（检测技术与自动化装置专业论文）基于数据压缩的温室无线传感器网络数据传输技术.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 将新兴的无线传感器网络技术应用于温室数据传输，不仅可解决传统温室有 线通信方式的设施安装和维护困难的问题，还可解决传统温室无线通信方式的技 术复杂、成本高的问题。然而，由于传感器节点电池不易更换，无线传感网络必 须要尽可能降低传感节点能耗，延长网络的生命周期。 为提高温室无线传感器网络系统的性能，本文主要做了以下两方面的工作： 第一，根据温室测控系统无线传感器网络的特点，从网络结构设计入手，提出一 种将温室网络划分成多个子网的分区管理数据传输方案。在温室网络的顶部安装 多条平行的导轨，并将其分成多段，在每段导轨上安装一个可循环往复移动的汇 聚节点：汇聚节点在移动过程中自动组织小型星型网络，分时槽地与其下方的传 感节点建立数据通信链路；位于同一条导轨的各汇聚节点建立定向多跳路由来形 成子网到基站的数据链路。第二，根据温室的数据特征，提出一种适合温室应用 的数据压缩编码方法，并将其应用到温室无线传感器网络的数据传输中。 汇聚节点的动态拓扑覆盖和协作性分区管理方式，一方面使网络具有了变结 构的特点和自组织能力，另一方面由于缩短了点对点之间的通信距离，大大减轻 了传感节点的通信任务负担。在此种网络模型基础上数据压缩技术的应用，可进 一步降低节点的能量消耗。研究结果表明，采集数据个数越多，节省的能量也越 多。当采集数据个数在6 0 以上时，数据压缩技术的应用可以节省将近一半的能 量消耗。另外，在保证数据完全传送出去的基础上，数据压缩的应用可以提高传 感节点数据采集频率至3 倍以上，可很好地改善汇聚节点由于不能及时传送数据 而对传感节点数据采集频率的限制问题。 关键词：温室无线传感器网络数据传输数据压缩 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p p l y i n gt h eb u r g e o n i n gt e c h n o l o g yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i n t od a t a t r a n s m i s s i o no fg r e e n h o u s e ，n o to n l yc a ns o l v et h ep r o b l e mo fd i f f i c u l ti n s t a l l a t i o n a n dm a i n t e n a n c ei nt r a d i t i o n a lw i r e dc o m m u n i c a t i o n b u ta l s oc a ns o l v et h ep r o b l e m o fc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g ya n dh i g hc o s ti nt r a d i t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , s i n c ei ti sn o te a s yt or e p l a c eb a t t e r i e so ft h es e n s o rn o d e w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sm u s tm i n i m i z ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn o d e st oe x t e n dt h en e t w o r k l i f ec y c l e t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m ，t h i sp a p e r h a sd o n et h et w oa s p e c t sa sf o l l o w i n gi nm a i n l y ：f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew s ni nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h eg r e e n h o u s e ，s t a r t i n gf r o m t h ed e s i g no ft h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，ad i v i s i o n a lm a n a g e m e n td a t at r a n s m i s s i o n s c h e m ei sp r o p o s e dt h a tt h eg r e e n h o u s en e t w o r ki sd i v i d e di n t om u l t i p l es u b n e t