（农业电气化与自动化专业论文）节水灌溉控制系统无线传感器网络路由策略设计研究.pdf

， ， ， 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。 保密日，在 乡年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：7 弓么暑 指导教师签名：饧无秀豁 卜 卵1 年睁a | g 酬 年 互日| 8 黾 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：夕乌云罩 日期：孑口，多年a 月膨日 为了设计适用于农田灌区的网络路由策略，首先给出了一个无线传感器网络结构。 该结构针对灌区土壤湿度变化平稳的特点，将整个灌区划分为多个基本灌溉区，由部署 在基本灌溉区中的传感器节点构成网络中的簇，一个基本灌溉区对应一个簇。随后在该 网络结构的基础上研究了一种基于能耗预估的节点部署密度控制算法，该算法以能耗平 衡为目标，计划部署节点，增加关键区域的节点密度。最后在分析一般无线传感器网络 路由协议要求的基础上，提出了一种分区路由策略。 从网络结构上看，该分区路由策略是一种层次路由协议。整个网络被划分成不同的 族，簇由簇头节点和若干成员节点组成。成员节点只执行数据采集和向族头节点传输数 据的任务，而族头节点则不仅承担数据采集的任务，还要接受族内成员节点传输的数据， 并进行数据融合，再把处理后的数据向s i n k 节点传送。整个路由过程分为网络准备阶 段和数据传输阶段。在准备阶段网络初始化形成，并确定各簇第一任簇头；在数据传输 阶段实现了数据从成员节点到簇头的传输和数据从簇头到s i n k 节点的远程传输以及簇 头的轮转。仿真结果表明，该路由策略能有效平衡节点能耗。 i 关键词：无线传感器网络，节水灌溉，节水灌溉控制系统，节点部署，路由策略 产 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t u s i n gt h ee m e r g i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s s ) i nw a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e mc 锄 s o l v et h et e c h n i c sp r o b l e mo ft r a n s f e r r i n gt h ec r o p sr e x l u i mw a t e ri n f o r m a t i o n ，a n dt h e nt oi m p e lt h e d e v e l o p m e n to fi r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e m w h i l et h em u t i n gs t r a t e g yf o rw s n i sa k e yt e c h n o l o g yt od a t a t r a n s m i s s i o n , a n di ti san e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rt h en e t w o r kt ow o r ks t a b l y t h em a i np a r to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e s i g nam u t i n gs t r a t e g yf o rw s na p p l y i n gt ow a t e r - s a v i n g i r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e m b e c a u s et h ee n e r g yo fe a c hs e n s o rn o d ei se x t r a o r d i n a r i l yl i m i t e d , 吐持 a l l - i m p o r t a n ta i mo fd e s i g n i n gr o u t i n gs t r a t e g yf o rw s ni st ok e e pt h eb a l a n c eo fe n e r g yc o n s u m p t i o n a m o n gn o d e s ，a n dt h e nt os a v ee n e r g yi ne f f e c t i no r d e rt od e s i g nar o u t i n gs t r a t e g yf i tf o rf a r mi r r i g a t i o na r e a , an e t w o r ks t r u c t u r eo f w s ni sp r e s e n t e df i r