一種提高基于WSN農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋率的方案

摘 要： 在基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSNs）農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感節(jié)點需周期收集環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度，并且以盡可能少的傳感節(jié)點實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的隨時監(jiān)測。為此，提出一種基于太陽能的調(diào)度節(jié)點移動的覆蓋率優(yōu)化（SPMSC）方案。在SPMSC方案中，每個移動節(jié)點能夠利用太陽板獲取能量。通過預(yù)測太陽能的數(shù)量決定節(jié)點的移動方案，實現(xiàn)以最少節(jié)點和最小的能量消耗最大化覆蓋區(qū)域。仿真結(jié)果表明，與同類方案相比，提出SPMSC方案的節(jié)點數(shù)下降了4%，網(wǎng)絡(luò)壽命提高了10%。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)； 農(nóng)業(yè)監(jiān)測； 太陽能； 覆蓋； 網(wǎng)絡(luò)壽命

中圖分類號： TN931+.3?34； TPT393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0129?06

A scheme to improve coverage rate of agriculture monitoring system based on WSN

LIU Qiang1， LI Guang 2， WANG Jun1

（1. College of Information Sciences and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China；

2. College of Forestry Science， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： In agriculture monitoring system based on wireless sensor networks （WSNs）， the sensing nodes need periodically collect the environment information such as temperature and humidity， and the sensing nodes are used as little as possible to timely monitor the monitoring field. A scheme of solar power?moving schedule of mobile ?based optimal coverage （SPMSC） is proposed. In SPMSC scheme， each mobile node can acquire energy by means of solar panel. The node movement scheme is decided by means of the prediction of solar energy to realize the maximum coverage area with least nodes and minimum energy consumption. The simulation results show that， in comparison with similar schemes， the nodes is decreased by 4% and network lifetime is increased by 10% in SPMSC scheme.

Keywords： wireless sensor network； agriculture monitoring； solar power； coverage； network lifetime

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）應(yīng)用于各行各業(yè)，如植物培植環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生保健、目標(biāo)跟蹤和軍事偵察[1?2]。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感節(jié)點周期地感測環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過多跳通信方式傳輸至信宿。例如，在植物栽培基地，傳感節(jié)點感測環(huán)境信息，包括溫度、濕度。通過對感測數(shù)據(jù)的分析，監(jiān)測環(huán)境是否有利于植物的生長[3?4]。這些WSNs應(yīng)用要求監(jiān)測區(qū)域能夠被傳感節(jié)點全面覆蓋，即整個監(jiān)測區(qū)域在傳感節(jié)點的感測范圍內(nèi)。為了最大化覆蓋監(jiān)測區(qū)域，多數(shù)方案利用移動節(jié)點提高覆蓋率[5?6]。依據(jù)環(huán)境變化以及突發(fā)事件的發(fā)生等調(diào)度節(jié)點移動。然而，調(diào)度節(jié)點移動需要消耗不少的能量。因此，在滿足最大化覆蓋區(qū)域的前提下，應(yīng)最小化節(jié)點的移動頻率以及移動距離，進(jìn)而延展網(wǎng)絡(luò)壽命。

為了延展網(wǎng)絡(luò)壽命，部分文獻(xiàn)考慮了節(jié)點能量收集策略[7]。能量收集意味著節(jié)點從環(huán)境獲取能量，如太陽能、風(fēng)能等。但是，這些從外界環(huán)境獲取的能量是難以控制的，受環(huán)境因素的影響大。例如，由太陽電池板產(chǎn)生能量取決于太陽輻射的強(qiáng)度。而太陽輻射的強(qiáng)度又受天氣、太陽運行軌跡以及障礙物的遮擋等因素影響，特別是，在植物栽培基地，植物易遮擋陽光。

為此，本文以面向植物栽培基地的無線傳感網(wǎng)為研究對象，節(jié)點周期地收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并提出了SPMSC方案。SPMSC方案首先調(diào)度節(jié)點移動，提高區(qū)域覆蓋率，同時，采用太陽能供電機(jī)制獲取能量。提出的SPMSC方案的目的在于有效地監(jiān)測農(nóng)業(yè)基地的環(huán)境數(shù)據(jù)，并合理調(diào)度節(jié)點移動，使其獲取更多的太陽能，同時通過移動，提高監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率。SPMSC方案的目標(biāo)就是以最小的移動節(jié)點數(shù)，獲取高的覆蓋率以及最大化的網(wǎng)絡(luò)壽命。

