基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 摘要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物,它具有低能耗、低成本、自組織、部署方便、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。通過對果園生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)計(jì)策技術(shù)，使果園得到更加高效的信息采集，實(shí)時監(jiān)控。本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究意義和發(fā)展現(xiàn)狀，同時介紹了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識和關(guān)鍵技術(shù)，并對部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，最后本文提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測;分簇算法;MAC協(xié)議;數(shù)據(jù)融合;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)THE KEY TECHNOLOGY RESEARCH OF GARD

2、EN ECOLOGICAL ENVIRONMENT MONITORING BASED ON WIRELESS SENSOR NETWORKABSTRACTWireless sensor network (WSN) is a combination of sensor technology and wireless communication technology, it has low energy consumption, low cost, self-organization, easy deployment, flexible networking, etc. Through the o

3、rchard ecological environment system using wireless sensor network plan technology, make the orchard gets more efficient information acquisition, real-time monitoring. This paper first introduces the research significance and current situation of the development of wireless sensor network (WSN), at

4、the same time introduced the relevant knowledge about the wireless sensor network and the key technology, and analyzed the key technologies and research, finally in this paper, based on wireless sensor network (WSN) of orchard ecological environment monitoring key technology research.KEY WORDS: Wire

5、less sensor network (WSN); Ecological environment monitoring system; Clustering algorithm; MAC protocols; Data fusion; topology目錄1緒論31.1本課題的研究背景31.2本課題的研究目的及意義31.3 本文的主要工作31.4本文的組織結(jié)構(gòu)32無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀32.1國外研究現(xiàn)狀32.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀33無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述33.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介33.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)33.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)33.3.1分簇算法與結(jié)構(gòu)33.3.2 MAC協(xié)議33.

6、3.3數(shù)據(jù)融合34基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究34.1數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)34.2非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34.3山地果園分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34.4擬采用分簇算法構(gòu)思35總結(jié)3III基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究1緒論1.1本課題的研究背景隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始應(yīng)用此技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也變得更加普遍。我國現(xiàn)階段大力發(fā)展農(nóng)業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)，在果園種植領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)信息化的普及程度正在隨著信息技術(shù)的進(jìn)步而逐步提升。在此背景下，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于果園生態(tài)環(huán)境已成為未來果園環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。當(dāng)今世界，隨著計(jì)算機(jī)

7、技術(shù)與無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類在探索復(fù)合技術(shù)的道路上不斷開拓出新的領(lǐng)域，對于無限傳感器網(wǎng)絡(luò)來而言，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，尤其是在我國，正在得到越來越多的人的重視和研究。我國在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域雖然起步較晚，但在國家的大力支持下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在成為一項(xiàng)吸引無數(shù)相關(guān)研究人員和技術(shù)愛好者與不斷探索和研發(fā)的技術(shù)。它在中國這個以技術(shù)為創(chuàng)新為重點(diǎn)的國家已經(jīng)找到了合適的生存土壤。在我們生活中的給各個領(lǐng)域，已經(jīng)逐漸出現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的身影。在與我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的領(lǐng)域中，其巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景正在讓更多的人投入到這項(xiàng)研究中來。1.2本課題的研究目的及意義本課題的研究目的是為了根據(jù)已有的無線傳

8、感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建出一種理論上可行的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與果園生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，對于當(dāng)今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，是一個具有巨大拓展?jié)摿Φ霓r(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用。通過對果園環(huán)境的智能監(jiān)測，不僅可以為未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供更大的發(fā)展空間，更有利于我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)。本文的研究在發(fā)展和探索基于果園生態(tài)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)上提出了個別改進(jìn)建議，為今后果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展提供了一種可能。同時，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用拓展也起到了積極的作用。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的巨大優(yōu)勢，是通過對特定區(qū)域內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的信息采集而體現(xiàn)出的。為了讓其優(yōu)勢在果園生態(tài)環(huán)境中得到進(jìn)一步

9、體現(xiàn)，在認(rèn)識其相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，更要對果園生態(tài)環(huán)境有一個全面而具體的認(rèn)知。由于果園生態(tài)環(huán)境的特殊性，在這一領(lǐng)域內(nèi)研究無限傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究人員并不多，因此相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)理論并不十分豐富。為了讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)有更大的發(fā)展，本文通過研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)，讓其適應(yīng)果園的特殊環(huán)境并作出改進(jìn)，為日后的研究提供了一種理論思想，也提供了一條可供參考的實(shí)現(xiàn)途徑。1.3 本文的主要工作本文的主要內(nèi)容如下：1、分別對國內(nèi)，國外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，通過比較而得出相關(guān)結(jié)論，對國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀有了更加全面的認(rèn)識。2、對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的理論體系，包括對

10、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出了詳細(xì)的闡述。3、詳細(xì)說明了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的關(guān)鍵性技術(shù)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分簇算法與結(jié)構(gòu)、MAC協(xié)議以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)。4、設(shè)計(jì)和構(gòu)思了果園環(huán)境監(jiān)測所需要的關(guān)鍵技術(shù)，包含對數(shù)據(jù)幀的重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出兩種適用于不同果園生態(tài)環(huán)境的分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后對采用HEED分簇算法應(yīng)用于果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了論述。1.4本文的組織結(jié)構(gòu)為了更加明確的闡述本文所涉及到的研究內(nèi)容，本節(jié)按以下章節(jié)分別介紹：第一章：緒論，主要介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)的研究背景、研究目的及意義、文章的主要工作內(nèi)容。第二章：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研