s ： m a n yp a r a l l e lr a i l sa r ei n s t a l l e di ng r e e n h o u s e sc e i l i n g ，a n dd i v i d e dt h e mi n t os o m e p i e c e s ，o n ec i r c u l a r l ym o v a b l es i n kn o d ei si n s t a l l e do ne a c hp i e c e ；s i n kn o d e sa r e o r g a n i z i n gas m a l l s t e l l i f o r mn e t w o r ka u t o m a t i c a l l yi nt h em o t i o np r o c e s s ，a n d e s t a b l i s had a t ac o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e ns i n kn o d ea n du n d e r s i d es e n s o rn o d e s p e r i o d i c a l l y ；t h ed a t al i n kb e t w e e ns i n kn o d et ob a s es t a t i o ni sd i r e c t i o n a lm u l t i h o p r o u t i n ga r ee s t a b l i s h e db ye v e r ys i n kn o d e so nt h es a n l er a i l s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h e d a t ac h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r e e n h o u s e ，p u tf o r w a r dad a t ac o m p r e s s i n gm e t h o dw h i c h i ss u i t a b l ef o rg r e e n h o u s ea p p l i c a t i o n ，a n da p p li e di tt ot h ed a t at r a n s m i s s i o ni n g r e e n h o u s ew s n t h es i n k n o d e s d y n a m i ct o p o l o g yc o v e r i n ga n dc o o p e r a t i v ed i v i s i o n a l m a n a g e m e n tw a y , o nt h eo n eh a n dm a k i n gt h en e t w o r kh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f v a r i a b l es t r u c t u r ea n dt h ec a p a b i l i t yo fs e l f - o r g a n i z a t i o n ，o nt h eo t h e rh a n dg r e a t l y r e d u c e dt h eb u r d e no ft h es e n s o r s c o m m u n i c a t i o nt a s kb ys h o r t e nt h ec o m m u n i c a t i o n d i s t a n c eb e t w e e np o i n tt op o i n t t h ea p p li c a t i o no fd a t ac o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi n t o t h i sn e t w o r km o d e lc a nf u r t h e rr e d u c et h es e n s o r se n e r g yc o n s u m p t i o n r e s u l t s i n d i c a t et h a tm o r ed a t aa c q u i r e dm o r ee n e r g yc a nb es a v e d w h e nt h ed a t an u m b e ra r e m o r et h a ns i x t y , t h ea p p l i c a t i o no fd a t ac o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yc a ns a v ec l o s et oh a l f p a r to ft h ee n e r g y i na d d i t i o n ，o nt h eb a s eo fd a