本文關鍵詞：農(nóng)田異構無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集方法研究

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【摘要】：農(nóng)田監(jiān)測環(huán)境是一種典型的漸變環(huán)境,具有監(jiān)測面積大、作物生長周期長、作物隨時間生長變化、農(nóng)機化作業(yè)、環(huán)境因子影響復雜多變等特點。用科技手段獲取大面積農(nóng)田環(huán)境信息,提高農(nóng)田生產(chǎn)效率,是當前精準農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。采用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)對農(nóng)田環(huán)境實時監(jiān)測,可為作物生長智能決策管理與農(nóng)資有效配置提供理論科學依據(jù),對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有現(xiàn)實意義。近年來,學術界在圍繞同構無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集方面已取得較為豐富的成果,但在異構無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集研究方面還存在一些問題。如:太陽能和電池異構傳感器節(jié)點的非均勻部署問題;太陽能受天氣影響引起的WSN路由協(xié)議不穩(wěn)定問題;地上和地下傳感器節(jié)點的異構部署引起傳輸信道及數(shù)據(jù)收集不穩(wěn)定問題。為了解決上述問題,本文將異構WSN作為研究對象,從信道建模、節(jié)點部署、路由算法和移動Sink數(shù)據(jù)收集四個層面,對農(nóng)田異構無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集方法展開系統(tǒng)深入研究。主要研究成果和創(chuàng)新如下:(1)針對農(nóng)田漸變環(huán)境無線傳播信道隨作物生長變化而產(chǎn)生動態(tài)變化問題,研究了大尺度與多尺度衰落模型與環(huán)境關聯(lián)因子優(yōu)化方法。采用大尺度對數(shù)衰落模型和多尺度統(tǒng)計分布衰落模型對實驗測量數(shù)據(jù)進行初步擬合,引入環(huán)境關聯(lián)因子如葉面積指數(shù)、葉密度指數(shù)、天線高度、遮擋高度等再次擬合,得出環(huán)境因子與傳輸信號間的大尺度和多尺度衰落模型。另外,考慮地下無線信道信號衰減嚴重問題,基于實驗數(shù)據(jù)分析建立了玉米農(nóng)田環(huán)境中的無線信號地下雙徑模型。上述模型擬合結果良好,能夠?qū)π诺纻鬏數(shù)膭討B(tài)變化進行準確描述。(2)針對農(nóng)田復雜環(huán)境無線信號多徑傳播與節(jié)點能量異構等問題,研究了一種基于路徑損耗的異構WSN節(jié)點部署方法。依據(jù)作物生長態(tài)勢約束,采用正方形分割方法進行結構化部署,根據(jù)各區(qū)域路徑損耗程度求得補充節(jié)點數(shù)量并隨機部署,采用虛擬力碰撞方法調(diào)整節(jié)點位置。在節(jié)點部署基礎上,引入太陽能節(jié)點,根據(jù)各節(jié)點位置負載選定因子,選定太陽能節(jié)點位置。同時,引入太陽能節(jié)點并根據(jù)各節(jié)點位置負載選定因子,選定太陽能節(jié)點部署位置。仿真實驗結果表明,本方法既保障了節(jié)點部署的有效覆蓋率,優(yōu)化了節(jié)點間的負載均衡性,也提高了太陽能節(jié)點的利用效率。(3)針對太陽能節(jié)點能量短期有限約束引起的聚簇路由協(xié)議穩(wěn)定性問題,提出了一種基于能量感知的異構WSN路由算法。采用模糊集合方法求解天氣關聯(lián)的太陽能節(jié)點充電能力評價因子,將該因子和節(jié)點剩余能量等其他因子作為最優(yōu)骨干節(jié)點的選擇依據(jù),采用模糊軟集合結合聚類的方法聯(lián)合優(yōu)化選舉出骨干節(jié)點集與簇頭集。在簇頭轉發(fā)基礎上,按照改進的層次路由,擴展引入骨干節(jié)點作為中繼路由。仿真實驗結果表明,本算法優(yōu)化了數(shù)據(jù)匯集路徑,能夠在復雜的天氣變化下,保證網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性,提高了太陽能節(jié)點利用效率,有效地延長了網(wǎng)絡生存期。(4)針對大規(guī)模農(nóng)田環(huán)境下,移動Sink在數(shù)據(jù)收集時的時間約束和傳輸不穩(wěn)定性問題,提出了一種基于移動Sink的異構WSN穩(wěn)定數(shù)據(jù)收集方法。在初始階段,采用正方形結構化增量部署方式,在節(jié)點部署區(qū)域內(nèi)構造出虛擬RP(匯集點),Sink節(jié)點以遍歷虛擬RP方式收集網(wǎng)絡真實節(jié)點信息;依據(jù)時間約束和骨干節(jié)點權值優(yōu)先級選舉RP,對Sink移動路徑進行優(yōu)化,通過孤立節(jié)點環(huán)境感知選擇和丟包處理機制提高數(shù)據(jù)收集穩(wěn)定性。仿真實驗結果表明,本方法優(yōu)化了Sink節(jié)點移動路徑,延長了網(wǎng)絡生存期,保障了在濕度變化條件下,地下節(jié)點數(shù)據(jù)的有效收集,降低了數(shù)據(jù)丟包率,實現(xiàn)了穩(wěn)定數(shù)據(jù)收集任務。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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