溫室群監(jiān)測傳感網(wǎng)絡模式及服務質(zhì)量框架

成維莉　毛林　徐冬寅等

摘要：為了實現(xiàn)大規(guī)模溫室群、連棟溫室自動監(jiān)測與控制，針對溫室群環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)實應用需求，對網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量標準框架進行研究，構建了可行、有效的網(wǎng)絡模式，并從服務質(zhì)量的兩大層面對網(wǎng)絡模式的用戶服務需求及服務指標進行分解。研究采用質(zhì)量功能展開方法，明確了網(wǎng)絡服務質(zhì)量框架。該網(wǎng)絡模式及服務質(zhì)量框架能有效增強整體網(wǎng)絡性能，滿足現(xiàn)實應用的服務質(zhì)量需求。

關鍵詞：溫室群；監(jiān)測傳感網(wǎng)絡；網(wǎng)絡模式；分簇；異構層次；服務質(zhì)量框架

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0405-04

收稿日期：2014-03-27

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)委員會科技攻關項目（編號：2130109）；江蘇省泰州市社會發(fā)展項目（編號：TS2013023）。

作者簡介：成維莉（1982—），女，江蘇泰興人，碩士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與信息系統(tǒng)研究。E-mail：41066741@qq.com。

通信作者：毛林，男，碩士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究。Tel：（0523）86358610；E-mail：mljsahvc@foxmail.com。無線傳感網(wǎng)絡采用無線通信、微電子、嵌入式和分布式系統(tǒng)等技術，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量部署微型多傳感器節(jié)點，自組織成多跳網(wǎng)絡，協(xié)同感知、監(jiān)測、處理覆蓋區(qū)域的感知對象信息[1]。無線傳感網(wǎng)絡是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境實時、自動及精準的監(jiān)測、管理與控制的核心與關鍵，主導著智慧農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展方向。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡具有結(jié)構簡單、功耗低、組網(wǎng)靈活、可靠性高、無基礎設施等優(yōu)點[2]，最適合溫室環(huán)境監(jiān)測與控制，現(xiàn)有的成果主要集中于單體溫室監(jiān)測的應用研究[3-10]，而溫室群或連棟溫室監(jiān)測應用的全面性需求正不斷提升。目前，溫室群監(jiān)測研究正處于起步階段[11-13]，且相關研究成果較少。

溫室群監(jiān)測傳感網(wǎng)絡的應用研究需要經(jīng)歷3個階段，即：網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量體系建立、網(wǎng)絡控制優(yōu)化與仿真、網(wǎng)絡部署與維護。特定應用場景決定了網(wǎng)絡結(jié)構的特定模式，網(wǎng)絡模式成為規(guī)定服務質(zhì)量需求的基礎條件[14]，其中網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量框架是研究的基礎、重點與核心。本研究針對溫室群環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡性能與服務質(zhì)量的現(xiàn)實應用需求，對網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量標準框架進行研究，在構建可行、有效的網(wǎng)絡模式基礎上，從服務質(zhì)量的兩大層面對用戶服務需求及網(wǎng)絡服務指標進行分解，采用質(zhì)量功能展開的方法提出適用可行的服務質(zhì)量框架。該網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量框架為優(yōu)化網(wǎng)絡控制的實施提供了前提和基礎。

