设施花卉环境参数低功耗传输及模糊控制研究

为了降低现有设施环境监测系统中传感节点的能耗,延长无线传感网络的生存周期,提出了节点动态组包主动传输和多种环境变量加权控制传输2种低功耗机制,减少了大量重复冗余数据的传输,并实现了基于Zigbee的设施花卉环境监测及其低功耗传输系统.提出设施花卉环境下的多变量模糊控制方法,解决了环境变量之间耦合问题,促使温室快速达到花卉适宜环境并保持平衡,实现了对设施花卉环境的综合控制.节点以CC2430芯片为核心,并根据影响花卉生长的环境参数,同时装载SHT10型温湿度、BH1750FVI型光照以及COZIR-ambient型二氧化碳传感器,因此节点可同时采集传输多种环境参数,降低了硬件成本.在南京农业大学园艺试验基地进行组网测试,结果表明,系统比传统周期传输节点(周期1 min)减少能耗85.97％,测量精度在98.5％以上,网络平均丢包率为0.84％,满足了对设施花卉环境的有效监测及低功耗传输的要求.     

基于图论的温室WSN测控系统冗余节点部署算法

针对温室无线传感器网络(WSN)测控系统的漏斗效应问题,提出负载平衡的冗余节点部署算法(RN-DA)。RNDA根据节点负载情况配置一定数量的冗余节点以平衡网络能耗,把节点下一跳选路概率作为权值引入图论,提出源节点数据经m跳到达目的节点概率的定理,为研究网络数据传输提供了一种有效方法。理论分析和仿真结果表明,RNDA既能明显延长网络寿命,又能有效平衡网络节点的能耗。     

基于改进K-means算法的WSN簇头节点数据融合

无线传感器网络数据融合能够减少节点能耗、延长网络生命周期,近年来受到了广泛关注。已有的应用于农业监测的空间数据融合算法多采用取平均值等方法将一定区域内监测到的数据融合成一个值。而农田环境监测具有监测范围广、监测点多、监测数据量大的特点,监测数据间除了冗余性还具有差异性,因此数据融合应该在消除冗余的同时保留数据的差异。针对农业监测的这一特点,提出在簇头节点应用聚类算法进行空间数据融合,通过聚类减少数据发送量,降低能耗;同时将差异较大的参量聚类到不同类别中以保留数据间的差异。此外,还提出了一种应用于WSN簇头节点的自适应改进K-means聚类算法,仿真结果表明,所提算法融合后的数据上传量比没有融合减少41.19%,消除了数据冗余;算法融合前后最大误差低于取平均值法误差的36%,保留了数据差异性。在没有明确误差要求时, 该算法能够在尽量减少数据上传量的同时保持相对误差低于10%,避免了因聚类个数不当引起的巨大误差。而在有具体误差要求时,该算法融合前后的绝对误差严格低于要求误差。     

基于DSP和模糊神经网络种蛋识别系统

针对传统的无线传感器网络监测农田范围小、采样频率不足和能耗高等问题,本文设计了基于簇状结构的无线传感器网络监控系统.能实现对玉米田环境参数的测量.该网络拓扑结构是簇状结构,分为2个簇,8个终端采集节点,2个簇首节点和1个汇聚节点.为延长生存期、降低能耗,节点采用定时休眠,依据节点功能采用不同供电模块,简化协议固定簇内终端节点和簇首的位置.设计WSN-CFM (Corn Field Monitoring)系统能实现近端计算机控制信息采集、处理、传输和存储农田参数变化状况.试验节点部署在玉米田,8个终端节点有7个终端节点数据的传输正确率均超过85%,正确率较低的节点更换电池后可正常工作.系统是能实现稳定传输,适合对玉米田环境参数实时监测.     

基于分簇数据融合的农产品冷链温度监控方法

针对现有基于无线传感网络的农产品冷链物流监测系统,传感器节点数据传输量大,带宽利用率低、能耗高,网络生命周期短的问题,提出了一种基于算术平均值与分批估计的簇内数据融合及自适应加权的簇间数据融合冷链温度监测方法。首先利用疏失误差对采集数据进行预处理,然后利用平均值与分批估计方法对簇成员节点发送的数据进行融合处理,最后簇头节点利用自适应加权算法对接收到的成员节点数据进行进一步的融合处理。实验证明,基于该数据融合方法的冷链监测系统网络生存周期相比传统方法提高了34.2%,稳定周期相比于传统低功耗自适应集簇分层型协议提高了11.4%,数据融合精度高于传统算术平均值法7.6%,系统能耗每轮降低约32.5%。能够有效降低冗余和可信度较差的数据对测量结果带来的影响,减少不必要数据传输损耗,降低了冷链物流成本,提高了农产品冷链物流信息化程度。     