t ac a nb ef u l l yt r a n s m i t t e d ，t h e a p p l i c a t i o no fd a t ac o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h es e n s o r s d a t ac o l l e c t i o n f r e q u e n c yo v e rt h r e et i m e s ，c a l lp e r f e c t l yi m p r o v et h ec o n s t r a i n t so fs e n s o r c o l l e c t i o nf r e q u e n c yb e c a u s eo ft h es i n kn o d e sc a nn o tt r a n s m i td a t at i m e l y k e y w o r d s ：g r e e n h o u s e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t ac o m p r e s s i o n i i 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学雠文储虢讳恕超指剥嗽：钐磊私哥 2 0 0 9 年6 月7 日2 0 0 9 年6 月7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：雌恕超 日期：2 0 0 9 年6 月 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 温室无线传感器网络研究现状 近年来，微机电系统、传感器、现代网络和无线通信等技术的进一步发展， 推动了具有现代意义的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 技术的 产生和发展。w s n 因其应用的广泛性得到越来越多的重视，并于2 0 0 3 年被著名 的技术评论( ( ( t e c h n o l o g yr e v i e w ) ) ) 杂志列为未来新兴十大技术之首f j j 。 w s n 已成为目前i t ( i n f e r m m i o nt e c h n o l o g y ) 领域的研究热点之一。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是一种由“侦测”功能发展 出来的网络架构模式。大量廉价的微型无线传感器节点自成体系的散布在监测场 景内，协作性地感知、采集和处理覆盖场景的对象信息，并依据算法建立路由链 路，以完成信息的收集、存储、计算和传输，使管理者得到精确现场信息并依此 做出适当的决策【2 4 1 。 美国最早开始传感器网络这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动 才在各大学及研究所蓬勃丌展起来。在2 0 0 3 年度的自然科学基会自主的专题 中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。加 州大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ) 研制的传感器系统m i c a 、 m i c a 2 、m i c a 2 d o t 已被广泛地用于低能耗无线传感器网络的研究和丌发。麻省 理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 致力于基于知识的信号处理技术。 哈佛大学( h a r v a r du n i v e r s i t y ) 研究传感器网络中通讯的理论基础等。同时，在 其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网 络的研究工作。 无线传感器网络应用方面，国外的研究相对比较先进，己在工业生产与制造 领域有着多种不同应用。2 0 0 4 年曾有多篇文献报道( s e n s o r sm a g a z i n e 、自动化博 览和通信世界网) ，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由安 装于工厂中4 0 台机器上的2 1 0 个传感器组成，它可以大幅降低检查设备的成本， 同时由于可以提前发现问题，因此能够缩短停机时间，提高生产效率，并延长设 备的使用时间。农业是无线传感器网络应用的另一个重要领域。英特尔曾率先在 江苏大学硕士学位论丈 俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，传感器节点被布置在葡萄园的每个角落，每 隔一分钟检测一次土壤温度，以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。 