11、究現(xiàn)狀，主要介紹了國內(nèi)外現(xiàn)階段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究成果。第三章：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述，包括無線傳感器技術(shù)的簡介，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，一部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用到的關(guān)鍵技術(shù)的論述。第四章：構(gòu)思出在果園生態(tài)環(huán)境中應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，包含果園生態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)幀，設(shè)計(jì)兩種基于不同果園環(huán)境的分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出利用HEED分簇算法設(shè)計(jì)果園生態(tài)環(huán)境的理論依據(jù)。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外的研究中得到了全面而廣泛的重視。因而不斷有新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論提出，本章對國內(nèi)外的相關(guān)研究成果做出了歸納整理，并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的差異給出了適當(dāng)結(jié)論。美國“智慧地球”、日本“u-Japan”、

12、韓國“IT839”、韓國三星集團(tuán)“U-City”計(jì)劃、中國“感知中國”戰(zhàn)略已全面開展。國內(nèi)外一些地區(qū)/國家的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要項(xiàng)目及進(jìn)展參見下表。2.1國外研究現(xiàn)狀表2-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要項(xiàng)目及進(jìn)展計(jì)劃名稱研究內(nèi)容與進(jìn)展資助部門承擔(dān)單位起止年代“地球中樞系統(tǒng)”（CeNSE）通過各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軟件和服務(wù)的連接。預(yù)計(jì)將在全球范圍內(nèi)安裝一萬億個微型傳感器惠普公司惠普公司20092018EYES自組織和協(xié)作有效能量的傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)的協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和安全等歐盟歐盟2002第七框架計(jì)劃ICT 20092010年工作計(jì)劃開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)、硬件/軟件集成平臺和工程

13、方法，有助于工廠、建筑和大型基礎(chǔ)設(shè)施（包括環(huán)境管理系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)更好的可靠性、安全性、成本和能源效率歐盟歐盟20092010國外研制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴òńy(tǒng)一功率分配算法,如COMPOW,基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法,LINT/LILT和LMN和LMA,;基于鄰近圖的近似算法,如DRNG和DLSS,等 在層次型拓?fù)淇刂品矫?提出了TopDisc閉成簇算法,以及LEACH和HEED等自組織成簇算法。另外研究人員提出一些帶有節(jié)點(diǎn)激活/休眠機(jī)制等方式來控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃惴?如GAf基于虛擬地理網(wǎng)格分簇算法、STEM、ASCENT等比較經(jīng)典的拓?fù)淇刂扑惴ā?.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀表2-2中國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目計(jì)劃名稱

14、研究內(nèi)容與進(jìn)展資助部門承擔(dān)/參與起止年代“新一代寬帶無線通信網(wǎng)”國家重大專項(xiàng)研制具有海量通信能力的新一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng)，低成本廣泛覆蓋的寬帶無線通信接入系統(tǒng)、近距離無線互聯(lián)系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)。中華人民共和國工業(yè)和信息化部（簡稱工信部）企業(yè)、高校、研究所單位共同參與2008下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程充分利用并優(yōu)化CNGI骨干網(wǎng)、駐地網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，繼續(xù)推動下一代互聯(lián)網(wǎng)在科研、運(yùn)營以及重要行業(yè)的應(yīng)用。中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會（簡稱發(fā)改委）企業(yè)、高校、研究所2003三網(wǎng)融合演進(jìn)技術(shù)與系統(tǒng)研究重點(diǎn)研究面向三網(wǎng)融合的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，支持用戶寬帶演進(jìn)到100M/s的光纖、無線、同軸接入網(wǎng)絡(luò)的體系標(biāo)準(zhǔn)

15、、核心裝備和核心技術(shù)國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）高校、研究所、企業(yè)20112013我國的很多知名大學(xué)和院校在中國科學(xué)院的帶領(lǐng)下，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了不斷地探討和研究。中國科學(xué)院憑借其在芯片技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，軟件技術(shù)，無線通信技術(shù)的各方面相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢，攻堅(jiān)克難，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)的研究達(dá)到了比較成熟的程度。并結(jié)合我國實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出了種種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺，并使之應(yīng)用在各個相關(guān)領(lǐng)域之中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國作為一個新興產(chǎn)業(yè)，雖然還不夠成熟，對于設(shè)計(jì)開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)還有待加強(qiáng)，對算法的研究和改進(jìn)也只是參照國外無線傳感器領(lǐng)域的研究成果。但隨著

16、我國信息化產(chǎn)業(yè)技術(shù)的日趨成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一定會越發(fā)普遍。3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)可以概括成一個集信息感知（Sensing）、信息處理（Processing）、信息傳送（Transmitting）和信息提供（Provisioning）等功能于一體的有機(jī)自知整體，通常包括一個或多個匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink）、網(wǎng)關(guān)及大量微型化傳感節(jié)點(diǎn)。其相對統(tǒng)一，典型的結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示 圖3-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)每一個傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個微型嵌入式計(jì)算機(jī),擁有無限通信、計(jì)算、存儲和感知的能力。如圖 3-2 所示。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測