s t l y t h es t r u c t u r ea i m st h ec h a r a c t e r i s t i co fs o i lh u m i d i t yw h i c h c h a n g e s s m o o t h l y , t h ee n t i r ef a r mi r r i g a t i o na r e ai sd i v i d e di n t om a n yb a s i ci r r i g a t i o na r e a s ，a n dt h e s e n s o rn o d e sp l a c e di no n eb a s i c i r r i g a t i o na r e af o r m ac l u s t e ri nn e t w o r k t h e na n o d e p l a c e m e n td e n s i t yc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ne s t i m a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni ss t u d i e d w i t ht h ep u r p o s eo fb a l a n c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h ea l g o r i t h mc a nh e l pp l a c i n gt h e s e n s o rn o d e si n t e n d e d l y , a n di n c r e a s et h en o d ed e n s i t yi nk e ya r e a a r e ra n a l y z i n gt h e r e q u i r e m e n t so fr o u t i n gp r o t o c o lf o rc o m m o nw s n ，as u b a r e ar o u t i n gs t r a t e g yi sp r e s e n t e d f a m i l y i nt h ev i e wo fn e t w o r ks t r u c t u r e ，t h es u b a r e am u t i n gs t r a t e g yi sah i e r a r c h i c a lr o u t i n g p r o t o c 0 1 t h ew h o l en e t w o r ki sd i v i d e di n t os e v e r a ld i f f e r e n tc l u s t e r s ，a n de a c hc l u s t e ri s m a d eu po fac l u s t e rl l e a da n ds o m em e m b e rn o d e s t h em e m b e rn o d e so n l ys e n s ea n d t r a n s m i td a t at oc l u s t e rh e a d w h i l et h ec l u s t e rh e a dn o to n l ys e n s e sb u ta l s or e c e i v e sa n d f u s e sd a t a sf r o mm e m b e rn o d e s ，t h e nt h ec l u s t e rh e a ds e n d st h ea g g r e g a t e dd a t at os i n kn o d e t h ew h o l er o u t i n gp r o c e s sc o n s i s t so ft w op h a s e s ：p r e p a r ep h a s ea n dt r a n s m i tp h a s e d u r i n g t h ep r e p a r ep h a s e ，t h en e t w o r ki sf o r m e da n dt h ef i r s tc l u s t e rh e a do fe a c hc l u s t e ri ss e l e c t e d d u r i n gt h et r a n s m i tp h a s e ，t h ed a m so fm e m b e rn o d e sa r et r a n s m i t e dt oc l u s t e rh c a da n dt h e a g g r e g a t e dd a m so fc l u s t e rh e a da r et r a n s m i t e dt os i n kn o d e m o r e o v e rt h ea l t e r a t i o