第1章 引 言

1.1 課題研究背景和意義
近年來，由于我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)和住宅用地急劇增加，導(dǎo)致可耕地面積大大減少，因此如何在有限的耕地上，借助現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技手段提高農(nóng)田的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益與環(huán)境效益已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要解決的首要問題[1,2]。目前，以現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)融合為特點的信息農(nóng)業(yè)技術(shù)成為解決以上問題的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。其核心是利用信息技術(shù)精確、及時地獲取每一小塊地中土壤、環(huán)境與作物的信息，找出作物的長勢和產(chǎn)量存在差異的原因，并提出相應(yīng)的解決方法，針對性的進(jìn)行灌溉、施肥、噴藥等，以達(dá)到最大限度地提高土地利用效率，增加產(chǎn)量，減少環(huán)境污染，促進(jìn)土地集約利用的目的[3,4]。如何低成本、低功耗地準(zhǔn)確獲取影響農(nóng)作物生長的各種信息是信息農(nóng)業(yè)有效實施的一項關(guān)鍵技術(shù)。精細(xì)農(nóng)業(yè)的主要目標(biāo)是獲取影響農(nóng)作物生長的各種因素，這些因素通常包括如下幾個方面：作物環(huán)境的溫濕度、土壤含水量和酸堿度、風(fēng)速風(fēng)向、植物葉片綠葉素濃度等。由于這些信息通常具有空間和時間差異性的特點，因此精細(xì)農(nóng)業(yè)需要海量的數(shù)據(jù)支持，對以上信息要分類對待，精確調(diào)控，也就是“處方農(nóng)作”[5,6]。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)大棚信息監(jiān)測系統(tǒng)可以為農(nóng)作物的精準(zhǔn)管理提供必要的信息。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,WSN）通過散布在監(jiān)測區(qū)域中的數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點采集和處理感知對象的信息，并通過多跳的方式發(fā)送給接收端。它是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的自組織無線通信系統(tǒng)[7,8]。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上內(nèi)置的傳感器部件，這些節(jié)點可以采集監(jiān)測任務(wù)所需的物理量，諸如溫度、濕度、噪聲、光強度、危險化合物的濃度、含氧量、壓力、移動物體的速度方向等數(shù)據(jù)，然后通過節(jié)點上的天線將采集的數(shù)據(jù)以電磁波的形式發(fā)送至目的節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)領(lǐng)域和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個全新的研究分支[9]。它是一項系統(tǒng)性的工程，對影響其性能的關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、能量管理、數(shù)據(jù)融合、擴展性、健壯性等的研究是該領(lǐng)域研究人員的重大挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是多種現(xiàn)代前沿技術(shù)融合下的產(chǎn)物，它就像是一臺制作精密的機器人，嵌入式技術(shù)作為它的身軀，傳感器技術(shù)作為它的機械臂，計算機技術(shù)作為它的控制器，無線智能感知技術(shù)作為它的探測捕捉機構(gòu)。而正是這些優(yōu)勢技術(shù)的快速普及與應(yīng)用，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，受到各國政府的重視。世界各大知名科技機構(gòu)和媒體，如美國商業(yè)周刊和 TNW 等都將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)評為21 世紀(jì)三大高科技產(chǎn)業(yè)之一[10]。

1.2 國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著其涉及到的相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展而逐漸興起，其應(yīng)用范圍也越來越廣，最開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，而現(xiàn)在工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全都有較深地涉及。世界各國看到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)的技術(shù)和廣泛的應(yīng)用前景而在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。國外很早就開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，美國加州大學(xué)洛杉磯分校是最早開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的美國高校，早在 1994 年的“LWIM(Low Power Wireless IntegratedMicrosensors)”研究計劃中，他們就評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有不可估量的應(yīng)用價值和良好的發(fā)展前景。在 2003 年，美國自然科學(xué)基金委員會也不甘落后，先后投資了 3000 多萬美元來支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論基礎(chǔ)的研究。與此同時，美國很多著名高校，例如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、普林斯頓大學(xué)、康奈爾大學(xué)等大學(xué)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究中也取得了較大進(jìn)展。同時，一些國際知名公司和企業(yè)也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，比如 NI 公司專門設(shè)立了智能家居事業(yè)部，開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能家居上的研究；于 2001 年 8 月成立的 ZigBee 聯(lián)盟制定和設(shè)計了基于 IEEE 802.15.4 通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議規(guī)范，即推出了 ZigBee 協(xié)議規(guī)范；國際著名的芯片制造商 TI 推出了基于 IEEE 802.15.4 協(xié)議的 ZigBee 協(xié)議棧——Zstack 協(xié)議棧，該協(xié)議棧由于其易于開發(fā)、硬件支持率高的特性成為最成功、應(yīng)用最廣泛的 WSN 協(xié)議棧；Chipcon 公司也推出了 CC2430 和 CC2530 等無線收發(fā)芯片，在 WSN 硬件市場具有極高的市場占有率。