17、收集區(qū)域內(nèi)物理信息量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息；處理器模塊包括處理器和存儲器兩部分，處理器用來控制傳感器節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)操作;存儲器用來存儲釆集以及計(jì)算所用的數(shù)據(jù),；無線通信模塊負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)傳遞給下一節(jié)點(diǎn)；能量供應(yīng)模塊是節(jié)點(diǎn)的能量來源，具有特使功能的節(jié)點(diǎn)包括其他輔助模塊，例如GPS定位裝置、運(yùn)動裝置、能源再生裝置等。 圖3-2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力，通信能力都能量供應(yīng)能力要比普通節(jié)點(diǎn)強(qiáng)很多，普通傳感器節(jié)點(diǎn)通過匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶或互聯(lián)網(wǎng)上。構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種，一種是平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另一種是層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖3-3所示。這種平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置

18、簡單易實(shí)施，在小型傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)勢，但如果遇到大型傳感器網(wǎng)絡(luò)，平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)傳遞和能量消耗問題中會遇到很多問題。（a）平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （b）層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分為高層節(jié)點(diǎn)和底層節(jié)點(diǎn)，處于高層節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)成為簇首，簇首負(fù)責(zé)接收與之相連的底層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，之后，簇首將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)。在這種以簇首為局部數(shù)據(jù)接收站的層次性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，利用分簇算法可以更加有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，同時在大范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的分配將變得更加均勻合理，同時，可以創(chuàng)造靈活可變的分簇路由算法以實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用環(huán)境中收集數(shù)據(jù)的目的。但是，層次型拓?fù)浣Y(jié)

19、構(gòu)也有不足之處，由于簇首所承擔(dān)的任務(wù)加重，簇首的能量消耗必定加大，這就限制了簇首的生命周期。3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) (1) 有限的節(jié)點(diǎn)能量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是通過大量布放的方式對人員不易接近的地方或環(huán)境惡劣的地方進(jìn)行監(jiān)測。每一個傳感器節(jié)點(diǎn)不具備更換電池的能力，也就是說一旦能量耗盡，傳感器節(jié)點(diǎn)就失去了所有功能。所以一個好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備延長其工作時間。(2) 節(jié)點(diǎn)運(yùn)算和存儲能力受限同樣，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常尺寸較小，以滿足大數(shù)量投放的需要。所以單個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力以及數(shù)據(jù)存儲能力都是有限的。對于處理能力有限的傳感器節(jié)點(diǎn)，就不能讓其處理過分復(fù)雜的算法，所以在算法的編輯上要考慮

20、到傳感器節(jié)點(diǎn)的有效運(yùn)算能力。（3）有限的節(jié)點(diǎn)通信能力同樣,傳感器節(jié)點(diǎn)受其規(guī)格所限，與相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞（4）以數(shù)據(jù)上傳為主傳感器節(jié)點(diǎn)只要是通過收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至用戶，而無需接收用戶的指令，所以其通信特征往往是數(shù)據(jù)上傳。（5）機(jī)動性低普遍應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)，屬于靜止在安置點(diǎn)收集環(huán)境信息，因而其機(jī)動性較低。（6）傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，密度高傳感器節(jié)點(diǎn)通過大量安置在一定范圍內(nèi)，使得單位面積內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)量和密度上比較多。這樣形成的網(wǎng)絡(luò)，在遇到個別傳感器節(jié)點(diǎn)失效的情況下，由于存在冗余，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以得到修復(fù)。（7）網(wǎng)絡(luò)的自組織性和動態(tài)性由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是通過空投或隨機(jī)拋灑的方式安置在各種地形，

21、對此，隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)就要具備自我拓?fù)浣M織的功能，已形成完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時，伴隨著個別傳感器節(jié)點(diǎn)的失效或受到外界環(huán)境因素而打破原有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)將通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)而動態(tài)的改變原有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)3.3.1分簇算法與結(jié)構(gòu)研究分簇算法的主要目的就是為了更有效率的控制整個傳感器網(wǎng)絡(luò)，是傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗更加平衡，以延長整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時間。其次，通過簇首與節(jié)點(diǎn)之間的算法控制，可以降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳遞的效率。1、LEACH 算法LEACH 算法是最早提出應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇算法，它的核心思想是整個網(wǎng)絡(luò)分成多

22、個簇，每個簇的簇頭隨機(jī)產(chǎn)生，整個網(wǎng)絡(luò)周期性地每隔一段時間作為一輪，進(jìn)行簇頭的變更。LEACH 算法通過簇頭輪換的方式避免了簇頭的能量過度消耗，通過數(shù)據(jù)融合的方式減少了通信量，可以有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH 算法也有顯著的弱點(diǎn)：LEACH 需要每個節(jié)點(diǎn)都能與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，因此不適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的應(yīng)用；選擇產(chǎn)生的簇頭隨機(jī)，有可能出現(xiàn)分布不均勻的極端現(xiàn)象；不適合節(jié)點(diǎn)能量非常不均衡的網(wǎng)絡(luò)。2、HEED 算法HEED 算法是對 LEACH 算法的改進(jìn)算法，在 LEACH 算法的基礎(chǔ)上引入了對節(jié)點(diǎn)剩余能量這一參數(shù)的考慮。3、基于地理位置的分簇算法GAF 算法是一種按照地理位置分簇的算法。該算法的