no f c l u s t e rh e a di ne a c hc l u s t e ri sa l s oi m p l e m e n t e di nt h i sp h a s e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mi se f f i c i e n t t ob a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na m o n gn o d e s k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ；w a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o n ； w a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e m ；n o d ep l a c e m e n t ；m u t i n gs t r a t e g y i i r 弋 广 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要”i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论l 1 1 背景l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 节水灌溉控制系统研究现状2 1 2 2 无线传感路由协议研究现状”5 1 3 本课题研究工作9 1 3 1 目的和意义9 1 3 2 主要内容l o 1 3 3 创新点”1 1 1 4 论文的组织结构：1 1 第二章网络体系结构的设计k 1 2 2 1 灌溉控制系统整体设计1 2 2 1 1 系统功能需求1 2 2 1 2 系统设计1 3 2 2 无线传感器网络的典型体系结构1 4 2 3 无线传感器网络的特点与节点能耗分析1 5 2 3 1 无线传感器网络的特点1 5 2 3 2 节点能耗分析1 6 2 4 网络体系结构设计”2 0 2 4 1 设计思想“2 0 2 4 2 基本假设2 1 2 4 3 网络结构设计2 1 2 5 本章小结2 3 i l l 江苏大学硕士学位论文 第三章灌区无线传感节点的部署“2 4 3 1 引言“2 4 3 2 传感器节点优化部署的相关研究”2 5 3 3 基于能耗预估的节点部署密度控制算法2 5 3 3 1 概述2 5 3 3 2 能耗预估”2 7 3 3 3 各簇节点数量的确定”3 0 3 4 节点部署密度控制算法描述31 3 5 本章小结3 2 第四章分区路由策略设计3 3 4 1 引言3 3 4 2 分区路由策略概述3 5 4 3 分区路由的实现3 6 4 3 1 报文设计3 6 4 3 2 网络准备阶段。4 2 江苏大学硕士学位论文 广 1 - 1 背景 r 、 第一章绪论 中国是一个农业大国，同时又是一个水资源比较贫乏的国家，而农业灌溉就占据着 大量的水资源，其用水量约占全国总用水量的7 0 【l 】。而且我国水资源时空分布不均，与 国民经济发展的布局严重错位。地处长江淮河一线以北的广大地区总面积占全国土地面 积的6 5 ，人口占4 0 ，集中了我国的重要能源、化工等基地和全国5 1 的耕地，但水 资源总量只占全国的2 0 ，许多地区人均水资源已大大低于1 7 0 0m 3 的缺水警戒线，区 域性缺水更为严型2 1 。有资料表明，自上世纪9 0 年代以来，我国农业干旱受灾面积达2 3 0 0 万h m 2 以上，每年因缺水造成粮食减产1 0 0 0 亿k g 左右【3 j 。 我国农业用水一方面存在水资源短缺问题，另一方面则是浪费严重，平均利用率只 有4 0 左右【4 j ，远远低于发达国家的水平。由此可见，我国在缺水现象的背后蕴藏着巨 大的节水潜力。因此节水灌溉技术成为节约水资源的重要措施，而作物需水信息则是实 时适量灌溉的必要依据。在自动化技术普遍应用的今天，实现节水灌溉的自动控制已经 是必不可少的一部分，然而农田灌区范围广、信息量大，作物需水信息的实时传输成为 节水灌溉控制系统推广应用中的一个“瓶颈 问题。这已经引起了国内为众多学者和专 家的广泛注意，在已有的系统中先后出现了有线传输、卫星遥感传输以及无线传输等应 用技术。与发达国家相比，目前我国的节水灌溉自动控制技术仍然比较落后，应用也不 广泛【5 】o 无线传感器网络是近几年在“普适计算思想下发展起来的一种无线自组织网络， 是当前国际上的一个研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的 各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到 需要这些信息的用户。由于其简单易用、可靠、高性价比、低功耗，所以应用前景十分 广阔，在军事国防、工业生产、城市管理、医疗健康、环境监测、设施农业、抢险救灾、 防恐反恐、空间探索、危险区域与远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经 引起了国内外众多学者的广泛关注，被认为是对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一网。 