農(nóng)田無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

農(nóng)田無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨著移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，傳感器網(wǎng)絡(luò)（wsw）具有傳感器功能、嵌入式計(jì)算、分布信息和無(wú)線通信能力的能力逐漸受到重視。廣泛應(yīng)用于軍事、監(jiān)控、應(yīng)急、環(huán)境、防空、健康、交通等領(lǐng)域。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田監(jiān)控中的應(yīng)用也顯得日益重要,通過(guò)在農(nóng)田中部署一定數(shù)量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),就可以對(duì)農(nóng)田水分、溫度、濕度、蟲(chóng)害等狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而為精確灌溉、精確施肥、精確噴霧等提供基礎(chǔ)。單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力、存儲(chǔ)能力、通信范圍、能量有限等諸多問(wèn)題,使得合理使用有限能量資源成為實(shí)施無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。在過(guò)去幾年里,研究者多從協(xié)議角度研究低能耗傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以節(jié)省能量。文獻(xiàn)中提出用于稀疏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖钚∧芰柯酚煞植际剿惴?文獻(xiàn)中提出基于覆蓋區(qū)域節(jié)點(diǎn)離散化的近似方法。文獻(xiàn)中提出能量預(yù)測(cè)方法,利用剩余能量選擇從匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的路由,但沒(méi)有考慮信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)淖疃叹嚯x,容易造成信息傳輸時(shí)延和能量浪費(fèi)。事實(shí)上,在無(wú)線系統(tǒng)中,傳輸距離長(zhǎng)短直接與能量消耗大小有關(guān),從而直接影響到傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署拓?fù)涞暮侠硇栽诤艽蟪潭壬嫌绊懜邔油ㄐ艆f(xié)議的執(zhí)行和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行能耗。在大規(guī)模農(nóng)田監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,具有超大規(guī)模、低成本、自組織、隨機(jī)部署、環(huán)境復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟鬃兊忍攸c(diǎn),這些特點(diǎn)使能量問(wèn)題和拓?fù)淇刂瞥蔀楦蟮奶魬?zhàn)。在農(nóng)田中部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí),傳統(tǒng)做法是將節(jié)點(diǎn)成方格狀部署在農(nóng)田中,然后以直線直通方式向會(huì)聚節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。這種做法不僅消耗了大量節(jié)點(diǎn)能量,降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,而且在大規(guī)模部署中這種直通方式有時(shí)根本不可能實(shí)現(xiàn)。下面從Heinzelman的無(wú)線傳輸能量模型出發(fā),建立了一個(gè)適用于傳輸受限的農(nóng)田傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的通信能耗模型,該模型考慮了部署間距、傳輸半徑以及數(shù)據(jù)包大小對(duì)系統(tǒng)總能耗的影響,重點(diǎn)論述了傳輸半徑的能耗衰減模型,得出了在不同部署半徑下的能量公式。然后仿真確定了部署半徑、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)全網(wǎng)查詢能耗的影響,通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的擬合得出模型中的參數(shù),獲得了在傳輸間距x確定的情況下,求最佳傳輸半徑R的計(jì)算方法。2a00及其b無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型本文所針對(duì)的工程背景是在農(nóng)田中部署水分傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田水分情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的精確灌溉。其工作硬件節(jié)點(diǎn)如圖1所示,實(shí)驗(yàn)所用通信方案采用CC1000通信模塊。為便于描述,本文假定農(nóng)田成矩形分布(實(shí)際上,即使田間不規(guī)則,傳感器節(jié)點(diǎn)也可以規(guī)則部署,該假定不影響本方案的可操作性),同時(shí)傳感器感知與通信范圍均為圓形,為了均勻部署,保證感知范圍的覆蓋性與網(wǎng)絡(luò)的連通度,將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以大小相同的靜態(tài)網(wǎng)格方式部署于矩形農(nóng)田中?