基于WSN的低功耗湿地土壤监测系统设计

针对扎龙自然保护区的土壤环境监测需求,采用CC2530PA模块设计终端节点,基于Z-Stack协议栈搭建自组织传感网络,传感器选取土壤湿度传感器、温度传感器以及雨滴传感器,组建低功耗湿地土壤监测系统。系统结合低功耗路由协议和实际环境监测需求提出采集发送端低功耗节点设计的改进算法,有效地减少节点的功耗、传输延迟和丢包率,从而延长整个网络生存时间。     

基于粒子群与模拟退火协同优化的农田物联网混合多跳路由算法

农业无线传感器网络对农田土壤、环境和作物生长的多源异构信息的获取起关键作用。针对传感器在农田中非均匀分布且受到能量制约等问题，本研究提出了一种基于粒子群和模拟退火协同优化的农田物联网混合多跳路由算法（PSMR）。首先，通过节点剩余能量和节点度加权选择簇首，采用成簇结构实现异构网络高效动态组网。然后通过簇首间多跳数据结构解决簇首远距离传输能耗过高问题，利用粒子群与模拟退火协同优化方法提高算法收敛速度，实现sink节点加速采集簇首中的聚合数据。对算法的仿真试验结果表明，PSMR算法与基于能量有效负载均衡的多路径路由策略方法（EMR）相比，无线传感器网络生命周期提升了57%；与贪婪外围无状态路由算法（GPSR-A）相比，在相同的网络生命周期内，第1个死亡传感器节点推迟了两轮，剩余能量标准差减少了0.04 J，具有良好的网络能耗均衡性。本研究提出的PSMR算法通过簇首间多跳降低远端簇首额外能耗，提高了不同距离簇首的能耗均衡性能，为实现大规模农田复杂环境的长时间、高效、稳定地数据采集监测提供了技术基础，可提高农业物联网的资源利用效率。     

基于JN5139的农田无线传感器网内数据融合研究

在无线传感器网络中,各个节点的存储能力、通信能力、计算能力及能源的供给都十分有限,因而运用网内数据融合算法消除冗余数据,减小数据传输量,从而达到节省功耗、延长节点生命周期、提高数据采集效率和准确度的目的。介绍了系统结构及主要模块JN5139,采用简单滑动平均法、指数平滑法及自回归滑动平均模型(ARMA),在分析大量WSN数据的基础上,利用时间序列对数据进行建模预测,提出了适合WSN的数据处理模型并用Mat Lab进行仿真,之后将程序烧写到节点中进行试验。试验表明:该方法在保证采集数据可靠性的前提下有效地减少了网络的耗能,延长了网络的生命周期。     

多链型农田监测无线传感器网络无分层通信协议

为了减少信道冲突、降低网络能耗和数据时延,提出一种适用于农田监测多链型网络结构的无分层协议RBP。汇聚节点通过发送命令帧对全网进行时间同步、调度,传感器节点根据接收到的不同的命令帧完成同步、数据发送、路由等任务。仿真实验表明,该协议能有效地降低网络能耗、避免链路冲突、减小数据时延,提高网络的可靠性。     

温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器

针对基于无线传感器网络构建的温室环境监控系统的整体性能受时变传输延时、丢包、网络拥塞、延时抖动等不利网络属性的影响，提出一种采用事件驱动机制的反馈调度策略。该反馈调度策略以截止期错失率作为网络服务质量性能评价指标，针对传感器节点和汇聚节点间的数据传输，利用反馈控制技术在线调整各个传感器节点的采样周期，使传感器节点的带宽要求适应网络负载的动态变化，从而保证网络服务质量维持在一定水平；在此基础上，引入新型的事件驱动机制来降低反馈调度策略设计难度和资源消耗。实验表明，该事件驱动反馈调度策略合理、有效并实用。     

基于移动sink的农田无线传感器网络数据采集方法

针对在农田生境监测场景中，无线传感器网络在数据采集时存在数据量小和功耗大的问题，使用移动sink进行数据采集可以改善无线传感器网络的性能。移动sink在无线传感器网络中沿着预定义的路径移动并从附近的传感器节点采集数据，然而由于移动sink的速度过快或过慢导致数据采集量小或传输延迟高。通过优化传感器的数据传输调度和移动sink的速度来确定移动sink的最佳数据采集调度。仿真结果表明，该算法可以提高数据采集量和网络吞吐率。      