江苏大学硕士学位论文 无线传感器网络是一种面向具体应用的网络。目前关于无线传感器网络的应用研 究，国外自上世纪9 0 年代末起步，早于国内，已经出现了一些具体的应用实例。如2 0 0 4 年有多篇文献报道( 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。再如，巴西成功的将无线传感器网络应用于监 测1 5 0 0 公顷大面积农田灌溉的中央远程控制与监测系统【7 1 。而国内的研究则还处于刚刚 起步的阶段，大多还停留在基础理论跟踪国际研究阶段，非常缺乏典型的实际应用。 将无线传感器网络应用于节水灌溉控制系统，是节水灌溉控制技术发展的必然趋 势，同时无线传感器网络成本的不断降低也将促使节水灌溉技术在我国得到更为广泛的 应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 节水灌溉控制系统研究现状 将自动化技术应用到农业灌溉中，可以有效提高灌溉效率。灌溉自动化始于2 0 世纪 3 0 年代，二次世界大战前，法国研制了一系列用以实行渠系自动化运行的水力自动闸门， 并提出了一套比较完整的自动化灌溉控制方法，开了自动化灌溉的先河嗍。而真正的计 算机控制灌溉源于以色列【5 l 。 1 ) 国外研究现状 国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控 制系统也较完善和先进。自2 0 世纪5 0 年代以来，随着电子学和计算机技术的应用和发展， 一些发达国家，如美国、以色列和加拿大等，将先进的电子技术、计算机和控制技术应 用到了节水灌溉技术中，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来 的机械电子混合协调式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制 等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便【5 1 。控制模 式也由早期的本地控制发展到可以实现遥测、遥控的集中控制模式【射。 在灌溉自动化技术的发展应用中，以色列是一个比较典型的国家。从自然条件上看 以色列是一个极度缺水的国家，因此其灌溉自动化技术起步早，应用也比较广泛。最早 2 气 p 弋 江苏大学硕士学位论文 以色列设计的灌溉控制器是一个简单的定时器，后来随着电子技术和计算机技术的发 展，出现了简单的灌溉控制器，它把灌水和施肥同步进行，这种控制器能监测土壤水分 信息，同时当某些参数越限或某台排灌机械出现故障时系统能进行报警。近年来随着农 业对自动化程度要求的提高，出现了灌溉用的可编程逻辑控制器，这种控制器通过把不 同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术、传感器技术的发展，以色 列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感 器来获得，通过i n t e r n e t 网、远程控制、g s m 等来实现数据传输，然后通过计算机中的 一些模型来处理信息，做出灌溉计划【5 l 。目前以色列已出现了在家利用电脑对灌溉过程 进行全部控制的农场主。 在美国，早在1 9 8 4 年，b e n a m i 和o f e n 开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水 分来确定是否打开灌水阀门。上世纪8 0 年代前后p h e n a 等分别在灌溉控制系统中使用了 土壤湿度传感器，把土壤湿度反馈给控制系统，根据获得的数据决定是否灌溉，使作物 根部总能保持一定的湿度。1 9 9 0 年f a n g m e i e r 等研制了一套自动化灌溉控制器，该控制 器使用红外线热电偶测土壤温度，同时配有空气湿度计、土壤湿度传感器。1 9 9 2 年p e h n e 等利用计算作物蒸腾量来控制滴灌系统。1 9 9 6 年i s m a i l 和a l s h o o s h a n 在灌溉控制反馈系 统中应用电子张力计来测量土壤湿度。同时美国的用水管理水平也很高，一些灌区做到 了土壤墒情监测和灌水预报相结合，从渠道取水、渠道( 或管道) 输水、田间灌水全部实 行自动化管理，统一调度、优化配水，减少了输配水损失和渠道弃水，大大提高了水的 利用率【5 j 。加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控 制器产品。 发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视空间信息技 术、计算机技术和网络技术等高新技术的应用。近年来，随着无线传感器网络的发展， 巴西已经成功的将无线传感器网络应用于监i 贝| j 1 5 0 0 公顷大面积农田灌溉的中央远程控 制与监测系统【7 】，开始了无线传感器网络在节水灌溉中的应用。 