東北大學(xué)的朱劍等人以 MiacZ 傳感器節(jié)點為實驗平臺，選擇鏈路質(zhì)量指示（Link Quality Indicate,LQI）作為鏈路質(zhì)量量度，提出了一個基于高斯正態(tài)分布的鏈路評估模型，該評估模型能夠通過接收節(jié)點的 LQI 值，推斷出收發(fā)節(jié)點間的鏈路質(zhì)量狀況；而東北大學(xué)的孫佩剛等人在朱劍等人的基礎(chǔ)上，提出以均值 RSSI（Received Signal Strength Indicator）和均值 LQI 作為鏈路質(zhì)量量度，以 CC2420無線傳感器節(jié)點為實驗平臺，以對數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型為基礎(chǔ)結(jié)合接收機誤碼率（bit error ration,BER）公式，推導(dǎo)出包接收率與通信距離的關(guān)系，并通過進(jìn)行現(xiàn)場采樣和數(shù)據(jù)分析，驗證了模型并修正了模型的某些參數(shù)；最后，東北大學(xué)的朱思遠(yuǎn)等人在孫佩剛的基礎(chǔ)上，提出了一種基于混合路由量度 IETX 的路由協(xié)議，實現(xiàn)對鏈路狀況的動態(tài)監(jiān)測，從而動態(tài)地選擇最佳路由路徑[14,15,16]。南昌航空大學(xué)的段磊等人將鏈路分為穩(wěn)定鏈路和非穩(wěn)定鏈路，結(jié)合 RSSI 值，提出了一種自適應(yīng)鏈路質(zhì)量評估機制（Adaptive Link Quality Estimation,ALQE），ALQE 采用指數(shù)加權(quán)移動平均（Exponentially Weighted Moving Average,EWMA）評估器作為基本評估框架，針對不同類型的鏈路采用不同的權(quán)值，來適應(yīng)鏈路狀態(tài)的變化，提高評估性能[17,18]。吉林大學(xué)的馬見雄等人以 MicaZ 節(jié)點為實驗平臺，提出了基于指數(shù)加權(quán)移動平均（EWMA）算法的鏈路質(zhì)量評估器，并通過一系列開發(fā)軟件實現(xiàn)了這一評估器，設(shè)計出了可視化系統(tǒng)，最后通過這一軟件系統(tǒng)驗證了上述算法[19]。湖南師范大學(xué)的張凱等人提出了一種基于最優(yōu)鄰居節(jié)點的可變功率控制算法（The variable power control algorithm,VPCA），通過算法描述及實驗仿真，驗證了 VPCA 算法的可行性和自適應(yīng)性，并且將 ADOV-VPCA 算法與 AODV-fixed算法比較，證明 VPCA 算法能簡化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，較好地改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量狀況，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性。

第2章 基于 ZigBee 的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧
2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳感器節(jié)點（Sensor Node）、匯聚節(jié)點（SinkNode）、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（Internet 或衛(wèi)星）以及用戶管理節(jié)點（Manage Node）4個部分組成。其中，傳感器節(jié)點感知監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的物理信息，，隨后將采集到的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)焦芾砉?jié)點；當(dāng)匯聚節(jié)點離管理節(jié)點距離較遠(yuǎn)時，采集的數(shù)據(jù)可通過互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等途徑傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)云服務(wù)端，終端用戶可通過固定客戶端或者移動客戶端訪問云端服務(wù)器，獲取感知信息[21]。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖 2.1 所示。