我国在无线传感器网络方面的研究工作才刚刚开始，清华大学、电子科技大 学、中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学等单位已经进行了该领域的 研究工作，2 0 0 4 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。 作为国内较早涉及无线传感器网络领域的几个单位之一，中科院计算机所凭借着 在：d h - 门1 设计、系统设计及无线网络等方面的深厚的技术沉淀，迅速掌握了多项关 键技术，其中包括面向无线传感器网络的专用处理器芯片、面向行业应用的无线 传感器网络节点、多种应用软件及支持平台、无线传感器网络开发芯片及应用开 发平台，并以宁波中科集成电路设计中心( 计算机所宁波分所) 作为基地进行产 业化工作i 引。 温室无线传感器网络可以构建温室测控系统。温室测控系统主要包括信号采 集输入、信号处理与传输、控制输出三个部分，由现场控制器对采集的温度、湿 度等信号进行处理与传输，通过监控中心驱动相关继电器来控制风机湿帘、遮阳 网等外部设备】。它是在充分利用自然资源的基础上，通过改变环境因子来获得 作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高 经济效益的目的。 近百年来，温室作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断 提高，在世界各地都得到了长足发展。特别是2 0 世纪7 0 年代电子技术的迅猛发 展和微型计算机的问世，更使温宅环境控制技术产生了革命性的变化。温室发展 大致经历了“手动机械分散电控系统多功能集中电子控制台一微机综合控制 这几个发展阶段。美国、以色列等国的温室环境控制技术已经相当先进，达到能 够对多因素综合控制的水平6 1 。 美国开发的温室测控系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、 温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、 果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。g r e e na i r 公 司生产了g h c l 0 0 模型6 温室控制器，其前面板按键供用户进行远程监测、数 据记录或控制设置。工控机通过标准r s 2 3 2 串口与控制器连接获取传感数据， 用内置的t c p i p 卡将数据传输到监控中心，实现温室参数的远程监测与控制旧。 江苏大学硕士学位论文 以色列温室环境控制系统足现阶段的国际代表性产品，具有很强的实用性， 可根据控制对象的特点选用不同类型的控制器及外围设备，充分实现现代化温室 内部的环境需求。具体特点包括：具有一个综合性的、使用灵活的、有许多控制 应用程序构成的软件包：可监测温度、湿度、风速、风向、光照、c 0 2 、雨量等 数据；主控机与控制网络之间的通信可以通过电缆、无线或移动电话等方式进行； 软件基于w i n d o w s 平台以图表形式实现实时监测，可进行编程及数据存储【l 引。 2 0 世纪8 0 年代中期我国开始将计算机应用于温室控制与管理领域。在接下 来的2 0 年间，我国先后从同本、以色列等国引进了四十多套大中型温室，对于 消化吸收国外先进的温室生产经验起到了积极的作用，但是，由于引进的温室价 格和运行成本都很高，并且不适合我国的气候特征，所以并未得到普及【1 9 瑚】。 因此，研究开发出符合我国国情，产生明显经济效益并适于大面积推广应用 的温室测控系统迫在眉睫。近几年来，我国在温室结构和温室控制两方面开展了 不少研究。国家在“九五”攻关项目中启动了有关温室设施及配套装备的研制课 题；2 0 0 1 年，国家在“十血 攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研 究与开发”课题；2 0 0 1 年，国家“8 6 3 ”计划“可控环境农业生产技术”研究内容 包含研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等。这些都说明在设施环境 中，控制技术是相当重要的。 北京农业大学研制成功“w j g 型实验温室环境监控计算机管理系统”；江 苏理工大学研制成功基于工控机进行管理的植物工厂系统；吉林工业大学研制成 功用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调 节喷水量；中国农业机械化科学研究院研制成功新型智能温室，由大棚本体、通 风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统和计算机环境参数 测控系统等组成；还有许多高等院校和科研院所都在进行温室控制系统的相关研 究，并且许多单位都己建起或将要建起温室控制系统的总体框架1 3 1 舶】。 从国内外对温室环境控制的研究来看，目前基于有线的测量控制系统相对比 较成熟，但由于各种采集和控制信息的传输，使得设施内布满了大量的信号传输 线和动力线，导致设施建造困难，安装与维护复杂，工作量大，可靠性低；农业 机器人等移动作业设备的应用受到限制；由于作物生长期不同、作物品种不同 ( 高矮不同) 导致对环境与作业信息检测和作业控制的要求不同，现有的测控系 江苏大学硕士学位论文 统难以满足这一点。