；疚挥诰W(wǎng)格外部,所有數(shù)據(jù)最終都傳送到基站中,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)農(nóng)田水分的遠(yuǎn)程監(jiān)控。網(wǎng)格分布如圖2所示。其中,aij表示網(wǎng)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn),i表示節(jié)點(diǎn)所處的行數(shù),j表示節(jié)點(diǎn)所處列數(shù)(0≤i≤N,0≤j≤M);a00表示基站節(jié)點(diǎn)(sink)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)基地實(shí)際應(yīng)用背景,可為基站供電的環(huán)境位于田間一側(cè),所以對(duì)系統(tǒng)的假定如下:(1)基站固定在a00位置;(2)所有節(jié)點(diǎn)同構(gòu),在開(kāi)始時(shí)都裝載了相同的能量;(3)所有節(jié)點(diǎn)都是靜止的,不可移動(dòng);(4)節(jié)點(diǎn)不感知自身能量值;(5)節(jié)點(diǎn)知道自身坐標(biāo)值,從而了解自身于網(wǎng)絡(luò)中的具體位置;(6)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)融合計(jì)算的能力;(7)所有節(jié)點(diǎn)都是無(wú)人值守的;(8)傳感器網(wǎng)絡(luò)按規(guī)則網(wǎng)格形部署,每一格是邊長(zhǎng)為x的正方形;(9)R為傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑,R≥x為傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸正常工作的必要保證。針對(duì)上述系統(tǒng)工程模型,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)依據(jù)梯度層次傳遞數(shù)據(jù)是比較理想的選擇。梯度層次場(chǎng)的物理意義是通過(guò)節(jié)點(diǎn)的級(jí)別刻畫(huà)該點(diǎn)與基站通信所需的最小跳數(shù)和數(shù)據(jù)傳送方向。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)會(huì)形成拓?fù)鋵哟?同一梯度層次內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)具有相同的跳數(shù),如節(jié)點(diǎn)i的梯度層次為3,就是指節(jié)點(diǎn)i至少需要3跳才能與基站通信。數(shù)據(jù)的傳播方向是沿著梯度層次級(jí)別減小的方向。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采用固定通信范圍R,梯度層次從另一方面也可以刻畫(huà)源節(jié)點(diǎn)到基站的物理距離。傳感器節(jié)點(diǎn)必須通過(guò)低層次中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。梯度層次有一定的寬度與形狀,主要由傳感器節(jié)點(diǎn)的有效通信距離R與網(wǎng)絡(luò)的分布模型決定。因此,在工程實(shí)施中,需要獲得在精準(zhǔn)部署間距x確定的情況下發(fā)射半徑R對(duì)系統(tǒng)總能耗的影響,通過(guò)建立x,R及數(shù)據(jù)包尺寸對(duì)總能耗的關(guān)系模型可以求導(dǎo)出最佳的部署模型,從而對(duì)工程實(shí)施進(jìn)行指導(dǎo)。3接收數(shù)據(jù)的消耗量d在無(wú)線傳輸中,發(fā)射功率隨著傳輸距離的增加而呈指數(shù)衰減。Heinzelman等人提出了兩種信道模型:自由空間衰減(freespace)模型和多路徑衰減(multi-pathfading)模型。一個(gè)l比特?cái)?shù)據(jù)傳輸距離為d,射頻電路的發(fā)送和接收能耗分別是:ETx(l,d)=ETx?elec(l)+ETx?amp(l,d)={lEelec+lεfxd2,d<d0lEelec+lεampd4,d>d0(1)ERx(l)=ERx?elec(l)=lEelec(2)EΤx(l,d)=EΤx-elec(l)+EΤx-amp(l,d)={lEelec+lεfxd2,d<d0lEelec+lεampd4,d>d0(1)ERx(l)=ERx-elec(l)=lEelec(2)ETx(l,d)是傳輸l比特?cái)?shù)據(jù)在距離d時(shí)耗損的能量,由發(fā)射電路耗損ETx-elec(l)和功率放大耗損ETx-amp(l,d)兩部分構(gòu)成。功率放大損耗則根據(jù)收發(fā)距離分別采用自由空間模型和多路徑衰減模型。其中Eelec為電子器件的功耗,εfx為近距離衰減放大器的系數(shù),εamp為遠(yuǎn)距離衰減放大器的系數(shù)。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離d小于某個(gè)閾值d0時(shí),采用自由空間模型,發(fā)射功率呈d2衰減;否則采用多路徑衰減模型,發(fā)射功率呈d4衰減。臨界值d0的設(shè)置為:d0=4πLhrht√λ(3)d0=4πLhrhtλ(3)其中,L表示傳輸損耗,hr表示接收者天線高度,ht表示發(fā)送者天線高度,λ表示波長(zhǎng)。ERx(l)表示接收l(shuí)比特長(zhǎng)數(shù)據(jù)需要的能耗,接收數(shù)據(jù)的耗能主要在于接收電路損耗ERx-elec(l)。