2 ) 国内研究现状 国内对灌溉自动控制系统的应用研究起步比较晚，依然还处于研制、试用阶段，目 前能真正广泛应用的灌溉控制器还不多见。 我国自2 0 世纪5 0 年代从国外引进节水灌溉技术和设备后，在很长一段时间内，主 要是示范应用，再加上设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大面积的应用，相配 江苏大学硕士学位论文 套的自动控制系统就更少了。到2 0 世纪8 0 年代，特别是9 0 年代后，随着经济的发展、 水资源的紧张及国家的重视，节水灌溉得到了迅猛发展，在喷灌、微灌、滴灌等节水灌 溉技术上的研究取得了长足进步，但是在灌溉自动控制系统研制方面依然落后，绝大部 分都依靠从国外进口。虽然国外生产的灌溉控制器性能优越，但没有考虑我国特殊的自 然、气候、土地资源、农民经济状况等因素，因而引进的灌概控制器在国内应用并不普 及。虽然国内有多家单位研制灌溉控制器，但大多为实验和理论的探讨，应用不够普及， 其主要原因是开发性能完善的灌溉控制系统需要大量的人力、物力的投入，需要多部门、 多学科的融合，这在一定程度上限制了性能完善、适应性强的控制器的开发。而且开发 出来的灌溉控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省人力、节约灌溉用水、提高产量，但 由于一次性投资太大，多数农民承受不起，这也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。 在国内现有的灌溉控制产品中具有代表性的有中国农业机械化研究院联合多家单 位研制的2 0 0 0 型温室自动灌溉施肥系统【5 j 。该系统结合我国温室的环境和实际使用特 点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中 文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。具有手动控制、程序控制和 自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用。北京澳作生态仪器有限公司的澳作 智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求自动 灌溉。控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，可同时控 制多个设备，受控区位置及形状、环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上【5 】。 此外在灌溉自动控制系统的探讨和研究中，1 9 9 5 年毛慎建等研制了以8 0 3 1 单片机 为核心的全自动灌溉控制器【9 l 。2 0 0 0 年刘根深研究了g p s 节水灌溉系统【1 0 】。崔静等于 2 0 0 5 年研究了基于g s m 的农田水分灌溉管理与自动控制系统，以气象资料和农田基本信 息为基础，以归纳形成的知识模型和数学模型为依据，对土壤水分进行预测和分析，辅助 决策者进行决策，同时结合自动控制系统以实现农田水分灌溉自动化【n l 。曹成茂等研究 了无线传输在节水灌溉自动控制中的应用，通过减少线路铺设，降低成本，提高系统的 灵活性【1 2 】。伍伟杰研究设计了基于c a n 总线的节水灌溉自动控制系统0 3 】。 总的来说，国内要实现节水灌溉技术的推广应用，必须充分重视并利用现代信息技 术和自动化技术，开发出适合中国国情的低成本、应用简单可靠、性能完善的节水灌溉 自动控制系统，这也是节水灌溉技术发展的要求和趋势。 4 气 “。、一。“一 “7+。 j 。 “ 1 ， r 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 无线传感路由协议研究现状 网络中数据的传输离不开路由协议，由于传感器网络的特点( 将在第二章中介绍) ， 尤其是节点能量有限，使得传统的无线a dh o c 网络路由协议不能直接用于无线传感器 网络。如何利用现有能量资源，延长网络的生命周期，研究出优化的路由通信协议是无线 传感器网络技术的一个关键问题。为此我们必须设计全新的、适合于无线传感器网络特 点的路由协议。美国的麻省理工学院、康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了无线 传感器网络通信协议的研究，先后提出了几种新的路由协议，包括s p i n ，d i r e c t e d d i f f u s i o n ，l e a c h ，t e e n ，p e g a s i s 等。 1 ) 国外路由协议研究状况 国外从上个世纪9 0 年代开始展开无线传感器网络方面的研究，在路由协议方面已 经有了很多的研究成果，其中一些比较典型的成果如下： 扩散法是一种传统的路由技术，不需要维护网络的拓扑结构和路由发现算法，节点 将接收到的消息以广播的形式转发出去。