因此，现有的测控系统不利于进一步提高温室自动化和智能 化程度以及现代化温室的利用效率。 目前，温室无线测控系统应用研究才刚刚起步，尚处于试验阶段，并无完整 的、适合温室特点的无线测控系统问世。截至目前，在该方面的初步应用研究大 致有：基于蓝牙无线技术的温室环境测控系鲥4 7 , 4 8 】；基于无线i 疆技术、移动通 信技术、i n t e r a c t 网络技术或综合多种技术于一体的温室测控系统1 4 9 巧1 】；一些学 者甚至还研制出了用于温室环境监测的无线传感器1 5 2 】，并给出了农用无线传感 器平台的设计，但并未对完整的能够适合温室特点的无线网络测控系统方案进一 步探讨。 采用传统测控技术建设的温室内部，常常面临各种设备大面积分布、各类线 缆纵横交错而造成的农业作业难度大等问题；在生产过程中，各种电子检测装置 和执行机构位置的频繁调整也会影响作物生长。若采用蓝牙等无线技术的方案， 把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接 起来，可使上述问题得到一定程度的改观，也能实现对温室环境参数的自动检测、 自动调控，但蓝牙技术属于较早的无线网络技术，在温室环境中采用该技术建设 测控系统，仍然面临技术复杂、成本高、功耗高等问题，因此并没有根本解决现 有的温室测控系统缺陷。 从目前无线传感器网络的应用研究情况看，关于探讨数字农业共性核心技 术，建立无线传感网络温室测控系统，实现温室环境与作物生长的无线优化控制 的研究尚未见报道。 1 2 无线传感器网络数据压缩技术研究现状 近几年，传感器网络中的数据压缩技术得到了广泛的研究。i o a n n i d i s 和 p o o s a l a 最先提出了利用直方图压缩数据的方法【5 3 1 。离散余弦转换( d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ，d c t ) 可以建立m p e g 编码，也可用来构建多维直方图1 5 4 1 。l o s i f l a z a r i d i s 和s h a r a dm e s h r o t a 等通过对传感器网络中的时间序列的研究，提出了 直接在传感器节点上压缩原数据，只有当超出查询精度要求时才将压缩的数据发 送到基站的数据处理方法【5 5 】。a n t o i o sd e l i g i a n n a k i s 等提出了利用同一传感器节 点多个属性数据或不同时间段内数据问的相关性压缩历史数据的技术i 5 6 】。小波 4 江苏大学硕士学位论文 技术也广泛地应用于数据压缩中f 5 7 5 9 1 。传感器网络中数据在连续时间段内变化 较小，邻近数据大部分相同或相似，感知数据的这一特性为基于小波变换的数据 压缩技术提供了很好的机会。k c h a n 提出了利用小波技术压缩时间序列的方法 f 5 引。a u s h i k 和c h a k r a b a r t i 等提出了为数据建立小波快照，并在压缩的结构上直 接进行查询处理的方法f 57 1 。但是这些数据压缩算法存在计算复杂或无法满足用 户对数据的精度要求的问题。 1 3 课题提出的背景及意义 针对传统温室有线测控系统布满大量信号传输线以及传统无线测控系统技 术复杂、成本高、功耗高的问题，本文研究具有低成本、低功耗的无线传感器网 络在温室中的应用，着重研究的足温室无线传感器网络的数据传输技术。 无线传感器网络足以数据为中心的自组织大规模密集网络，网络具有动态拓 扑组织功能，有很强的自我管理能力。但是，无线传感器节点由容量十分有限的 电池供电，节点资源有限，由于传感器节点个数众多和应用领域的特殊性使得通 过更换电池方式来补充能量是不现实的。一旦电池能量用完，这个节点也就失去 了作用，所以无线传感器网络存在着严重的能量约束。同时，无线传感器网络为 微型的低速、低成本网络，由于受体积、功耗和价格的限制，传感器节点的计算 能力、存储能力和通信能力都相当有限。因此，在无线传感器网络设计过程中， 高效使用传感器节点资源和能量，延长传感器节点及网络系统的生存周期成为传 感器网络设计的首要目标。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分 能量消耗在无线通信模块上。由无线通信能量消耗的公式：e = k d n ，其中参数n 满 足关系2 n d 3 ，才能保证分区任一地点的设备与汇聚节点的通信可靠性，传感节点也需具 有与汇聚节点相同的通信半径。根据图3 4 可知，可靠通信的条件是： 1 肝( 3 - 1 ) 移动汇聚节点的导轨区段的长度，汇聚节点的移动速度等确切参数要根据无 线传感网络信号的数据传输量、网络的信息采集频率、网络时延限制束选择，如 果分区长度过长，汇聚节点移动速度过慢，将使网络信息时延加大；相反，如果 过快则加大了信息相似度，浪费传感节点能源。因此必须选择恰当的参数。 3 2 网络拓扑组织方法 3 2 1 节点的分区分布和入网方法 按照上文关于网络物理结构的描述，移动汇聚节点位于定长的导轨区段上， 各导轨区段上汇聚节点采集传感节点数据时具有固定的通信覆盖半径，温室网络 被划分成具有相同长和宽的矩形分区( 如图3 2 ) 。