此外,考慮到數(shù)據(jù)融合的需要,令Eda為融合單個(gè)節(jié)點(diǎn)單位比特所消耗的能量,則轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)融合n個(gè)節(jié)點(diǎn)l比特所消耗的能量為:EDA=nlEda(4)4對(duì)常用網(wǎng)絡(luò)的傳輸半徑和總能耗的影響為實(shí)現(xiàn)節(jié)能的農(nóng)田采集網(wǎng)絡(luò)信息傳送目標(biāo),在部署間距x確定的情況下,顯然節(jié)點(diǎn)傳輸半徑直接影響了網(wǎng)絡(luò)的梯度層次,決定了網(wǎng)絡(luò)的生命周期,也決定了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浒霃匠蔀椴渴鹁W(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題。在農(nóng)田傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中,網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)x值與傳輸半徑R的關(guān)系直接影響網(wǎng)絡(luò)梯度層次場(chǎng)的形成,x固定時(shí),R越大,則網(wǎng)內(nèi)梯度層次越少,節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)更少的跳數(shù)就能到達(dá)基站。將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的梯度層次數(shù)L值相加所得的跳數(shù)總和Sum_L反映了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與傳輸半徑的關(guān)系,是衡量能耗的重要因素。跳數(shù)總和與總能耗之間的關(guān)系由性質(zhì)1得到保證。性質(zhì)1(衰減能耗模型)在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)傳輸半徑為R,網(wǎng)絡(luò)部署成N行、N列的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。(1)rd0采用自由空間衰減模型，油耗if與跳數(shù)之和shml之間的關(guān)系為Ef=(N2+Sum_L)×(2Eelec+εfxd2)(5)(2)主要性質(zhì)2網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為2.2Em=(N2+Sum_L)×(2Eelec+εampd4)(6)性質(zhì)1描述了系統(tǒng)總能耗與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、總跳數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,發(fā)射半徑到達(dá)閾值d0后的增長(zhǎng)呈指數(shù)級(jí)遞增關(guān)系(由2次指數(shù)冪升到4次指數(shù)冪)。性質(zhì)1可以由跳數(shù)總和的定義及式(1)、式(2)很容易推導(dǎo)得到,詳細(xì)證明從略。而跳數(shù)總和與梯度層次密切相關(guān),梯度是由傳輸半徑和節(jié)點(diǎn)間距決定的,在工程實(shí)踐中,傳輸半徑的設(shè)定與跳數(shù)總和有很大的關(guān)系,其間的關(guān)系可由性質(zhì)2進(jìn)行描述。性質(zhì)2(傳輸半徑模型)在農(nóng)田傳感器網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)網(wǎng)絡(luò)部署成N行、N列的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在發(fā)送半徑為R的情況下,當(dāng)2≤N≤∞時(shí)。跳數(shù)總和Sum_L與N,R,x的關(guān)系模型滿足式(7):Sum_L=N2(N?1)(x≤R<2√x)Sum_L=N2(N?1)2+∑i=1N?1i(i+1)2(x≤R<2√x)Sum_L=N24(2N?1)(2x≤R<5√x)Sum_L=Ν2(Ν-1)(x≤R<2x)Sum_L=Ν2(Ν-1)2+∑i=1Ν-1i(i+1)2(x≤R<2x)Sum_L=Ν24(2Ν-1)(2x≤R<5x)Sum_L=?????????????????7N(N?1)(N?2)24+N(5N?4)2+∑j=1|2N3|?N23(N2+j)(N2?3j)7N(N?1)(N+1)24+∑j=0|2N3|?N?123(N+12+j)(N+12?3j?2)(5√x≤R<22√x,Nmod(2)=0)(5√x≤R<22√x,Nmod(2)≠0)Sum_L={7Ν(Ν-1)(Ν-2)24+Ν(5Ν-4)2+∑j=1|2Ν3|-Ν23(Ν2+j)(Ν2-3j)(5x≤R<22x,Νmod(2)=0)7Ν(Ν-1)(Ν+1)24+∑j=0|2Ν3|-Ν-123(Ν+12+j)(Ν+12-3j-2)(5x≤R<22x,Νmod(2)≠0)Sum_L=???N(N?1)(N?2)3+N(2N?1)2N(N?1)(N+1)3(22√x≤R<3x,Nmod(2)=0)(22√x≤R<3x,Nmod(2)≠0)(7)Sum_L={Ν(Ν-1)(Ν-2)3+Ν(2Ν-1)2(22x≤R<3x,Νmod(2)=0)Ν(Ν-1)(Ν+1)3(22x≤R<3x,Νmod(2)≠0)(7)性質(zhì)2通過(guò)幾何畫(huà)圖分析不難得出,詳細(xì)分析從略。