1問題與困難

與單體溫室監(jiān)測相比，溫室群監(jiān)測傳感網(wǎng)絡規(guī)模更大、覆蓋范圍更廣、監(jiān)測信息種類更多、節(jié)點密度更高，網(wǎng)絡結(jié)構呈現(xiàn)分布式、異構化、多層次等復雜特征，受傳感網(wǎng)絡自身原有的資源有限、通信干擾不暢等因素制約，使得溫室群監(jiān)測傳感網(wǎng)絡的研究面臨諸多困難，這些困難主要表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)有單溫室系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構單一、可擴展性差，無法直接移植到溫室群系統(tǒng)。（2）研究過于理想化，缺乏有效性分析與可行性論證?，F(xiàn)有研究中做了最理想的假設[11]，采用固有的組網(wǎng)結(jié)構，利用強功能設備（如服務器）將多個單體溫室網(wǎng)絡連接組合成溫室群監(jiān)測網(wǎng)絡并進行仿真試驗，缺乏對網(wǎng)絡結(jié)構需求深入實際的可行性與有效性分析，而溫室群監(jiān)測網(wǎng)絡需要結(jié)構良好、可擴展性強的網(wǎng)絡支持。（3）用戶所需服務質(zhì)量難以保證。實時性、可靠性與網(wǎng)絡資源效能是無線網(wǎng)絡服務質(zhì)量的3大基本標準[15]，ZigBee傳感網(wǎng)以數(shù)據(jù)為中心，資源嚴重受限，節(jié)點的處理、存儲、通信能力有限，網(wǎng)絡中無線信道通信受噪聲干擾存在不確定性，用戶所需的業(yè)務流受到限制，服務質(zhì)量難以保證。

2服務質(zhì)量

服務質(zhì)量（QoS）是資源受限環(huán)境中盡可能獲得良好網(wǎng)絡整體性能、為用戶需求提供有關服務的一種保障機制，受到用戶高度關注[16]。服務質(zhì)量（QoS）是用戶所需業(yè)務流（監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感知信息或事件從源頭傳輸至目的地的數(shù)據(jù)流）在網(wǎng)絡傳輸整個過程中，對網(wǎng)絡服務需求的總和[17]。服務質(zhì)量體現(xiàn)網(wǎng)絡整體性能對用戶提出業(yè)務要求的支持能力。服務質(zhì)量指標是現(xiàn)實應用場景中支持服務需求而預定義的一組可測定量參數(shù)[18-19]，包括：網(wǎng)絡壽命、有效覆蓋率、連通性、吞吐量、丟包率、信號干擾、時延、負載均衡、可靠性、可擴展性等指標。服務質(zhì)量指標體系是選擇特定服務質(zhì)量指標進行組合的形式。服務質(zhì)量機制通過服務質(zhì)量指標體系，獲得指定業(yè)務流的傳輸[20]，最大程度地保證傳輸服務質(zhì)量，有效縮減受限資源開銷、優(yōu)化網(wǎng)絡整體性能，延長網(wǎng)絡生存期[19]。

無線傳感網(wǎng)應用場景復雜，服務質(zhì)量框架沒有普適、統(tǒng)一的標準，須針對特定應用場合，由用戶和網(wǎng)絡之間協(xié)商確定[14]。一般劃分為3種等級[20]：保證服務（guaranteed QoS）、區(qū)分服務（differentiated QoS）和盡力而為的服務（best effort）。對數(shù)據(jù)為中心的任務型傳感器網(wǎng)絡，各種業(yè)務之間公平競爭網(wǎng)絡資源，盡力而為的服務框架使得一些業(yè)務流被迫丟棄[15]，服務質(zhì)量需求不能得到全面的保證。

3網(wǎng)絡模式構建

3.1網(wǎng)絡結(jié)構需求

網(wǎng)絡模式是服務質(zhì)量需求的前提及服務質(zhì)量框架的基礎。溫室群監(jiān)測區(qū)域中（圖1-a），一般需部署基站（網(wǎng)關）、協(xié)調(diào)器、路由器、各類傳感器（含RF無線收發(fā)模塊）等設備完成相應任務，協(xié)調(diào)器、路由器為全功能設備（full function device，F(xiàn)FD）。ZigBee協(xié)議將其定義為4種類型的節(jié)點，即網(wǎng)關節(jié)點、匯聚節(jié)點、中繼節(jié)點、感知節(jié)點，各節(jié)點在物理形態(tài)上呈現(xiàn)隨機散布（圖1-b）。感知節(jié)點將環(huán)境信息上傳或經(jīng)中繼節(jié)點接力傳送至匯聚節(jié)點；中繼節(jié)點處理及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點是網(wǎng)絡或子網(wǎng)中唯一主控節(jié)點，將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，組建并維護網(wǎng)絡，同時壓縮、融合網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡負載；網(wǎng)關節(jié)點負責收集匯總?cè)W(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，配置、管理全網(wǎng)以及發(fā)布監(jiān)測任務。ZigBee協(xié)議可將節(jié)點組網(wǎng)成星型、簇狀、網(wǎng)狀或混合型的自組織無線網(wǎng)絡，對整個網(wǎng)絡的感知區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測與控制。endprint