该算法实现很简单，但却存在信息爆炸问题和 数据重叠问题，盲目使用节点资源。 闲聊法【1 4 i 是扩散法的改进版本，使用随机性原则选择一个邻居节点，发送数据副本。 尽管闲聊法可以避免出现信息爆炸问题，但是仍然无法解决部分重叠现象和盲目使用资 源问题，而且数据传输平均时延变长，传输速度变慢。 u c b e r k e l e y 学者k a r l o f 等人在研究了目前无线传感器网络中常见的几种丢包现 象后，设计了针对稠密的无线传感器网络的可靠的路由算法( a r r i v e ) 1 5 l 。 s p i n 1 6 , 1 7 】是第一个以数据为中心的自适应通信路由协议，通过使用节点间的协商制 度和资源自适应机制解决扩散法存在的不足。在收发数据之前，每个节点都必须检查各 自可用的能量状况，如果处于低能量水平，必须终止一些操作，比如充当数据中转站角 色的一些数据转发操作。 有序分配路由s a r 协议【1 8 】是第一个贿 q o s 意识的路由协议，它采用基于路由表 驱动的多路径方式获取网络的节能和健壮性。但节点中的大量冗余路由信息耗费了存储 资源，且路由信息维护、节点q o s 参数与能耗信息的更新均需较大开销。 定向扩散d d ( d i r c c t c dd i f f i l s i o n ) 协议是u s c 学者e s t r i n 等人为无线传感器网络专 门设计的一种以数据为中心的路由算法，是以数据为中心路由协议的一个重要里程碑， 江苏大学硕士学位论文 体现了根据数据内容来建立优化路径的思想。该协议的主要特点是传感器节点使用特定 的属性值来标志，数据的传播路径由节点同其相邻节点交互决定，同时引入梯度变量的 概念来处理对传感器网络的查询，梯度( g r a d i e n t s ) 变量反映了查询请求的扩散过程中 各节点对查询条件的匹配程度，值越大表示沿该路径获得匹配数据的可能性越大。 n n l 为改善d d 协议的耗能情况，s h a h 等人提出了能量感知路由协议掣，采用地理位置和 数据类型标识节点。与d d 相比，该协议只随机选择一条路径，能有效节约能源4 0 以上， 且可平衡通信量。不足之处为，s i n k 需要周期性f l o o d i n g 维护路由信息，需要进行节点 间收发开销和剩余能量测量，根据概率随机选择一条路径导致其可靠性降低。 n 1 1 g p s r 协议”是一个典型的基于位置的路由协议。网络节点都知道自身地理位置并 被统一编址，各节点利用贪心算法尽量沿直线转发数据。产生或收到数据的节点向以欧 氏距离计算最靠近目的节点的邻节点转发数据，但由于数据会到达没有比该节点更接近 目的点的区域( 空洞) ，导致数据无法传输，当出现这种情况时，空洞周围的节点能够探 测到，并利用右手法则沿空洞周围传输来解决此问题。该协议避免了在节点中建立、维 护、存储路由表，只依赖直接邻节点进行路由选择，几乎是一个无状态的协议；且使用 接近于最短欧氏距离的路由，数据传输时延小；并能保证只要网络连通性不被破坏，一 定能够发现可达路由。但问题是，当网络中s i n k 点和源节点分别集中在两个区域时，由 于通信量不平衡易导致部分节点失效，从而破坏网络连通性；且需要g p s 定位系统或其 他定位方法协助计算节点位置信息。 r 1 t b f 协议”1 是一个基于位置和源站的路由协议。与g p s r 协议不同，t b f 协议不是沿 着最短路径传播；与通常的源站路由协议不同，t b f 协议利用参数在数据包头中指定了 一条连续的传输轨道而不是路由节点序列。网络节点利用贪心算法根据轨道参数和邻节 点位置，计算出最接近轨道的邻节点作为下一跳节点。该协议可利用g p s r 协议的方法 或其他方法避开空洞；通过指定不同的轨道参数，很容易实现多路径传播、广播、对特 定区域的广播和多播：源站路由避免了中间节点存储大量路由信息；指定轨道而不是节 点序列，数据包头的路由信息开销不会随着网络变大而增加，允许网络拓扑变化，避免 了传统源站路由协议的缺点。但随着网络规模变大，路径加长，沿途节点进行计算的开 销也相应增加；且需要g p s 定位系统或其他定位方法协助计算节点位置信息。 l e a c h ( l o w - e n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 1 2 3 l 是一个典型的能量有效的路 6 一 、 p ( 江苏大学硕士学位论文 由协议。l e a c h 协议分为两个阶段：聚类准备阶段和就绪阶段，为使能耗最小，就绪 阶段持续的时间比聚类准备阶段长。聚类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一 轮( r o u n d ) 。为平衡网络各节点的能耗，簇头是周期性按轮随机选举的，每轮选举方法 是各传感器节点随机选择o 1 之间的一个值，如果选定的值小于某一个阀值t ( n ) ，那么 这个节点成为簇头节点。