23、前提條件是每個節(jié)點(diǎn)的地理位置都是已知的，節(jié)點(diǎn)可以通過 GPS或其它定位方法確定各自的位置。整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干個單元格，每個單元格組成一個簇，每個簇的節(jié)點(diǎn)輪流當(dāng)選為簇頭。傳感器節(jié)點(diǎn)具有三種狀態(tài)：發(fā)現(xiàn)狀態(tài)、活躍狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)地理位置知道自己所在的簇。該算法適用于節(jié)點(diǎn)分布比較均勻的網(wǎng)絡(luò)，通過關(guān)閉睡眠節(jié)點(diǎn)的偵聽功能可以更進(jìn)一步節(jié)省能量。算法的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布不均勻或十分稀疏時，簇的分布也會不均勻，導(dǎo)致分簇效率降低；而且該算法需要鄰近的節(jié)點(diǎn)保持通信可達(dá)的狀態(tài)，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中未必能夠得到保證；當(dāng)節(jié)點(diǎn)的通信距離比較短時，每個簇的單元格會被劃得很小，整個網(wǎng)絡(luò)的簇數(shù)量增加，分簇的效用也就不高。無

24、線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)分簇算法也稱聚類算法，,簇成員節(jié)點(diǎn)集群類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)協(xié)助溝通。聚類算法的一個主要的研究目標(biāo)是如何在一個有效的管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效均衡節(jié)點(diǎn)能耗,基于動態(tài)調(diào)整路徑和參數(shù),以達(dá)到有效地利用能源,延長整個網(wǎng)絡(luò)的工作時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)可以是單級的，也可以是多級的，如圖 3-4 所示。在單級分簇結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個簇頭，簇頭下聯(lián)各自的簇成員節(jié)點(diǎn)。在多級分簇結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個第一級簇頭，第一級簇頭下聯(lián)各個第二級簇頭，第 N-1 級簇頭下聯(lián)第 N 級簇頭，其中各級簇頭還要下聯(lián)屬于該簇的簇成員節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn) 簇頭 普通節(jié)點(diǎn) （a）

25、單級分簇結(jié)構(gòu) （b）多級分簇結(jié)構(gòu)圖3-4 分簇結(jié)構(gòu)(2-1)在簇的內(nèi)部，也可以采用不同的結(jié)構(gòu)。圖 3-4 所示的簇結(jié)構(gòu)，其簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離簇頭只有一跳的距離，成為簇內(nèi)單跳結(jié)構(gòu)。圖 3-5 所示的簇結(jié)構(gòu)中，簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)距離簇頭可以大于一跳的距離，形成了簇內(nèi)多跳結(jié)構(gòu)。簇內(nèi)多跳的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展單個簇的覆蓋范圍，但是簇內(nèi)的通信將比簇內(nèi)單跳結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。匯聚節(jié)點(diǎn) 簇頭 普通節(jié)點(diǎn)圖2-5 簇內(nèi)多跳結(jié)構(gòu)(2-2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于其網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的分布而呈現(xiàn)多種類型。最常見的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域形態(tài)是矩形、圓形或相類似的塊狀區(qū)域形狀，如圖 3-4 所示，匯聚節(jié)點(diǎn)可以位于區(qū)域內(nèi)，也可以位于區(qū)域以外。大部分常見的分簇算法都可以

26、適用于這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在一些特殊的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域可能會呈現(xiàn)特殊的一些形狀，網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)也需要相應(yīng)適配。長條形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常適用于果園、蔬菜大棚等應(yīng)用場景。在此類網(wǎng)絡(luò)中，如果匯聚節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)，或者接近區(qū)域范圍，可以采用鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3-6 所示。這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的傳感器節(jié)點(diǎn)因承擔(dān)更高的負(fù)載，而容易提前耗盡能量。如需解決這一矛盾，可采用扇形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。匯聚節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)圖 3-6 長條區(qū)域的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2-3)匯聚節(jié)點(diǎn)位于長條區(qū)域的邊緣以外較遠(yuǎn)處，在這種情況下可以采用扇形分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從匯聚節(jié)點(diǎn)向外輻射而形成多個扇區(qū)，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感

27、器節(jié)點(diǎn)之間的角度不同，而形成扇形的簇結(jié)構(gòu)，如圖 3-7 所示。匯聚節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)圖 3-7 長條區(qū)域的扇形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2-4)十字形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常用于果園、管道等應(yīng)用。如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域內(nèi)或接近區(qū)域內(nèi)，可放在十字形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的中央，這時候網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可按照圖3-4 所示。如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域外較遠(yuǎn)處，十字形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看作兩個 L 形網(wǎng)絡(luò)的疊加，通過雙匯聚節(jié)點(diǎn)的方式形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。對?L 形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域外，可通圖 3-8 所示的方式放置匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣能采用較小的能量代價覆蓋整個區(qū)域。匯聚節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)圖3-8形區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2-5L)3.3.2 MAC協(xié)議媒體訪問