溫室群呈現(xiàn)大規(guī)模分布式特點，監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)量眾多、類型各異。隨著網(wǎng)絡節(jié)點密度增大，節(jié)點類型與功能的不同，溫室群網(wǎng)絡復雜度增加。其網(wǎng)絡結(jié)構需求特征包括以下幾點[21]。

（1）異構性。溫室環(huán)境監(jiān)測應用中，氣溫、濕度、土壤水分及酸堿度、二氧化碳濃度等感知對象種類各異，要求更多的異質(zhì)傳感器節(jié)點獲取不同的信息。網(wǎng)絡節(jié)點類型、地位及分工的功能呈多樣化，節(jié)點自身資源狀況、數(shù)據(jù)通信與處理能力不同，使得組網(wǎng)結(jié)構的異構成為必須。異構型結(jié)構能剔除不必要的轉(zhuǎn)發(fā)路徑、避免冗余數(shù)據(jù)及內(nèi)爆，并降低網(wǎng)絡功耗，延長網(wǎng)絡生存期。

（2）分簇特性。溫室群監(jiān)測網(wǎng)絡中，簇成為通信骨干網(wǎng)絡，多簇樹結(jié)構能使網(wǎng)絡覆蓋范圍擴大，并且簡化多跳路由，更適合于溫室監(jiān)測系統(tǒng)。異構結(jié)構中，須對節(jié)點按類型進行分組，構成星形結(jié)構的簇（cluster），利用簇首適當控制簇的規(guī)模。1個簇中同節(jié)點類型相同，初始能量與能耗水平相當，且感知數(shù)據(jù)的相似度高，在數(shù)據(jù)融合時可提高網(wǎng)絡運作功能，大幅降低節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡生存期，并具有高適應性和魯棒性。

（3）層次性需求。分層式網(wǎng)絡是一種網(wǎng)絡拓撲控制手段，可分類組網(wǎng)或聯(lián)接孤立的節(jié)點，在節(jié)點層數(shù)擴展空間上具有較大靈活性。對每個簇限定簇中節(jié)點數(shù)目的同時，分層傳輸數(shù)據(jù)。源節(jié)點監(jiān)測有效覆蓋半徑或傳輸距離有限（理論上為10～75 m），且受環(huán)境變化、信道干擾等因素影響時，可擴展成多層結(jié)構，上層的簇首通過在簇內(nèi)增加新簇或中繼節(jié)點，來延長通信距離，擴大多溫室塊狀監(jiān)測區(qū)域的全網(wǎng)覆蓋范圍。

（4）能量有效性。溫室傳感網(wǎng)絡中，除網(wǎng)關節(jié)點（基站）不受能量限制外，其他各類均能量受限。感知節(jié)點與中繼節(jié)點由電池供電，出于節(jié)能與延長生存期，兩者無需進行數(shù)據(jù)處理，前者一般只負責采集和上傳數(shù)據(jù)，后者負責向骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。層次性結(jié)構中，以簇首為中心構成骨干網(wǎng)絡，簇首節(jié)點為骨干節(jié)點，需配備更多能量，使其數(shù)據(jù)通信和處理能力更強。匯聚節(jié)點（協(xié)調(diào)器）與骨干網(wǎng)絡進行通信，通信能耗更大、數(shù)據(jù)負載重，容易引發(fā)故障或失效，需具有更強的接收/發(fā)射功率與承載能力。匯聚節(jié)點使用外接電源供電來保障匯聚節(jié)點工作穩(wěn)定性、持續(xù)性與魯棒性。