基于无线图像传感器网络的农田远程监测系统

为了实时获取农田图像和视频信息,提出了基于无线图像传感器网络的农田远程监测系统。针对当前图像传感器节点存在的不足,基于CMOS图像传感器和S3C6410嵌入式处理器设计了低成本、高分辨率的无线图像传感器节点,并研究了基于驱动层和应用层协作的分辨率实时调整算法,使得节点具备10种不同的分辨率,最高分辨率可达500万像素,而且分辨率可根据用户需求实时调整,以满足用户对不同图像精度的需求。采用Wi Fi技术构建无线图像传感器网络,并通过4G网络远程传输图像和视频到服务器。在服务器端开发了基于Web的可视化农田信息管理软件,实现对采集的数据进行有效存储、管理和应用,并为用户提供网络服务。部署了该系统并进行了长时间的运行测试试验,试验结果表明:系统可稳定地运行,能够根据远程指令采集并传输不同分辨率的图像,采集并传输1幅126 KB左右的图像平均耗时为5.36 s,网络平均丢包率为1.67%,客户端开启视频监控平均时延为3.48 s,视频播放流畅。     

基于物联网的农田环境监测系统设计

为实现对农田环境参数的监测,设计了基于物联网的农田环境监测系统。系统基于EPC架构,构建网络框架,感知层采用ZigBee传感节点。传感节点实时采集与农田生产有关的多个重要环境参数,对作物形态进行可控图像采集,通过网络构建层将各种数据发送到远程监测服务层。对监测系统进行了试验,结果表明,系统可对播种进度、苗期、花期、施肥、打药、灌水、适时收获、病虫害和质量监控等过程中的信息进行采集。      

基于低功耗的发射功率自适应水稻田WSN监测系统

针对农田环境信息监测存在能量有限、节点通信距离各异等特点,设计了一种基于接收信号强度和丢包率的发射功率自适应水稻田监测系统,并搭建了一个长期、稳定且可靠的低功耗无线传感网络。硬件方面,为扩大网络的覆盖范围和提高系统的稳定性,采用频率异构的方式对节点分簇,为不同类型的节点配置不同类型的天线。软件方面,为提高CPU利用率,各类节点程序设计采用基于小型嵌入式实时操作系统FreeRTOS;为降低功耗,采取定时休眠唤醒、传感器掉电控制的工作模式和基于感知数据差的低功耗自适应机制。试验结果表明,在150 m通信距离内,系统可以根据当前的通信质量,将节点的发射功率自适应地调整到实现当前通信可靠性所要求(丢包率小于1.3%)的最小发射功率上;对比10 d Bm固定发射功率,当发射功率自适应算法调整为8、6、3 d Bm时,节点续航能力分别提升了11.9%、21.4%和33.3%。通讯性能对比表明,本设计节点的通讯性能明显优于其他3种基于不同发射功率自适应算法的节点,从而验证了本系统的可靠性与实用性。     

无线传感器网络在农田信息采集中的应用

将无线传感器网络用于农田数据的采集和传输.通过NS软件建立农田数据采集网络的模型,从节省能源的角度出发,着重考虑了系统结构、路由协议、能量监控的设计,并对其进行动态仿真.实践表明,该项应用有效地提高了数据传送效率和网络的运行寿命.     

农田信息监测与蓝牙无线传输系统设计

通过利用蓝牙技术和传感器构建了农田信息监测系统,从而实现了农田信息的实时监控。设计中对采集到的数据利用蓝牙无线技术传输到PC机中进行实时显示,同时在采集现场利用液晶显示屏显示数据。利用蓝牙的双向通信的功能,系统可方便地通过发送指令来实时发送数据,从而避免系统不停地发送数据。另外,系统还实现了蓝牙多机通信的功能,能获得不同环境下的环境参数。该系统的实现有助于探讨蓝牙技术在"传感器网"领域中应用的可能性。     

能量高效的农田无线传感器网络拓扑关联路由算法

针对农田无线传感器网络节点分布不均、能量约束严格等特点,提出了一种能量高效的簇头选择方法TBCS-EA,在以剩余能量进行簇头选择的基础上根据节点拓扑位置、拓扑密度等进行加权,使距离sink较近的节点与密集区节点大概率成为簇头,提高成簇能量使用效率。针对现有成簇算法频繁进行簇头选举,算法开销大等问题,提出了一种能量逼近式簇头轮换机制,节点连续担任簇头并以某一目标进行能量逼近,在达到逼近目标后进行根据簇内信息指定新簇头,减少簇头选择的次数与协议开销。仿真与实验结果表明,TBCS-EA算法的网络生命周期约为LEACH的2.2倍,CHCS的1.5倍,从节点能量曲线看能耗均衡效果与CHCS相当,明显优于LEACH。结果显示TBCS-EA综合性能较之于现有算法有明显提升。