如上圖所示，ZigBee 協(xié)議棧中物理層提供載波頻率信號、信號的調(diào)制和解調(diào)和無線信號的收發(fā)等功能；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體訪問和差錯校驗，為高層提供了訪問物理信道的服務(wù)接口；網(wǎng)絡(luò)層主要功能是搭建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，�?ZigBee 設(shè)備對象提供尋址和路由等功能，其中路由算法執(zhí)行效率的高低直接決定了傳感器節(jié)點選擇路由路徑傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力，是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗與生存時間的決定性因素之一，因此路由算法的優(yōu)劣是網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的核心內(nèi)容；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和實時性，提供丟包恢復(fù)和擁塞控制等功能；應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的制定、設(shè)備綁定和數(shù)據(jù)傳輸?shù)染唧w業(yè)務(wù)。
ZigBee 協(xié)議棧中規(guī)定了三種設(shè)備：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（Enddevice）。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，故每個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中都必須存在一臺協(xié)調(diào)器；路由器是中繼器，提供路由功能，作為連接遠(yuǎn)程設(shè)備之間的橋梁來進(jìn)行通信，起到拓展網(wǎng)絡(luò)通信范圍的作用，同時路由器本身也要參與到感知任務(wù)中來；終端設(shè)備的功能較為單一，只能選擇加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)中，可以收發(fā)數(shù)據(jù)，但不能轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，不具備路由功能。根據(jù)三種不同設(shè)備，ZigBee 協(xié)議棧中主要定義了三種組網(wǎng)方式：星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示[23]。

如圖 2.3 所示，星狀網(wǎng)是一個節(jié)點作為中心節(jié)點，其它節(jié)點直接與中心節(jié)點相連構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點統(tǒng)一管理，各節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)都要通過中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點，因此中心節(jié)點一旦死亡，整個網(wǎng)絡(luò)即陷于癱瘓；樹狀網(wǎng)也叫多星級網(wǎng)絡(luò)，是由多個層次的星形結(jié)構(gòu)縱向連接而成，與星形網(wǎng)絡(luò)相比，樹形網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點傳輸距離長，節(jié)點易于擴充，但是網(wǎng)絡(luò)健壯性較差，對路由節(jié)點的依賴很大；網(wǎng)狀網(wǎng)中所有節(jié)點都可作為路由器而互相通信，網(wǎng)絡(luò)健壯性很強，傳輸距離比星形網(wǎng)和樹狀網(wǎng)遠(yuǎn)得多，但網(wǎng)絡(luò)功耗最高，因為節(jié)點必須監(jiān)聽全網(wǎng)狀態(tài)。ZigBee 技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠度高、保密性好和成本低等特點。其與市場上的各種近距離無線通信技術(shù)的比較如表 2.1所示[24,25]。

2.2 農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則和需求分析
目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中在對田間作物生長參數(shù)或農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境因子的監(jiān)測，其目前的研究熱點是如何將相關(guān)技術(shù)成功、高效地應(yīng)用于實際環(huán)境中。雖然近幾年來一些高科技公司、科研組織和高校針對上述情況已經(jīng)取得了一些突破，有了幾個成功的應(yīng)用例子，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測方面的推廣和應(yīng)用還不廣泛，主要原因是農(nóng)作物的生長環(huán)境復(fù)雜多變，不同的環(huán)境因子對無線信號傳播的穩(wěn)定性和可靠性的影響程度不同。農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)需要將大棚內(nèi)植株的生長參數(shù)實時準(zhǔn)確地傳輸至監(jiān)測平臺，因此農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)總體框架的優(yōu)劣是能否實現(xiàn)實時監(jiān)測的關(guān)鍵[27,28]。農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計為進(jìn)一步的路由協(xié)議設(shè)計奠定了必不可好的環(huán)境基礎(chǔ)。
2.2.1 農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則
農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)包含了植株生長參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)處理四個部分。因此，根據(jù)上述四個部分各自的應(yīng)用特點和技術(shù)要求，在整個系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該考慮以下幾條設(shè)計準(zhǔn)則：
（1）時間連續(xù)性準(zhǔn)則
農(nóng)業(yè)大棚中植株的生長需要較長的生理周期，而植株生長過程中環(huán)境出現(xiàn)異常、自身發(fā)生病變的時間是隨機的，因此傳感器節(jié)點必須長時間的保持連續(xù)監(jiān)測狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的生存周期就是必須考慮的問題之一。
（2）可靠性準(zhǔn)則
由于農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境復(fù)雜多變，植株、地貌和節(jié)點部署等環(huán)境因子都會對監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸產(chǎn)生干擾，因此，部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)必須保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性，避免因監(jiān)測數(shù)據(jù)缺損而引起監(jiān)測人員的誤判和漏判。
（3）網(wǎng)絡(luò)健壯性準(zhǔn)則
傳感器節(jié)點連續(xù)不停的采集植株生長的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時，某些傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任路由器角色，不僅要傳輸自身采集的數(shù)據(jù)，又要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，節(jié)點能量勢必會快速耗盡直至死亡，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于時間持續(xù)性準(zhǔn)則不能陷入癱瘓，因此，需要有冗余的傳感器節(jié)點作為備用節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的健壯性要強。
（4）硬件健壯性準(zhǔn)則