3.2網(wǎng)絡模式設計

高服務質(zhì)量和網(wǎng)絡資源高效利用是網(wǎng)絡設計的首要目標[17]。大規(guī)模溫室群環(huán)境中，節(jié)點呈現(xiàn)異構化特點，節(jié)點按同質(zhì)分簇，以及網(wǎng)絡分層化的需要，組網(wǎng)結(jié)構隨之發(fā)生根本改觀。依據(jù)其業(yè)務需求，適應其拓撲結(jié)構變化，同時兼顧拓撲結(jié)構控制及優(yōu)化問題，在邏輯上對溫室群網(wǎng)絡進行分簇異構層次型網(wǎng)絡模型設計，構建自組織、自愈合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或重傳、易部署、覆蓋范圍可擴展的增強型結(jié)構（圖2）及信息傳輸方式（圖3）。該模型的構建過程為：（1）總體結(jié)構分4層：匯聚層、簇首層、中繼層（可擴展多層）、源節(jié)點層。（2）縱向上，單體溫室中安放1個匯聚節(jié)點（協(xié)調(diào)器），匯聚節(jié)點設備由外接電源供電，組建并維護1個子網(wǎng)，子網(wǎng)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的骨干網(wǎng)，4層結(jié)構自上而下構成多個子網(wǎng)，不同子網(wǎng)間相互獨立。（3）橫向上，匯聚層中匯聚層節(jié)點之間形成閉環(huán)結(jié)構，使不同子網(wǎng)間互相通信。（4）簇首層也為閉環(huán)結(jié)構，同一子網(wǎng)內(nèi)簇首間可進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)發(fā)至上層匯聚節(jié)點。（5）子網(wǎng)內(nèi)上下層直接通信，匯聚節(jié)點Si與各簇首節(jié)點Cij之間直接通信，子網(wǎng)可擴展為多層結(jié)構，自組織成多跳路由。

該模型的優(yōu)勢為：（1）擴大了單體溫室監(jiān)測覆蓋面積，并擴展了溫室群監(jiān)控總體覆蓋范圍。在匯聚層加入新匯聚節(jié)點能增加新溫室，能適合于各種形態(tài)的溫室群，滿足溫室群規(guī)模擴大的需要。子網(wǎng)多層結(jié)構中可增設新節(jié)點，自組織成多跳路由，能擴大子網(wǎng)通信距離。（2）保障了網(wǎng)絡連通性與數(shù)據(jù)完整性。匯聚節(jié)點以外接電源供電，使其處理數(shù)據(jù)能力更強；匯聚節(jié)點相互交換信息，當其他子網(wǎng)故障或失效時能接管失效子網(wǎng)的所有信息；子網(wǎng)中簇首節(jié)點剩余能量許可情形下，可接管其他鄰近失效簇首節(jié)點并接受其所有信息。

4網(wǎng)絡服務質(zhì)量框架

4.1服務質(zhì)量需求

無線傳感網(wǎng)絡服務質(zhì)量包含用戶層面、網(wǎng)絡層面2層含義[15]。用戶層面上，是用戶需求中得到的網(wǎng)絡服務水平，即網(wǎng)絡服務質(zhì)量滿足用戶需求的程度。網(wǎng)絡層面上，是網(wǎng)絡向用戶提供滿足其業(yè)務的服務質(zhì)量，體現(xiàn)網(wǎng)絡提供服務的容易程度及統(tǒng)一性[19]。針對上述溫室群監(jiān)測網(wǎng)絡模型進行服務質(zhì)量需求分析：

（1）用戶層面上，由用戶（可結(jié)合專家意見）提出若干符合實際業(yè)務的質(zhì)量需求，形成較全面的用戶需求服務描述。最終明確的用戶需求包含10項（表1）。

（2）網(wǎng)絡層面上，服務質(zhì)量需求的重點是明確服務質(zhì)量度量。其中，實時性、可靠性和資源效能是傳感網(wǎng)絡服務質(zhì)量機制中3個首要的度量指標[15]。同時還包含網(wǎng)絡壽命、有效覆蓋率、連通性、吞吐量、丟包率、信號干擾、時延、負載均衡等指標和可擴展性等服務要求[20]。服務質(zhì)量含10項（表2），通過向?qū)＜易稍冇蓪＜襾泶_定。