性質(zhì)2刻畫(huà)出跳數(shù)總和與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的遞增關(guān)系,但是隨著部署間距x的取值范圍不同,這二者的制約關(guān)系也不盡相同,這多個(gè)計(jì)算模式就潛在隱含了在不同部署間距x下,勢(shì)必存在一個(gè)較佳的傳輸半徑R計(jì)算公式,使總跳數(shù)Sum_L適中,而總能耗最少。由性質(zhì)1,2可以看出,未必是直覺(jué)的發(fā)射半徑越大,總跳數(shù)越少,總能耗就越少,后面的實(shí)例仿真分析也印證了這一點(diǎn)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的拓?fù)淇刂浦?傳送的數(shù)據(jù)分為兩部分:可聚合壓縮部分與不可聚合壓縮部分。一次完全融合的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)都是由高梯度層次的節(jié)點(diǎn)向低梯度層次的節(jié)點(diǎn)傳送,低梯度層次節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)與自身數(shù)據(jù)融合后,再傳給更低梯度層次的節(jié)點(diǎn)。這樣,在一次完全融合的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,可聚合壓縮部分的收發(fā)次數(shù)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)1次,而不可聚合壓縮部分的收發(fā)次數(shù)則與節(jié)點(diǎn)梯度層次數(shù)一致。性質(zhì)3(數(shù)據(jù)融合能耗模型)在采集數(shù)據(jù)包格式中,包頭部分占mhbyte,數(shù)據(jù)占mdbyte。包頭部分可以聚合,兩個(gè)數(shù)據(jù)包融合后只需要1個(gè)包頭部分,令一次全網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)完全融合采集消耗的能量為E,則有:E=N2×收發(fā)能耗×(mh+md)+Sum_L×收發(fā)能耗×md(8)性質(zhì)3由數(shù)據(jù)融合定義和式(1)、(2)和(4)迭代即可得到。性質(zhì)3刻畫(huà)了數(shù)據(jù)融合能耗與數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的關(guān)系。顯然,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大,融合后節(jié)能效果越明顯。5模擬分析(1)系統(tǒng)參數(shù)值的計(jì)算根據(jù)NS2中無(wú)線擴(kuò)展模塊的設(shè)定和業(yè)界對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)頻率的建議,無(wú)線電頻率為914MHz,其他參數(shù)值為Gr=Gt=1,ht=hr=1.5m,L=1(系統(tǒng)無(wú)損耗)。其中Gt表示發(fā)送方天線增益,Gr表示接受方增益。由這些參數(shù)值可以計(jì)算得到:λ=3×108914×106=0.328mλ=3×108914×106=0.328m將參數(shù)值代入式(3),得到d0=86.2m。式(1)、(2)需要的參數(shù)值設(shè)置如表1所列。(2)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)能耗的影響假定農(nóng)田傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)格邊長(zhǎng)x取50m,mh=md=3byte。根據(jù)性質(zhì)2,傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸半徑R取滿足與x關(guān)系的最小值,則有下面5種情況:(2)R=2√x=502√m=70.71m;(2)R=2x=502m=70.71m;(4)R=5√x=505√m=111.8m;(4)R=5x=505m=111.8m;(5)R=22√x=1002√m=141.42m(5)R=22x=1002m=141.42m。由上推理,顯然可以得出如下兩條性質(zhì):推論1當(dāng)R≤86.2m時(shí),采用自由空間衰減模型,則能耗為:Ef=(N2+Sum_L)×(2Eelec+εfxd2)(9)推論2當(dāng)R≥86.2m時(shí),采用多路徑衰減模型,能耗為:Em=(N2+Sum_L)×(2Eelec+εampd4)(10)式(9)與式(10)的能耗單位為24nj。由此,根據(jù)性質(zhì)1-性質(zhì)3,得到在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,一次全網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)完全融合采集消耗能量的仿真對(duì)比如圖3所示。圖3顯示了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與一次全網(wǎng)查詢耗能對(duì)比情況。由圖可見(jiàn),隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大,各種傳輸半徑情況的一次全網(wǎng)查詢能耗都不斷增大。其中R=141.42m時(shí),能耗最大,增長(zhǎng)速度也最快。其次是R=50m,再到R=111.8m。R=70.71m與R=100m相差不大,兩條曲線幾乎重合。在相同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,R=100m比R=70.71m略大。由此可得,當(dāng)x的值為50m時(shí),R取70.71m最好。而且由推論1可得,對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)而言,傳輸半徑越大(當(dāng)大于86.