根據(jù)植株的生長情況，植株的人工給養(yǎng)或者自動給養(yǎng)需要時常進(jìn)行，節(jié)點勢必會沾上營養(yǎng)液，因此傳感器節(jié)點的防水性能和密封必須良好，否則會引起節(jié)點電路短路而燒毀節(jié)點。設(shè)計節(jié)點硬件時需要遵循硬件健壯性準(zhǔn)則。

第 3 章 不同環(huán)境下無線信道傳播特性的研究...................... 19
3.1 信道模型的建立............................................... 19
3.1.1 理論模型的選擇......................................... 19
第 4 章 基于蟻群算法的改進(jìn) CTP 路由協(xié)議設(shè)計........................ 31
4.1 QOS 技術(shù)概述 .............................................. 31
4.1.1 QoS 技術(shù)的概念 ......................................... 32
4.1.2 QoS 度量參數(shù)的選擇策略 ........................... 32
4.2 ACA-CTP 路由協(xié)議中的蟻群算法控制機制 ................... 33
第 5 章 總結(jié)與展望 ............................................. 50
5.1 總結(jié)..................................................... 50

5.2 展望................................................... 51

第4章 基于蟻群算法的改進(jìn) CTP 路由協(xié)議設(shè)計

路由算法的路徑選擇機制的優(yōu)劣和執(zhí)行效率的高低將直接決定傳感器節(jié)點負(fù)載均衡程度、采集數(shù)據(jù)和收發(fā)數(shù)據(jù)的速率，從而影響整個網(wǎng)絡(luò)的能耗和時延[45,46]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至今已有很多路由協(xié)議，如 AODV 協(xié)議、LEACH 協(xié)議、Flooding協(xié)議等，但是這些協(xié)議如同 CTP 協(xié)議一樣，沒有考慮節(jié)點負(fù)載和傳輸時延[47,48]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲新酚晒?jié)點的負(fù)載過重會導(dǎo)致節(jié)點過度能耗而死亡，影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能和生命周期。同時，過載節(jié)點傳輸隊列過長，影響數(shù)據(jù)的實時傳輸[49,50]。針對上述缺點，目前國內(nèi)外已有學(xué)者對路由協(xié)議改進(jìn)優(yōu)化[51]。文獻(xiàn)[52]提出一種基于均衡匯聚樹的路由算法 LB-CTP。在該算法中，節(jié)點均衡度和規(guī)避繁忙節(jié)點接入機制被引入用來獲取網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，若網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)，則在路由更新中，LB-CTP路由算法幫助擁塞節(jié)點重新選擇父節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，分擔(dān)繁忙節(jié)點負(fù)擔(dān)，有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。文獻(xiàn)[53]提出了基于蟻群算法的路由協(xié)議并在 TinyOS 系統(tǒng)中實現(xiàn)了該算法。該協(xié)議構(gòu)建了一個多跳網(wǎng)絡(luò)并能監(jiān)測節(jié)點剩余能量，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)該協(xié)議在降低丟包率和傳輸時延、平衡節(jié)點能耗方面有巨大優(yōu)勢，能夠延長網(wǎng)絡(luò)壽命。上述路由協(xié)議只是單一地優(yōu)化節(jié)點負(fù)載，沒有同時考慮網(wǎng)絡(luò)時延和節(jié)點間鏈路質(zhì)量，應(yīng)用到實際中仍存在一些缺陷。

農(nóng)業(yè)大棚實驗現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實際拓?fù)淙鐖D 3.12 所示，圖中 24 號、8 號和 9 號節(jié)點的負(fù)載很大，能量都很快耗盡，網(wǎng)絡(luò)生存周期較短，數(shù)據(jù)包延遲、丟包和誤碼現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。因此，本文提出了一種結(jié)合改進(jìn)蟻群算法和 CTP 路由協(xié)議的新的路由 算 法 — — 蟻 群 匯 聚 樹 算 法 （ Ant Colony Algorithm Collection TreeProtocol,ACA-CTP），并在 TinyOS 系統(tǒng)中運用 NesC 語言實現(xiàn)了該算法。算法在原有 CTP 路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，將蟻群算法的控制機制加入到 CTP 路由協(xié)議中，通過調(diào)整信息素濃度、節(jié)點間鏈路質(zhì)量和數(shù)據(jù)包時間延遲三者之間的關(guān)系來指引路由包進(jìn)行路徑搜索，算法的自適應(yīng)性好，全局搜索能力和快速收斂性兩者之間較為均衡，較好的平衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸質(zhì)量。最后通過 TOSSIM 仿真比較了 CTP 路由協(xié)議、AODV 路由協(xié)議和 ACA-CTP 路由協(xié)議的性能。