表1用戶服務質(zhì)量需求

需求項需求描述Q1（1）能對環(huán)境監(jiān)控區(qū)域全面覆蓋Q1（2）對被監(jiān)控區(qū)域發(fā)生的異常能夠?qū)崟r反饋信息Q1（3）得到的數(shù)據(jù)準確真實Q1（4）節(jié)點失效能維持整個區(qū)域的監(jiān)控Q1（5）收到來自控制者的查詢請求時反應迅速、響應快Q1（6）網(wǎng)絡工作時間長Q1（7）指派任務的命令迅速反應Q1（8）節(jié)點穩(wěn)定、工作時間長Q1（9）能增加溫室、擴大監(jiān)測范圍Q1（10）投資總成本低

表2溫室群監(jiān)測網(wǎng)絡服務質(zhì)量指標

服務質(zhì)量項服務質(zhì)量度量定義Q2（1）節(jié)點能耗Q2（2）有效覆蓋度Q2（3）實時性Q2（4）可靠性Q2（5）健壯性Q2（6）可擴展性Q2（7）連通性Q2（8）平均時延Q2（9）吞吐量Q2（10）丟包率

4.2服務質(zhì)量框架

采用QFD方法建立服務質(zhì)量框架，如圖4所示。QFD （quality function deployment） 方法[22]通過主動獲取用戶明確提出的服務質(zhì)量需求，并挖掘用戶不明確的、潛在的需求，盡可能最大化為用戶提供“積極”的質(zhì)量。通過3輪縱橫2相規(guī)劃（每個質(zhì)量屋表示1輪），最終將用戶需求轉(zhuǎn)換成明確的網(wǎng)絡服務質(zhì)量，對服務質(zhì)量指標發(fā)揮作用與程度進行需求分析，評價各項指標貢獻值，考慮各項指標之間存在相互包含或矛盾選擇關鍵性指標。endprint

5結(jié)論

網(wǎng)絡模式與服務質(zhì)量是溫室群無線傳感器網(wǎng)絡應用研究的基礎、重點與核心，是解決傳感器網(wǎng)絡多樣性、復雜性應用的重要途徑。本研究提出了溫室群環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡模式及適用可行的服務質(zhì)量框架，該框架的提出為溫室群環(huán)境監(jiān)測應用提供了有效的解決方案。利用該網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量框架，進一步進行拓撲控制優(yōu)化，能大大提高溫室群無線傳感器網(wǎng)絡性能，并滿足“區(qū)分服務”質(zhì)量需要，為下一步要開展的研究工作提供了基礎。

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5結(jié)論

網(wǎng)絡模式與服務質(zhì)量是溫室群無線傳感器網(wǎng)絡應用研究的基礎、重點與核心，是解決傳感器網(wǎng)絡多樣性、復雜性應用的重要途徑。本研究提出了溫室群環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡模式及適用可行的服務質(zhì)量框架，該框架的提出為溫室群環(huán)境監(jiān)測應用提供了有效的解決方案。利用該網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量框架，進一步進行拓撲控制優(yōu)化，能大大提高溫室群無線傳感器網(wǎng)絡性能，并滿足“區(qū)分服務”質(zhì)量需要，為下一步要開展的研究工作提供了基礎。

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5結(jié)論

網(wǎng)絡模式與服務質(zhì)量是溫室群無線傳感器網(wǎng)絡應用研究的基礎、重點與核心，是解決傳感器網(wǎng)絡多樣性、復雜性應用的重要途徑。本研究提出了溫室群環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡模式及適用可行的服務質(zhì)量框架，該框架的提出為溫室群環(huán)境監(jiān)測應用提供了有效的解決方案。利用該網(wǎng)絡模式及其服務質(zhì)量框架，進一步進行拓撲控制優(yōu)化，能大大提高溫室群無線傳感器網(wǎng)絡性能，并滿足“區(qū)分服務”質(zhì)量需要，為下一步要開展的研究工作提供了基礎。

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