t ( n ) 值按以下公式计算： f p 丁( 拧) = 1 - p x r m o d ( 1 p ) 胙“ 【0 n 萑g 其中，p ：簇头节点占总节点的百分比 r ：已经完成的轮数 g ：前面1 p 轮中，没有被选为簇头的节点集 该协议采用随机选举簇头的方式避免了簇头过分地消耗能量，可延长网络寿命，而 且簇头需对簇内数据进行融合后再发送能有效减少通信量；但是簇头的频繁选举引起的 通信量耗费的能量比较大。 能量有效的传感信息系统聚类算、法p e g a s i s l 2 4 1 由l e a c h 发展而来。它假定组成 网络的传感器节点是同构且静止的。节点发送能量递减的测试信号，通过检测应答来确 定离自己最近的相邻节点。通过这种方式，网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系， 进而每个节点依据自己的位置选择所属的簇，簇头参照位置关系优化出至l j s i n k 节点的最 佳链路。研究结果表明，p e g a s i s 支持的传感器网络的生命周期是l e a c h 的近两倍， p e g a s i s 协议的不足之处在于节点维护位置信息需要额外的资源。 门限敏感的传感器网络节能协议( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o r n e t w o r kp r o t o c o l ，t e e n ) 2 s 】是响应型传感器网络，使用l e a c h 的簇形成策略，但是 在数据发送方面作了修改，不以固定的速度发送，只有当传感器检测的信息超过了设定 的门限，节点才向簇头节点发送数据。t e e n 使用两个用户自定义的参数硬门限( 胁) 和软门限( & ) 以决定当前传感的信息是否需要发送。n s 2 平台上的仿真研究结果表明： t e e n 比l e a c h 更有效，但该协议不适合周期性数据的采集。 多层聚类算法 2 6 1 是e s t r i n 为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。工作在网络 中的传感器节点处于不同的层，所处层次越高，所覆盖面积越大。起初，所有节点均在 最低层，通过竞争获得提升高层的机会。多层聚类算法具有递归性，e s t r i n 等人用两层模 7 江苏大学硕士学位论文 型验证了其在传感器网络中的有效性。 y o u n i s 等人提出了基于三层体系结构的路由协议【2 刀。与l e a c h 不同的是，该协 议要求在网络运行前由终端用户将传感器节点划分成簇，并通知每个簇头节点的i d 标 识和簇内所分配节点的位置信息。簇内节点可以以下面这四种方式之一存在：感知、转 发、感知并转发、休眠。簇头不受能量的限制，它可以监控节点的能量变化，决定并维 护传感器的四种状态，并利用代价函数作为链路成本，选择最小成本的路径作为节点与 其通信的最优路径。经仿真分析，该协议在运行过程中具有很好的节能性能、较高的吞 吐量和较低的通信延迟。 2 ) 国内路由协议研究进展 自2 0 0 2 年起国内开始公开发表关于无线传感器网络的研究论文，目前依然处于理论 研究阶段，尤其在路由协议的研究方面主要以改进为主，尚没有提出好的比较典型的算 法。现有的主要研究成果如下： 西安交通大学黄进宏等提出了无线微传感器网络协议和组织结构a l e p 2 8 1 ，该协议使 用一种基于能量的分布算法实现子网自组织建立。优点是在不需要与数据控制中心建立 远距离的通信，不需要数据控制中心的控制。就每一个节点而言，在子网形成阶段不需要 了解整个传感器网络的所有节点的确切位置和各节点当前的工作状态，仅仅通过每一个 节点的本地决定就可形成全局优化的子网结构。这样就减少了远距离通信量，降低系统 的能耗。 中国科技大学的马祖长等提出了基于最小跳数的路由协议【2 9 1 ，其基本思想是每个节 点记忆自己的一跳邻居内，最小跳数比自己小l 的节点。当有信息需要发送的时候，可 以从符合条件的节点集中指定一个作为转发节点。 天津大学的张静等提出了一种能量有效的最小连通支配集近似算法e e m c d s ( e n e r g ye f f i c i e n tm i n i m u mc o n n e c t e dd o m i n a t i n gs e t ) 3 0 l ，该算法将节点的剩余能量作 为权值，在保证连通支配集节点数量较少的情况下，高能量的节点在支配集中所占的比 例也是较高的，使其能更好的协调管理网络中所有其他节点，保持m c d s 的相对稳固性。 它可用于在拓扑结构变化的网络中自动生成并维护一个虚拟骨干网，从而解决网络中数 据传输问题。算法中，各节点独立确定是否为连通支配集中的节点，确定过程中节点只 需了解局部网络信息，因此算法的分布性强，具有较好的可伸缩性，可为无线自组传感 器网络中的路由协议提供通讯基础。 8 江苏大学硕士学位论文 武汉大学杨冕、浙江大学吴臻等分别对l e a c h 算法进行了改进，其中杨冕在最优的 簇数目方面对经典的l e a c h 算法做了改进【3 l 】，而吴臻则在考虑节点剩余能量和成为簇头 容易程度之间的关系以及簇头间相对距离的基础上，对l e a c h 进行了改进【3 2 1 。 