网络布置阶段，处于同一个分 2 4 江苏大学硕士学位论文 区内的所有传感节点自动划入一个子网( 也可称作一个子网分区) ，并分配有相应 的予网号p a n 。各子网分区的传感节点将在以后的网络活动中由汇聚节点统一 组织和管理。 在温室网络内部，农作物位置相对固定，现场信息的采集和目标环境的调控 都有赖于确切的位置信息，只有使各传感节点与确定的地理位置相对应，才能实 现测控的准确性。一般来说，温室环境内传感器节点的放置可采取人工的方法， 这也使传感节点的移动和网络结构的调整变得更加方便可行，传感节点的布置过 程需要结合目标区域的任务量和地理位置等信息进行事先预估后完成。 i p 是网络内区别节点的依据，采用i p 与位置对应的方法，使i p 携带确定的 地理位置信息。各分区子网内的每个传感节点都具有自己的i p ，i p 的设计采用 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的2 个字节的短地址格式。温室内某分区坐标对应的俯视图如 图3 6 所示。 y i 一一一一一一一一一一一一一一一一 o o | ! _ 二 一一l ( 9 ，3 ) ( o ，0 ) 口移动汇聚节点i 轱辘导轨一一边界 图3 6 分区坐标对应图 为了压缩参数栈，这里将i p 信息与地理位置结合起来，首先以矩形温室的 某分区左下脚为分区坐标的原点，分区左边界为坐标纵轴，分区下边界为坐标横 轴，温室网络中任意一处的传感节点均可挂靠到相应分区的确定坐标位置上。传 感节点的参数栈中，用1 个字的高字节来表示该节点的横坐标，低字节表示纵坐 标，因此温室内任一个分区的传感节点的地理位置都可用2 个字节的坐标信息来 唯一表示。将这1 个字的坐标信息作为节点的l p ，便可使节点的i p 与确定分区 的温室位置对应起来。对于一个温室网络，分区子网p a n 信息和i p 信息结合起 来便可唯一的确定对象场景的精确位置，这种以i p 代替地理位置参数的方式不 仅减少了参数，也方便算法的设计。 传感节点i p 的配制方法如下：传感节点初始化阶段或再调整阶段，往往需 江苏大学硕士学位论文 要重新设立对应的p a n 和i p ，以使其与地理位置关联。为了便于灵活调整，本 文方案通过在每个传感器上安排一些按键来实现i p 配制。在某个传感节点的初 始饰置阶段或传感= 常点位置的重新调整阶段，在确定该节点所属的分区、计算出 该节点在分区内的坐标后，便可通过传感器上的按键将确切的子网号p a n 和子 网内i p 号配制给该传感器节点。这种通过人工配制i p 的方法，可大大方便网络 结构的调整，使节点可灵活的加入或退出某分区子网。 3 2 2 组网方法 汇聚节点需要在周期性的移动过程中连续地组建星型网络，才能实现所有传 感节点的动念路由，保证网络的完整覆盖。把从汇聚节点开始组织星型网络，到 结束所有数据传输任务的一个周期称作一个任务时槽。由此可见，汇聚节点需要 连续经过数个任务时槽的工作才能对自己的分区完成一次完整的覆盖。 温室网络内所有节点按规定部署结束后，各移动汇聚节点将基于任务时槽分 时段的组织和管理网络。由于汇聚节点与传感节点通信时为节省能量而采用了较 低的发射功率，因此信号的覆盖范围十分有限。采用移动管理的方法，可保证每 个分区内众多孤立的传感节点均可与汇聚节点建立通信链路。 下面分析在一定的发射功率下( r 一定) ，保证完整覆盖的前提下，每个任 务时槽取得最大组网面积时的组网过程。图3 7 、图3 8 和图3 9 分别表示第一个 ( 分区起点处) 、第二个、第三个任务时槽的组网范围示意图。设d l 表示汇聚 节点物理长度的一半，d 2 表示轱辘半径，d 3 表示分区宽度的一半。s i 表示第i 个 任务时槽开始时汇聚节点的中心位置，也即第i 一1 个任务时槽结束时汇聚节点的 中心位置，c i 表示第i 个任务时槽开始时汇聚节点的信号覆盖范围的边界与导轨 的右交点。n i 、i i 分别表示第i 个任务时槽开始时汇聚节点的信号覆盖范围的边界 与分区上、下边界的交点。虚线圆圈表示汇聚节点信号覆盖边界，粗线包围的 范围表示某个任务时槽的最大组网范围。设d t a s k i ( i - 1 ，2 ，3 omio ) 表示第i 个任务时 槽时汇聚节点的移动距离，s i 表示第i 个任务时槽组网的最大面积。若设、& 、 、和各端点符号构成的图标代表各图中几何图形的面积，则可推导出各次 任务时槽s i 、d t a s k i 等参数的计算公式。由于汇聚节点是连续覆盖的，为保证网 络覆盖的完整性和可靠性，单次任务时槽的组网区域必须始终处于这个时槽汇聚 2 6 江苏大学硕士学位论文 一二一 节点的信号覆盖范围内( 如图3 7 的覆盖重叠区域所显示) 。经分析，为保证完整 覆盖且最大组网，汇聚节点在s i ( = 3 ) 处时的信号覆盖范围的边界与分区边界的 左交点需分别与n i - 2 、正2 重合。 d t a s k l 一 卜 口s i n ki 轱辘一曾次组网边界一导轨一一分区边界 图3 7 分区起点处任务时槽组网范围示意图 图3 7 表示起始阶段的任务时槽( 第一个任务时槽) 的组网。汇聚节点在s 2 处时，信号的覆盖范围的边界要恰好过m 点。