的网格分布,以两字节行列编号对节点进行二维行列地址编码。将网络按照不同数量的列划分为分路,数据在分路内部定点传输,分路之间顺序传输。对单路、双路和三路路由策略进行了描述,从网络传输数据量、节点超时时间以及数据完整性等方面对分路定点路由策略进行分析和仿真。结果显示,分路定点路由比AODV协议有更好的能耗和数据完整性表现,满足土壤水分周期性监测需要。     

农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

为解决传统土壤含水率监测中所存在的监测区域面积小、采样率低等问题,设计和开发了基于无线传感器网络技术的土壤含水率监测系统,包括10个传感器节点,1个簇首和1个基站节点,可按任意时间间隔全自动地采集、处理、传输和存储地表以下4个不同土层土壤含水率变化状况;各类节点采用TinyOS操作系统,节点间通信遵循ZigBee协议;含水率测量采用EC-5传感器;太阳能供电模块的供电能力满足传感器节点及簇首的能耗需求;进行了数据包传输率试验,10个传感器节点中有7个的数据包正确传输率高于90%,1个节点的数据包正确传输率为89.2%,2个节点的传输率低于70%。造成2个节点数据包传输率较低的主要原因是太阳能供电电路制作,通过更换电路板解决了该问题。试验结果表明,系统能够实现稳定的数据传输,适合农田土壤含水率的实时监测。     

农田无线传感器网络的节点部署仿真与实现

应用无线传感器网络进行农田信息采集时,针对农田面积大、传感器节点众多的特点,如何有效地部署节点成为研究的热点之一。利用NS2软件从丢包率、平均延时、剩余能量和接收信号强度等网络性能角度对随机部署、正六边形部署及正四边形部署方式进行了仿真比较,最终确定正六边形部署方案,并在农田中进行实地试验。结果表明系统能够实现无缝覆盖,稳定可靠的采集农田信息,为无线传感器网络在农田环境中的进一步应用提供了参考。     

玉米田环境中915MHz直接序列扩频系统性能仿真

在面向农业应用的无线传感器网络中,用于裸地和草地的直接序列扩频收发器能否适应农田环境,需要进一步的研究探索。该文用Simulink 仿真了915MHz直接序列扩频系统与农田环境下的无线信道,多径衰落模型根据 Saleh-Valenzuela模型修改而得,路径损耗模型是根据成熟期玉米地实地测量得到的数据分析拟合而得。仿真结果表明,小尺度多径衰落对系统性能的影响较大,直接序列扩频系统可以在一定程度上补偿多径衰落的影响,但在多径现象严重的玉米田环境中,补偿能力非常有限,仅在很短的传输范围内（＜80 m）系统性能良好,很难满足面向广域空间农田信息采集的无线传感器网络的要求。扩频技术虽然在无线传感器节点设计中被广泛应用,但在传输环境恶劣的农田环境中,并不是一个最优的解决方案。     

基于粒子群优化聚类的温室无线传感器网络节能方法

温室传感器网络中,不同区域节点间高相似度数据的传输会浪费通信带宽和增加能量消耗,因此研究相应的节点数据压缩方法对减少数据冗余和提高节点续航能力具有重要意义。该文针对温室无线传感器网络中节点感知数据的特点,同时考虑节点续航能力有限的因素,提出一种温室无线传感器网络方案,系统按轮运行,每轮中利用粒子群(Particle Swarm Optimization)的K-均值聚类算法将节点按监测数据相似性划分到相同的区域,每个数据相同区只允许聚类有效性指标值最高的节点向汇聚节点传输数据,其余节点暂时休眠。试验结果表明,16个节点在10轮试验中归入休眠集合的总次数达到131次,DCAPI平均值为0.1814,每轮降低能耗72.93%以上,该系统能够极大地减少每轮中的工作节点,压缩发送的数据量,降低能耗。     

基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验(简报)

研究基于ZigBee协议的无线传感器网络技术,结合嵌入式处理器开发了无线传感器网络节点和汇聚节点。网络节点规则分布在被监测区域,负责采集土壤水分信息,并自组成网,将信息发送给汇聚节点,实现对信息的动态显示和大容量存储;节点天线分别在0.5、1.0、1.5和2.0 m 4个高度下,对小麦苗期、拔节期和抽穗期3个典型的生长时期进行试验,得出无线电信号在小麦不同生长时期,最佳天线高度下的有效传输距离,为无线传感器网络在农业中的应用提供技术支持。     