北京理工大学彭刚等为了实现用最小的能耗来传输传感数据，提出一种最小传输代 价生成树的方法来进行数据汇聚的路由算法【3 3 1 。 南京大学计算机软件与新技术国家重点实验室刘明等提出了一种分布式的高效节 能的传感器网络数据收集和聚合协议d e e 4 1 。该协议中节点自主地根据其剩余能量以 及邻居节点的信号强度来竞争簇头，同时为了减小簇头节点的能量开销，簇头之间以多 跳方式将收集到的数据发送到指定的簇头节点，然后通过该节点将整个网络收集的数据 发送到基站。 浙江大学赵腾飞等结合无线传感器网络的特点和其实际应用环境，提出了一种新型 集中式能量有效型路由协议啪1 。协议利用基站负责分簇；利用d t r a p 进行节点位置的估 计，突破了应用范围的限制：并采用重定向技术进行性能优化。 1 3 本课题研究工作 1 3 1 目的和意义 1 ) 研究目的 节水灌溉控制系统在发达国家已经取得了比较广泛的应用，而且发达国家为满足对 灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视信息技术、计算机技术和网络技术 等高新技术的应用，目前已经出现了将最新的无线传感器网络技术应用于节水灌溉控制 系统的实例。为了能尽快赶上发达国家，推广利用节水灌溉控制系统，解决国内淡水资 源日趋紧张的问题，有必要运用无线传感器网络技术和智能化信息实时处理技术设计方 便实用的灌溉控制系统。而无线传感器网络的路由策略是实现农田灌区需水信息实时传 输的关键技术，因此，有必要研究出满足农田灌区需求、适合无线传感器网络特点的路 由策略。 2 ) 研究意义 节水灌溉控制系统的应用是节约农业用水、提高农业用水利用率的有效手段，尤其 在我国这样一个淡水资源非常缺乏的国家推广应用灌溉自动化技术具有非常重要的意 9 江苏大学硕士学位论文 义。基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统是灌溉自动化技术发展的趋势，目前在我 国还处于理论研究阶段。而无线传感器网络是一种面向具体应用的网络，研究设计满足 农田灌区需求的路由策略，是无线传感器网络稳定工作的必然要求，有助于探索无线传 感器网络在灌溉控制中的具体应用方法。随着无线传感器网络成本的不断降低，且具有 简单易用、可靠、高性价比、低功耗等优点，将其应用于节水灌溉中，可降低一次性投 入成本，提高可操作性和实用性，进而促进节水灌溉控制系统在广大农村的推广利用。 此外，目前在国内关于无线传感器网络的具体应用还较少，大多还停留在基础理论 跟踪国际研究阶段和试验阶段，非常缺乏典型的实际应用示范及产业竞争优势，因此， 有必要通过一些典型的应用示范技术提升我国在这一领域的核心竞争力，而节水灌溉就 是一个很好的应用领域。 1 3 2 主要内容 1 ) 设计符合农田灌区自然环境的无线传感器网络体系结构 网络体系结构的建立是网络工作的前提条件，一般无线传感器网络往往通过撒播的 方式由节点自组织形成。而农田灌区不是人无法进入的区域，因此本文依据农田灌区自 然环境的特点，将农田灌区划分为若干基本灌溉区，由部署在每个基本灌溉区的节点构 成静态簇形成网络，建立网络体系结构。 2 ) 研究节点的部署方法 由于节点能量有限且不可更换，因此节点部署的好坏直接影响着网络的寿命。为避 免因节点随机部署带来的能量消耗的不均匀，在充分考虑农田灌区信息变化的特点和无 线通信能耗的特点的基础上，通过能耗预估的方法研究了节点的计划部署问题，增加关 键区域的节点部署密度，以平衡节点能耗，延长网络寿命。 3 ) 研究数据的传输路径 无线传感节点采集到的数据如何传输到汇聚节点是无线传感器网络研究中的一个 关键问题，而如何延长网络寿命是设计路由策略必须考虑的问题，这主要取决于传输路 径的选择。本课题在节点计划部署和路由思想相结合前提下，设计了一种分区路由策略， 该路由策略以平衡节点能耗为目标，给出了簇问路径的选择方法和簇头的轮转策略。 1 0 一 弋 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 创新点 本课题主要创新之处有如下几点： 1 ) 提出了一种适用于农田灌区的分层网络体系结构； 2 ) 提出层域的概念，并给出了层域间能耗平衡的定义和定理，在预估能耗的基础 上，以层域间能耗平衡为目标，实现节点的计划部署； 3 ) 针对农田灌区信息变化和无线通信能耗的特点，引入预估策略，估计节点能耗； 4 ) 将节点部署和路由技术相结合，研究节点的计划部署方法，设计分区路由策略。 1 4 论文的组织结构 全文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章为绪论，概要介绍了课题的研究背景、国内外发展现状、主要内容以及研究 的目的和意义； 第二章在说明无线传感器网络在节水灌溉控制系统中的作用后，介绍了一般无线传 感器网络的结构和特点，并对节点能耗情况进行了分析，最后设计了符合农田灌区情况 的无线传感器网络结构，并给出了全文工作的假设条件；一 第三章从节点离s i n k 节点远近对能耗的影响出发，提出了一个基于能耗预估的节点 部署密度控制算法，实现了节点的计划部署； 第四章介绍了一般无线传感器网络