28、控制(MAC)層協(xié)議在物理層,主要是通過分配的節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中的資源。近年來學(xué)術(shù)界的研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的MAC層協(xié)議提出了幾個文件,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,該應(yīng)用側(cè)重于不同的網(wǎng)絡(luò)性能,從而映射到往往會有不同的側(cè)重于MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)(1)基于競爭的MAC協(xié)議采用根據(jù)需要占用通道(2)調(diào)度基于MAC協(xié)議的基本思想是:用一個調(diào)度算法分配通道節(jié)點(diǎn),使之沒有沖突在一個節(jié)點(diǎn)在一個給定的通道訪問通道。(3)混合MAC協(xié)議通過使用頻分復(fù)用FDMA、碼分復(fù)用CDMA。3.3.2.1基于競爭的MAC協(xié)議基于競爭的 MAC 協(xié)議的基本思想是，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，主動搶占無線信道；當(dāng)與

29、其通信范圍內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，也會主動搶占無線信道。MAC 協(xié)議就是建立一種機(jī)制，確保任一時刻在通信范圍內(nèi)最多只能有一個節(jié)點(diǎn)獲得無線信道的使用權(quán)。基于競爭的 MAC 協(xié)議能較好滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化，能很好適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，不需要?fù)雜的時間同步或集中控制調(diào)度算法。但是這類協(xié)議的缺點(diǎn)是需要持續(xù)監(jiān)聽信道，使得節(jié)點(diǎn)空閑時間也有較大的能量消耗。S-MAC 協(xié)議是在 IEEE 802.11 MAC 協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議。S-MAC 采用類似于 IEEE 802.11 MAC 協(xié)議的載波偵聽機(jī)制以及 RTS/CTS/DATA/ACK 機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)。此外 S-M

30、AC 還采用了休眠機(jī)制、休眠調(diào)度表同步、消息傳遞和物理與虛擬載波偵聽等技術(shù)來降低能耗。它將每一個時間幀分為工作階段和休眠階段，在休眠階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入工作階段后集中發(fā)送數(shù)據(jù)。S-MAC 具有有效節(jié)能、擴(kuò)展性和沖突避免等幾大優(yōu)點(diǎn)。但是，S-MAC 的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)裝置處于休眠狀態(tài)下時，若有事件被觸發(fā)而需要發(fā)送信息，則必須按照休眠調(diào)度表的規(guī)定，等待節(jié)點(diǎn)被喚醒以后才能發(fā)送，從而增加了通信時延；此外，每個節(jié)點(diǎn)的休眠時間是相同的，低能量節(jié)點(diǎn)無法獲得更多的休眠機(jī)會。T-MAC 協(xié)議針對 S-MAC 的弱點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，在 S-MAC 基礎(chǔ)上引入了適應(yīng)性占空比，以適應(yīng)不同時間和位置上

31、的負(fù)載變化。T-MAC 協(xié)議通過占空比的動態(tài)選擇，來減少閑時監(jiān)聽的能量浪費(fèi)，并保持合理的吞吐量。T-MAC 協(xié)議定義了 5 種激活事件和一個計(jì)時器，如果在計(jì)時內(nèi)沒有偵聽到其中任意一種激活事件，則認(rèn)為信道空閑，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻模塊而進(jìn)入睡眠狀態(tài)。T-MAC 協(xié)議采用了未來請求發(fā)送（FRTS）和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種解決方案，減少了早睡問題的發(fā)生可能性，但在網(wǎng)絡(luò)流量比較大時增加了沖突的可能性。Sift 協(xié)議是一種基于事件驅(qū)動的 MAC 協(xié)議，充分考慮了事件的相關(guān)特性進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)。該協(xié)議適合于分簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，簇頭擔(dān)當(dāng)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)的活動狀態(tài)節(jié)點(diǎn)角色，簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)消息給簇頭，通過簇頭的能量消耗換來消息傳輸延

32、遲的縮短。3.3.2.2基于調(diào)度的 MAC 協(xié)議基于調(diào)度的 MAC 協(xié)議通常采用 TDMA、FDMA、CDMA 等信道訪問模式，其中 TDMA 模式最為常用?；谡{(diào)度的 MAC 協(xié)議不會帶來因競爭而造成的沖突以及控制開銷的增加，協(xié)議實(shí)現(xiàn)方便，信道分配不會帶來沖突。但是這類協(xié)議很難動態(tài)改變幀的長度以及時隙、頻率等的分配，并且難以動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化以及節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化。EATB MAC 協(xié)議（Energy-Aware TDMA-Based MAC 協(xié)議）適用于分簇網(wǎng)絡(luò)，它將時間幀分成周期性的四個階段：數(shù)據(jù)發(fā)送階段、更新階段、更新引起的重組階段以及事件觸發(fā)的重組階段。在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，各簇