温室动态星型无线传感器网络通信方法研究

针对温室测控系统信息传输技术存在的一些问题,根据温室结构特征提出一种动态星型无线传感器网络的框架,从低成本低功耗角度出发,移动的汇聚节点采用定时跳频方法与子节点形成子网,以尽量缩短点对点之间的通信距离。利用帧扩展的方法实现了以低功耗芯片nRF2401A构成复杂的通信网络,并给出了传感器节点、控制节点和汇聚节点的通信算法。在汇聚节点不同的工作状态下,对网络子节点进行能耗分析,结果表明,动态星型无线传感器网络的通信方法具有很好的节能效果,对温室中数据的传输是有效的。     

基于ZigBee的节能型水产养殖环境监测系统

该文基于ZigBee无线传感器网络技术,设计了一种节能型水产养殖环境监测系统,用于实时监测水的温度、pH值、溶解氧浓度和浊度等参数。系统采用CC2530为核心处理器设计无线传感器节点;运用开源的Z-stack协议栈开发了节点应用程序,提高了系统的稳定性和可靠性;使用9 V锂电池为无线传感器节点供电,实现了系统的无线化;采用C/S和B/S混合编程模式开发了简单直观的本地用户监测界面和远程监测网站,实现了系统的本地监测和远程监测;采用分时、分区供电的方式和数据融合技术延长了节点的生存时间。该文介绍了系统软硬件设计方法,并重点阐述了软件和硬件的节能策略。实验室测试表明,采用方案4（传感器不一直工作,数据全部发送）,节点数据采集周期为10 min,节点能正常工作94 d,实际系统上线时,节点数据采集周期为30 min,节点预计能正常工作280 d左右;运用节能策略后,节点寿命延长了1倍。在甘肃省某虹鳟鱼养殖基地进行了实地测试,路由节点剩余能量约占总能量的47%,终端节点剩余能量约占总能量的33%,路由节点能量消耗较快,距离汇聚节点最近的16号路由节点的寿命预估只有134 d。结果表明该系统具有功耗低、运行稳定、网络寿命长等优点,能实现水产养殖环境的实时监测,具有很好的市场前景和推广价值。     

基于相似度的温室无线传感器网络定位算法

针对温室移动节点定位简单、易实现要求,提出了一种基于相似度的温室无线传感器网络定位方法。该方法主要包括虚拟网格划分、测量距离修正、节点定位3个阶段。首先,汇聚节点根据信标节点的分布信息,将温室区域等分划分虚拟网格,并返回除区域边界外的网格顶点的坐标;然后,汇聚节点通过比较信标节点间测量距离与真实距离的偏差,获得各信标节点的误差系数,用以修正传感器节点与各信标节点间的测量距离,并按序组成距离向量;最后,量化该距离向量与所有除区域边界外的网格顶点到各信标节点的距离向量之间的相似程度,选取相似度最高的网格顶点的质心为传感器节点的估计位置。仿真试验表明,该方法充分考虑测距误差、虚拟网格、信标节点数量对定位误差的影响,具有较高的稳定性和定位精度,能够满足网络定位成本受限的温室定位需求;将该方法与支持向量机定位算法进行比较,2种算法的定位误差均值分别为2.5407、2.9195 m,定位算法平均运行时间分别为0.2326、2.3719 s,表明该方法具有更低定位误差和计算复杂度。     

基于无线传感器网络的节能型水产养殖自动监控系统

水产养殖的规模化发展和人力成本的不断上升迫切需要建立水质参数的无人值守自动监控系统。该文提出了一种基于改进型低能耗分层分群协议（LEACH）的Zigbee无线传感网络的水质监测和基于西门子PLC的变频增氧控制系统。在LEACH-C通信协议中,由基站根据各节点剩余能量的估算值选定簇首,达到各节点供电电池剩余能量的均衡,同时从系统的实际控制精度出发,当节点测量到的溶解氧浓度值与上次发送值误差在0.02 mg/L范围内时,不向簇首发送数据,达到节约供电电池能量的目的,经试验发现采用优化后的LEACH-C协议,比采用常规的LEACH协议网络有效寿命延长33.33%。适合鲈鱼生长的水体溶解氧质量浓度大于4.5 mg/L,但随着浓度的上升增氧效率将逐步降低,因此设定应急增氧的区间为4.5～5.5 mg/L。控制系统根据无线传感网络测量的溶解氧质量浓度值,采用PI-PID控制水体溶解氧浓度。保证了水体溶解氧质量浓度始终适合鱼类生长。通过试验验证,与人工粗略控制相比,这种控制方法大幅降低了人力成本和节约了51%的电能。该文可为水产养殖自动控制研究提供参考。