公式推导如下： c o s o = d 3 r ( 3 - 2 ) 0 = a r c c o s ( 形) s 娜、：i 1 f i d 3 啪= 丽9 0 - _ 0 例2 & 删呻= ( 西+ 吐) 盔 s l = 2 ( s 卯_ + 。i c l + 帅q ) ：扩虿盔- 9 0 1 8 。- 。0 z r r z + 2 - ( 4 + 攻) 乜 枷k l ：量s ：= 厢一( 西+ 以) 图3 8 表示的是第二个任务时槽的组网： 2 7 ，垃、。，|、 一 ， 黟 分 回 d 呦 - - - ! | 仔 p p p p p 江苏大学硕士学位论文 r 7! ，i “ 。i i ? i 【 j 10 覆一，夕一 j i 、 i 、i 、- 、卜：? j 一 i 口s i n k l轱辘- - 导轨单次组网边界一一分区边界 图3 8 分区第二个任务时槽组网范围示意图 若相关几何参数如上图所示，汇聚节点在s 3 处信号的覆盖范罔要过汇聚节 点在s l 处覆盖范围与分区边界的右交点n l 、j i 。s 2 、d t a s k 2 等参数的计算公式推 导如下： s l m ：= m 2 s 3 = 少2 一 ( 3 - 9 ) s 2 m 2 = s i m 2 一s l s 2 = d l + d 2 岛m = 鸭也一瓯= 丽0 例2 一互1 厢。以 帕= i 1 哪2 椰矿s 扇n l s l q - - s a 俐：一9 3 0 6 。- 。0 xr2s 一丢厢d 3 多帆c l = 俐：一气6 n 。一万一 & 。 恍，| l = s 2 ，镌聊2 啊= ( 4 + 吐) 。d 3 n c l 白。2 = 盹c 2 一s 多俩啦一- 铂s 2 朋2 r 6 一s 多h m 2 c l = 厂2 一彰以一( 4 + 吐) 以 衍口s 如= s 2 邑= s 2 聊2 + 所2 s 3 = ，2 一刃+ ( 碣+ 吐) 蔓= m 朋：= 2 屯伪f l c 2 也 = 2 4 r 2 一霹以一2 ( d l + 吐) 吃 图3 表示的是第三个任务时槽的组网： 2 8 ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 江苏大学硕士学位论文 口 s i n k1 轱辘1 导轨一单次组网边界一分区边界 图3 9 分区第三个任务时槽组网范围示意图 汇聚节点在s 4 处信号的覆盖范围要过汇聚节点在s 2 处覆盖范围与分区边界 的右交点n 2 、j 2 。s 3 、d t a s k 3 等参数的计算公式推导如下： m z s 4 = ，2 一彰 ( 3 1 8 ) m l 邑= $ 2 s 3 一s 2 铂= 4 + d 2 ( 3 1 9 ) 峭勺= 石1 哪2 ( 3 - 2 0 ) 矿m 2 5 3 n 31 s = 嘉万r 2 - - 三厢乜( 3 - 2 1 ) m 。妁叻= 铂毛。铂吃= ( d 。+ d2 ) 吃 ( 3 - 2 2 ) s 多, n 2 m l c 2 q 一& 确一9 3 0 6 * 。- ，0 万r 2 _ 圭扩虿以 ( 3 - 2 3 ) 恍吼2 竺尘也呐$ 3 m 3 - s 多2 m 向一哆叻码( 3 - 2 4 ) - - , r 2 一彰以+ ( 4 + d 2 ) a 3 d t a s k 3 = $ 3 s 4 = ，一聊l 砖= ，2 一彰一( d l + 吐) ( 3 2 5 ) s 3 = 2 。：c 2 q ，| 3 = 2 ，2 一露以+ 2 ( d ，+ d2 ) 以 ( 3 2 6 ) 为便于实现，在取每个时槽的组网范围时，右边界取为原组网范围与导 轨右交点所确定的垂直边界，右侧剩下的部分必处于下个时槽的通信覆盖范 围内，可计入下一个时槽，这样仍可保证所有节点均能可靠通信。经改变后， 江苏大学硕士学位论文 每个时槽汇聚节点的移动距离无变化，且除第一个时槽外，每个时槽的组网 范围也无变化。按这样的组网要求，通过对以后几个时槽的推导可得出如下 规律： d t a s k ，= ，2 一一( 4 + 吐) ( f = 1 ，3 ，5 )( 3 2 7 ) d t a s k , = ，2 一番+ ( 4 + 畋) ( f = 2 , 4 ，6 ) ( 3 2 8 ) 墨= 2 少2 一彰d 3 + 2 ( 4 + 吐) 喀 ( ，= 1 ，3 ，5 )( 3 2 9 ) s = 2 ，2 一以一2 ( 4 + 吃) d 3 ( f = 2 , 4 ，6 )( 3 - 3 0 ) 实际组网图如图3 1 0 所示： d l + d 2 口s i n k _ 轱辘- 单次组网边界一 导轨一一分区边界 图3 1 0 实际组网情况示意图 对于单个分区来讲，最后一个时槽与分区实际物理结构相关。组网右边 界为分区右边界，左边界为上一个时槽组网区域的右边界。 可见，在分时槽的组网过程中，移动汇聚节点具有动态覆盖、分时覆盖的特 点。同一个子网分区中，汇聚节点在不同任务时槽与信号覆盖范围内的传感节点 组成星型网络。随着任务时槽的更替，星型网络的拓扑也在不断变化。