33、成員節(jié)點(diǎn)通過各自分配到的時隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，其中非活躍節(jié)點(diǎn)保持睡眠狀態(tài)；在更新階段，各簇成員節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送狀態(tài)信息；在更新引起的重組階段，簇頭根據(jù)更新階段所獲得的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，向簇成員節(jié)點(diǎn)重新分配時隙；在事件觸發(fā)的重組階段，簇頭根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蚬?jié)點(diǎn)能量低于門限值等特定事件而觸發(fā)的簇內(nèi)時隙重新分配。TRAMA 協(xié)議是一種流量自適應(yīng)介質(zhì)接入?yún)f(xié)議，通過預(yù)定的時隙機(jī)制限制碰撞并減少總能耗，從而可以提高 TDMA 機(jī)制的利用率。協(xié)議將時間劃分為連續(xù)時隙，根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居信息來選擇每個時隙的無沖突收發(fā)者，并避免把時隙劃分給沒有流量的節(jié)點(diǎn)，從而通過分布式協(xié)商的方式保證節(jié)點(diǎn)無沖突發(fā)送數(shù)據(jù)，減少了控制開

34、銷。DMAC 協(xié)議采用了擺動喚醒機(jī)制來協(xié)調(diào)解決數(shù)據(jù)匯聚樹的工作周期，使發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時間和接收節(jié)點(diǎn)的接收時間得到很好的協(xié)調(diào)一致，使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不會產(chǎn)生中斷。PEDAMACS 協(xié)議針對具有訪問點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)尋找網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒕S持節(jié)點(diǎn)同步，執(zhí)行 TDMA 傳輸時間安排。一些協(xié)議采用了 FDMA 或 CDMA 與 TDMA 相結(jié)合的方法，增強(qiáng)了協(xié)議的擴(kuò)展性。例如 LEACH 分簇算法所使用的 MAC 協(xié)議，對各個不同的簇分配不同的CDMA 編碼，而每個簇內(nèi)則通過給每個節(jié)點(diǎn)分配不同時隙的方式建立 TDMA 定時。當(dāng)然，采用這種方式需要傳感器節(jié)點(diǎn)具備編碼和解碼的能力，對傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和處理能力提出了一定的要求

35、。C-MAC在 LEACH 算法的 MAC 協(xié)議基礎(chǔ)上，為每個時隙分配了超時時間，以減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽，提升能量效率。SMACS/EAR 協(xié)議結(jié)合了 TDMA 和 FDMA 基于固定信道分配的時隙機(jī)制。在空閑階段，傳感器節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無線收發(fā)裝置以節(jié)省能量。節(jié)點(diǎn)開啟后進(jìn)入鄰居發(fā)現(xiàn)階段并開始監(jiān)聽，當(dāng)收到其它節(jié)點(diǎn)的廣播包則返回包進(jìn)行連接建立。連接建立時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)之間選擇一個空閑頻率以及 TDMA 幀的空閑時隙進(jìn)行信道的建立。3.3.2.3混合式MAC 協(xié)議Z-MAC是一種混合型的 MAC 協(xié)議，它采用 CSMA 機(jī)制為基礎(chǔ)，在競爭加劇時使用 TDMA 機(jī)制來解決信道沖突問題。Z-MAC 引入了時間

36、幀的概念，每個幀分為多個時隙。網(wǎng)絡(luò)布置時通過 DRAND 算法進(jìn)行時隙分配，此后每個節(jié)點(diǎn)擁有各自的時隙。節(jié)點(diǎn)在某個時隙需要發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要先偵聽信道的狀態(tài)，時隙所有者節(jié)點(diǎn)通過獲得較小的時間窗口而在該時隙擁有發(fā)送優(yōu)先級，當(dāng)時隙所有者不使用時隙時，該時隙可以被其它節(jié)點(diǎn)使用，由此提升了信道利用率。AMAC 協(xié)議基于分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用與 LEACH 相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簇成員節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身的狀態(tài)向簇頭提出時隙申請，簇頭根據(jù)時隙申請進(jìn)行仲裁，然后及時調(diào)整時間幀的長度以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?3.3.3數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)能耗中，無線通信所造成的能耗占據(jù)最主要比重。相比之下，傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行計(jì)算操

37、作時所消耗的能量，要比無線通信能量要小得多。分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，因此采用適合的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對多個傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以節(jié)省各個傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提升信息的準(zhǔn)確度，并提高整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的效率。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量布放到監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的，為了達(dá)到精確監(jiān)測的目的，在大多數(shù)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的布放有一定的冗余，節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測區(qū)域都有交叉甚至重疊，相鄰的節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)有相似性、相關(guān)性甚至有時候有可能相同。數(shù)據(jù)融合就是節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，對所采集到或從從其它節(jié)點(diǎn)處發(fā)來的信息進(jìn)行預(yù)處理，以去除冗余信息，降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的比特數(shù)，從而提升信息傳送的效