4.1 QoS 技術(shù)概述

提高農(nóng)業(yè)大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時準(zhǔn)確地傳輸至監(jiān)控平臺這一目標(biāo)的關(guān)鍵正是路由協(xié)議的設(shè)計，而 ZigBee 協(xié)議棧中的AODV 路由協(xié)議并不能滿足這一要求，因此，設(shè)計一種基于 QoS 度量的路由協(xié)議是亟待解決的重點問題。

第5章 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)
本文主要研究農(nóng)業(yè)大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。分析了當(dāng)前國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，確定了本文的主要研究目標(biāo)和內(nèi)容。論文的主要工作和取得的成果如下：
（1）在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和 ZigBee 協(xié)議棧架構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定了采用 ZigBee 協(xié)議搭建農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。明確了農(nóng)業(yè)大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容及其目標(biāo)。
（2）研究了不同環(huán)境下無線信道的傳播特性。針對農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)實際性能的需要，開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集傳輸實驗平臺，并先后在樓道走廊和某農(nóng)科院農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行了實地測試。通過分析和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別建立起了基于對數(shù)距離路徑損耗模型的樓到走廊無線信號衰減模型和基于對數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型的農(nóng)業(yè)大棚無線信號衰減模型。同時，為了探尋兩種環(huán)境下數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，分別對兩個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的收包率進(jìn)行了研究，建立起了樓道走廊環(huán)境下鏈路質(zhì)量指示值 LQI 和收包率 Prr 的關(guān)系模型，該模型只需知道兩節(jié)點間的LQI 值就可以預(yù)測節(jié)點間鏈路質(zhì)量，而農(nóng)業(yè)大棚中節(jié)點間鏈路質(zhì)量普遍很高，不需多做研究。通過對兩種環(huán)境下實驗現(xiàn)場的現(xiàn)象和無線信道傳播模型的綜合分析，發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)面臨著能耗高、傳輸時延大、網(wǎng)絡(luò)生存周期短，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)整體性能不能兼得的困境。
（3）在分析 QoS 技術(shù)的基礎(chǔ)上，選定了新的 QoS 路由協(xié)議的優(yōu)化參數(shù)：鏈路質(zhì)量、傳輸時延和節(jié)點負(fù)載。列舉了 QoS 路由度量參數(shù)的選擇策略，根據(jù)這些策略以上述三個 QoS 路由約束為基礎(chǔ)構(gòu)建了新的復(fù)合 QoS 路由參數(shù)，作為滿足監(jiān)測任務(wù)需求、提高網(wǎng)絡(luò)性能的 QoS 路由協(xié)議的 QoS 度量參數(shù)。最后，通過對比幾種經(jīng)典 QoS 路由協(xié)議的特性和優(yōu)缺點，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)所需 QoS 路由協(xié)議的要求，選取 CTP 路由協(xié)議作為新協(xié)議的實現(xiàn)基礎(chǔ)。

（4）在 CTP 路由協(xié)議的基礎(chǔ)之上，結(jié)合蟻群算法，提出了一個新的 QoS 路由協(xié)議——蟻群匯聚樹路由協(xié)議 ACA-CTP。通過對蟻群算法路徑選擇概率函數(shù)的更改，將信息素濃度、鏈路質(zhì)量和傳輸時延加入到新的路徑轉(zhuǎn)移函數(shù)中，使得新的蟻群算法擁有較強的全局路徑搜索能力，較快的算法收斂速度，能夠快速找到一條符合三個 QoS 路由約束的最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸路徑。在驗證改進(jìn)蟻群算法的可行性后，將該算法的控制機制加入到 CTP 路由協(xié)議中，在 TinyOS 操作系統(tǒng)中利用 nesC 語言實現(xiàn) ACA-CTP 路由協(xié)議。通過 TOSSIM 仿真，發(fā)現(xiàn) ACA-CTP 路由協(xié)議能夠?qū)ふ业阶顑?yōu)傳輸路徑，并對比 AODV、CTP 和 ACA-CTP 路由協(xié)議的性能，結(jié)果表明 ACA-CTP路由協(xié)議能夠提高節(jié)點間鏈路質(zhì)量、減小數(shù)據(jù)傳輸時延、均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點負(fù)載。

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：35062