这种拓扑 管理方法具有很大的优势：只有落在移动汇聚节点组网范围内的传感节点才会被 唤醒进入工作状念，未落在移动汇聚节点组网范围内的传感节点保持休眠，这样 可大大减少无关节点的不必要能量损耗；分时覆盖方法使所有节点都具有明确的 任务时槽，移动汇聚节点按相应时槽有序地管理网络，方便了网络上层协议的设 计；动态的组织覆盖可以方便节点的加入和退出，使网络具有变结构的动态特点。 3 0 一 ， 一 一 ， 一 丁出，二二虹 t i q 上 江苏大学硕士学位论文 任务时槽的具体分配足实现子网管理算法和设计网络通信协议的关键。任务 时槽的设计与诸多因素有关，包括子网分区的宽度长度、汇聚节点移动速度、 节点平均数据量、节点数目等。 3 3 数据传输方法 3 3 1 基于时槽的数据传输策略 网络的数据采集具有周期性特点，因此汇聚节点、传感节点都应具有数据保 持功能，可以将一次采集的数据保存下来直到数据传输周期结束。各设备还需根 据采集周期的时长，自行维护一个定时器来实现网络时钟同步，周期性地完成休 眠、监听、数据采集发送等工作状态的动态转换。 按照任务时槽的定义，位于某分区顶部的汇聚节点要实现对子网的全面覆 盖，需要在沿导轨从分区一端移动到另一端的过程中经历多个任务时槽，而且每 次任务时槽，所有网络工作包括数据采集、数据传输、指令传输、汇聚节点下一 个任务时槽的就位等工作都需要在规定的时问段罩完成。因此，时槽的安排是网 络设备有序工作的依据。为了使所有通信链路上的设备协调一致，算法规定单条 导轨上所有的移动汇聚节点时间同步，任务时槽严格同步。任务时槽成为算法和 网络协议设计中一个至关重要的概念。 移动汇聚节点是在分区项部定长的导轨区段上匀速运行的，若假设该子网分 区内传感节点平均分布，各节点测控任务大致相等，则可知汇聚节点在每个任务 时槽的工作量相差不大。移动汇聚节点的每一个任务时槽都确切地对应着导轨区 段上的一个段位置、覆盖子网分区的一片固定区域。 由于温室网络内的传感节点相对而言不会有较频繁的剧烈运动，汇聚节点在 导轨上的每个位置都有相对应的任务时槽，并且有相对固定的传感节点与之通 信，因此温室网络又具有静态特性。针对网络的静态性，令汇聚节点在存储器中 开辟一个地址存储区，将先前注册的传感节点的地址存入其中，只要节点不退出 网络，该地址信息便一直有效；汇聚节点将这些传感节点与覆盖它们的任务时槽 对应起来，以便汇聚节点明确节点所属的任务时槽，下次自动调用该地址，避免 在多次组网过程中节点重复向汇聚节点注册，减少了冗余的通信工作。任务时槽 江苏大学硕士学位论文 使汇聚节点的移动组网对应到了连续的时间段，在具体的网络工作过程，通信其 有了周期性规律。 在如上提出的网络拓扑中，基于超帧结构进行时槽的详细设计。 图3 11 为基于超帧结构的时槽结构图。 信标帧 信标帧 习f 苋争讶i j 盯惘 - - - - - ii - - - - t - - - - 竞争访问时槽 霉 g t sg t sg t s l i ；玉跃时 鹭 圜 狲。一一 ，5 图3 1 1 时槽结构图 汇聚节点在导轨区段上做匀速运动，依次经过各个任务时槽。对于某个任务 时槽，要经过组网广播、竞争注册、数据传输、准确进入下一个时槽的导轨位置 等工作。 首先，汇聚节点向网络发送信标帧来进行组网广播，处于汇聚节点此次组网 范围内的传感节点将被统一唤醒，并自动进入活跃状态( 此时的组网为星形网络 的拓扑结构) 。信标帧中包含了竞争访问时段、非竞争访问时段、不活跃时段的 时长，以及各个传感器节点g t s 的分配情况。 在竞争访问时槽，收到汇聚节点组网广播的新加入或调整过位置的下层传感 器节点需要在规定的时间内向汇聚节点注册，以使汇聚节点明确其地址信息，并 为其分配通信时间。 在非竞争访问时槽，根据g t s 的授权情况，各传感节点与汇聚节点进行分 时的数据传输。由于汇聚节点在每个任务时槽都要收集传感节点的感知数据，因 此汇聚节点可根据所存储的节点的信息为其分配好g t s ，以便各节点向汇聚节 点迸行分时的数据传输，同时避免了每次通信时节点都要向汇聚节点申请g t s 的额外通信开销。 在不活跃时槽，子网内所有传感器节点的数据传输工作已经结束，节点进入 休眠状态，此时采集的现场信息均保存在各汇聚节点中，汇聚节点将在该时槽内 与基站做双向的多跳数据传输。汇聚节点数据多跳传递示意图如图3 1 2 所示。 3 2 江苏大学硕士学位论文 一一+ 一一一一一一一。一一一。一一一。一一一一一一一1 一一一一 1 。一。一。一一一一一一一r 一一一。一一一。一一 一一一。一一一一j 一一一一一。一一一一i 一一一一一一一一一 b 下行链路 基站口移动汇聚节点一轱辘导轨一一分边界g 3 数据流向 图3 1 2 汇聚节点数据多跳传递示意图 不活跃时段的最后是空闲时槽，该时间段内子网没有通信任务。该时槽是系 统预留的无任务时槽，一方面，当子网的数据传输量增大时，可以通过压缩该时 槽米延k 数据采集时间或路由时间；另一方面，当任务量较少时，可通过该时槽 使汇聚节点准确地到达新的位置，以组织进入下一个任务时槽。 3 3 2 基站多跳链路的建立 由于采用有线供电，汇聚节点能量不受限制，可以具有更大的发射功率，更 大的覆盖半径。在方案设计中汇聚节点间的通信阶段采用了较高的发射功率，以 保障通信双方链路安全。为实现温室任一处子网均可与基站建立安全的链路，采 用单导轨多跳的数据传输方法，汇聚节点的数据沿某条直线导轨在多个汇聚节点 间定向传递。假设汇