38、率。分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及應(yīng)用需求，合理選擇數(shù)據(jù)融合算法。3.3.3.1根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理層次分類根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理的層次，可分為集中式融合和分布式融合。1、集中式融合的方法是由若干個源節(jié)點(diǎn)直接傳送所收集的監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，之后，匯聚節(jié)點(diǎn)在對匯總的來自各個源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)融合過程中的信息量保持的比較完整。但缺點(diǎn)是由于源節(jié)點(diǎn)的分布存在相鄰或同一監(jiān)測環(huán)境下的情況，所收集的數(shù)據(jù)存在較大相似性，這就給匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合帶來較大冗余，降低了數(shù)據(jù)融合的效率。對于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不適用。2、分布式融合方式與集中式不同，經(jīng)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)每經(jīng)過一個無線傳感器

39、節(jié)點(diǎn)時，數(shù)據(jù)就被檢查一次，并去除掉冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)過打包，再傳送至下一結(jié)點(diǎn)。這種數(shù)據(jù)在傳送過程中的融合方式分擔(dān)了匯聚節(jié)點(diǎn)的融合能耗，使整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗降低，提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。3.3.3.2根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)信息量變化分類根據(jù)數(shù)據(jù)融合后內(nèi)容的長度變化，將融合分為無損融合與有損融合1、無損融合的方式，保留了除冗余數(shù)據(jù)外的所有數(shù)據(jù)內(nèi)容，具有較高的數(shù)據(jù)完整性。2、有損融合在進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理時，對于用戶不需要的環(huán)境收集數(shù)據(jù)則給予刪除，與源節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)相比，有損融合后的數(shù)據(jù)量大幅減少，在一定程度上減少了網(wǎng)絡(luò)通信量。3.3.3.3根據(jù)信息抽象層次分類根據(jù)信息抽象層次，可分為數(shù)據(jù)集融合、特征級融合

40、、決策級融合。1、數(shù)據(jù)集融合是在數(shù)據(jù)處于最底層時就對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，處于采集層的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析融合后再進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈。2、特征級融合是通過對數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行提取來進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合與分析。3、決策級融合是對不同無線傳感器節(jié)點(diǎn)所收集的信息進(jìn)行分析和判斷，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。4基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的果園,運(yùn)用無線傳感器節(jié)點(diǎn)收集環(huán)境數(shù)據(jù) ,通過分析和響應(yīng)的信息采取措施進(jìn)一步提高果園的數(shù)據(jù)收集能力。通常利用傳感器節(jié)點(diǎn)安置在待監(jiān)測區(qū)域,傳感器節(jié)點(diǎn)開始工作后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到采集節(jié)點(diǎn),收集節(jié)點(diǎn)被用來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心。根據(jù)果園的特點(diǎn)，首先通過設(shè)計(jì)一種適合于果園環(huán)境的數(shù)據(jù)

41、幀，進(jìn)而設(shè)計(jì)了兩種適用于這一應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別適用于兩種不同地形特征的果園，最后對于應(yīng)用HEED算法于果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了理論論證。4.1數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)根據(jù)果園的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)通常被安置在一個較大范圍內(nèi)的監(jiān)測區(qū)域，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模通常比較大，各個傳感器節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)采集，再傳送數(shù)據(jù)之匯聚節(jié)點(diǎn)，此時的冗余數(shù)據(jù)較多，而對于數(shù)據(jù)的載體，數(shù)據(jù)幀，普通的數(shù)據(jù)幀已無法滿足這種大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳遞，以下通過改進(jìn)數(shù)據(jù)幀格式來實(shí)現(xiàn)對果園數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)。普通數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)部分組成，如圖 4-1。圖4-1 普通數(shù)據(jù)幀格式(2-6)改進(jìn)后的數(shù)據(jù)幀成為數(shù)據(jù)融合幀，其數(shù)據(jù)部分經(jīng)過多重劃分可以

42、承載更多的非冗余數(shù)據(jù),如圖4-2。圖 4-2 改進(jìn)后的數(shù)據(jù)幀格式4.2非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)果園生態(tài)環(huán)境較為特殊的一點(diǎn)，在于其園中果樹的種植有一定的規(guī)律，因而可以通過對果園區(qū)域的具體劃分形成分類監(jiān)測區(qū)域，而在每一個監(jiān)測區(qū)域之中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過有規(guī)則的不放來實(shí)現(xiàn)對果園整體的監(jiān)控，從而對冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生也起到了限制。在離匯聚節(jié)點(diǎn)較盡的監(jiān)測區(qū)域，其傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)該比較多，而離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測區(qū)域，其中的黃按期節(jié)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)控制在少量，從而，各個監(jiān)測區(qū)域根據(jù)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離形成一種類似等差數(shù)列的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量安置。 從整體來看，整個園區(qū)的的傳感器節(jié)點(diǎn)分布形成一種類似矩陣的點(diǎn)陣,如圖4-3，

43、通過對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的控制，從而降低了數(shù)據(jù)在傳遞過程中出現(xiàn)冗余的情況，兩一方面，由于果園生態(tài)環(huán)境是一種可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境，其要求的傳感器節(jié)點(diǎn)工作時間較高，因此這種排列方式，在數(shù)據(jù)能耗上比較平衡，各個節(jié)點(diǎn)所分擔(dān)的數(shù)據(jù)量差別不大，所以有助于提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時限。匯聚節(jié)點(diǎn)圖 4-3 分區(qū)域的監(jiān)測模型根據(jù)以上布放規(guī)則，形成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在圖 4-4 的示例中，以監(jiān)測區(qū)域1-1,2-1,3-1為例，距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)端的監(jiān)測區(qū)域 3-1布放一個傳感器節(jié)點(diǎn) A，該節(jié)點(diǎn)獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)后生成數(shù)據(jù)幀，并轉(zhuǎn)發(fā)至傳感器節(jié)點(diǎn) B，傳感器節(jié)點(diǎn) B 將所監(jiān)測數(shù)據(jù)放入該數(shù)據(jù)幀中的一個數(shù)據(jù)1，再傳送給監(jiān)測區(qū)域 2-1

44、 的節(jié)點(diǎn) C，由此繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)。同樣地，監(jiān)測區(qū)域 2-1 的傳感器節(jié)點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn) C 和節(jié)點(diǎn) E距離較遠(yuǎn)，為節(jié)約能量，提高數(shù)據(jù)傳送效率，以節(jié)點(diǎn)E為起始點(diǎn)生成數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)F，節(jié)點(diǎn)F將所監(jiān)測數(shù)據(jù)幀中的一個數(shù)據(jù)1，在傳送給區(qū)域1-1的節(jié)點(diǎn)G，節(jié)點(diǎn)G同理與數(shù)據(jù)幀結(jié)合生成成數(shù)據(jù)2，再次轉(zhuǎn)發(fā)，直至將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)。 圖 4-4 非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)4.3山地果園分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了矩形的園地，在果園中經(jīng)常遇到帶有拐角和不規(guī)則邊界的園地情形，而且由于拐角或轉(zhuǎn)角的邊界情況復(fù)雜，無法將匯聚節(jié)點(diǎn)布置在靠近拐角或轉(zhuǎn)角的中心處。此時，仍然采用線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來應(yīng)對較遠(yuǎn)距離的匯聚節(jié)點(diǎn)放置，將導(dǎo)致靠

45、近匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)能耗加大，過早耗盡能量。扇形分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很好地適應(yīng)這一網(wǎng)絡(luò)狀況。與非均勻節(jié)點(diǎn)布放的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，將 L 形網(wǎng)絡(luò)劃分為多個監(jiān)測區(qū)域，如圖 4-5 所示。由于匯聚節(jié)點(diǎn)距離園地有一定的距離，因此在距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的監(jiān)測區(qū)域，適當(dāng)布放冗余的傳感器節(jié)點(diǎn)，以更好地實(shí)施對簇頭的負(fù)載分擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)中每個監(jiān)測區(qū)域選擇一個當(dāng)前剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，在其余節(jié)點(diǎn)中選擇一個節(jié)點(diǎn)生成承載信息的數(shù)據(jù)幀，每個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的其余非冗余節(jié)點(diǎn)，則負(fù)責(zé)采集本地數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。圖 4-5 顯示了 L 形網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分模型。圖 4-5 L形網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分根據(jù)以上布放規(guī)則，形成網(wǎng)絡(luò)的扇形分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

46、。匯聚節(jié)點(diǎn)作為扇形的頂點(diǎn)，與每個監(jiān)測區(qū)域形成一個扇形的邏輯分簇。在圖 4-6 的示例中，監(jiān)測區(qū)域 1的傳感器節(jié)點(diǎn) A 獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)后生成信息承載幀，并轉(zhuǎn)發(fā)至傳感器節(jié)點(diǎn) B，傳感器節(jié)點(diǎn) B 將所監(jiān)測數(shù)據(jù)放入該信息承載幀中的一個信息負(fù)載，再傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，此時傳感器節(jié)點(diǎn) B 擔(dān)當(dāng)了簇頭的角色。監(jiān)測區(qū)域 3 距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，其中布放的冗余節(jié)點(diǎn)起到了動態(tài)輪流承擔(dān)職責(zé)的作用，在不承擔(dān)職責(zé)時休眠。圖 4-6 扇形分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.4擬采用分簇算法構(gòu)思針對果園生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，本文提出引用HEED層次型拓?fù)淇刂扑惴▉砼浜弦陨蟽煞N果園分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。理由如下：1、考慮到果園生態(tài)環(huán)境屬于可持續(xù)發(fā)展環(huán)境，為最大延長對果園環(huán)境的監(jiān)控，應(yīng)最優(yōu)先考慮可控監(jiān)測期限，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期，而衡量生命周期的一項(xiàng)重要指標(biāo)則是傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗程度。HEED算法首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量來概率性的選擇一些候選節(jié)點(diǎn)，以簇內(nèi)通信代價的高低來競爭產(chǎn)生最終簇首，以簇內(nèi)平均可達(dá)能量作為衡量簇內(nèi)通信成本的標(biāo)準(zhǔn)。2、山地果園所處地形復(fù)雜，采用輪換簇首式的LEACH算法在面對突發(fā)狀況時例如節(jié)點(diǎn)續(xù)斷,若該節(jié)點(diǎn)恰好作為簇首，則大大影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集。HE