最后，通過預(yù)備實驗，建立仿真的初始參數(shù)，并進(jìn)行計算機(jī)仿真，分析了SPMSC方案的性能。

1 系統(tǒng)模型以及問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮以植物栽培為應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)為研究對象。傳感節(jié)點隨機(jī)分布于監(jiān)測區(qū)域，并且在工作時期[T]內(nèi)實時感測環(huán)境數(shù)據(jù)，并向信宿傳輸。本文研究的目的：希望在整個時期[T]，節(jié)點能實時監(jiān)測區(qū)域環(huán)境。每個傳感節(jié)點覆蓋區(qū)域半徑為[rs]。每個節(jié)點能夠從太陽電板獲取能量，并且能夠移動以及收、發(fā)數(shù)據(jù)。

1.2 能量模型

每個傳感節(jié)點能夠利用太陽電池板獲取能量[Esolar]，其與太陽輻射強(qiáng)度相關(guān)，如式（1）所示。

圖3 網(wǎng)格

在確定未被覆蓋的網(wǎng)格后，區(qū)頭LN負(fù)責(zé)調(diào)度區(qū)內(nèi)節(jié)點移動，進(jìn)而保證這些未被覆蓋的網(wǎng)格在工作周期I內(nèi)被覆蓋。首先區(qū)頭LN從beacon包中提前獲取區(qū)頭各節(jié)點的剩余能量信息，然后計算區(qū)內(nèi)所有節(jié)點移動至每個未覆蓋的網(wǎng)格，所產(chǎn)生的能量變化，再針對每個未覆蓋的網(wǎng)格選擇最合適的移動節(jié)點。

以圖3為例，子區(qū)域A內(nèi)共有9個網(wǎng)格，其中[g1，g3，g7，g9]未被覆蓋。作為區(qū)頭LN，節(jié)點[a]首先計算各節(jié)點移動至[g1]所產(chǎn)生的能量變化情況，如表1所示。表1列舉了各節(jié)點移動至[g1]的能量變化，例如，若節(jié)點[a]移動至[g1]需要消耗5%能量，節(jié)點b，c，f分別消耗了5%，15%，5%能量，而節(jié)點d若移動至[g1]，其能量反而增長。這主要是有由于其移動至[g1]過程中，獲取的太陽能大于其移動所消耗的能量，它的能量增長至5%。

通過這些數(shù)據(jù)，節(jié)點[a]就選擇節(jié)點d移動至[g1]，如圖4所示。然后用類似的方法，分別為[g3，g7，g9]選擇合適的移動節(jié)點。節(jié)點移動之后，把在新位置感測的數(shù)據(jù)發(fā)送至信宿。

4 結(jié) 語

本文針對面向農(nóng)業(yè)區(qū)域的節(jié)點覆蓋問題，提出了SPMSC方案。利用調(diào)度節(jié)點移動，增加覆蓋率并最大程度地獲取太陽能。

SPMSC方案，通過預(yù)測節(jié)點因移動所消耗的能量以及獲取的太陽能，選擇最合適的節(jié)點移動。仿真數(shù)據(jù)表明，與SS方案相比，SPMSC方案的在維持同一覆蓋率的情況下所需的節(jié)點數(shù)下降了4%、網(wǎng)絡(luò)壽命提高了10%。

參考文獻(xiàn)

[1] MANCUSO M， BUSTAFFA F. A Wireless sensors network for monitoring environmental variables in a tomato green house [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Workshop on factory communication systems. Torino： IEEE， 2010： 107?120.

[2] LANGENDOEN K， BAGGIO A， VISSER O. Murphy loves potatoes experiences from a pilot sensor network deployment in precision agriculture [C]// Proceedings of the 20th International Conference on Parallel and Distributed Processing. [S.l.]： IEEE， 2012： 174.

[3] HWANG J， SHIN C. YOE H. A wireless sensor network?based ubiquitous paprika growth management system [J]. Sensors， 2010， 10（12）： 566?589.

[4] BURRELL J， BROOKE T， BECKWITH R. Vineyard computing： sensor networks in agricultural production [J]. IEEE Pervasive computing， 2014， 3（1）： 38?45.

[5] WANG W， SRINIVASAN V， CHUA K C. Trade?offs between mobility and density for coverage in wireless sensor networks [C]// Proceedings of the 13th Annual ACM International Conference on Mobile Computing and Networking. New York： ACM， 2007： 39?50.

[6] YOON S， SOYSAL O， DEMIRBAS， et al. Coordinated locomotion of mobile sensor networks [C]// Proceedings of 2008 5th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor， Mesh and Ad Hoc Communications and networks. San Francisco： IEEE， 2008： 126?134.

[7] CHALASANI S， CONRAD J M. A Survey of energy harvesting sources for embedded systems [C]// Proceedings of IEEE Southeast Conference. Huntsville： IEEE， 2008： 442?447.

[8] HEINZELMAN W R， CHANDRAKASAN A， BALAKRISHNAN H. Energy?efficient communication protocol for wireless microsensor networks [C]// Proceedings of 2000 IEEE Hawaii International Conference on System Sciences. Hawaii： IEEE， 2000： 170?179.

[9] KIM J， LEE J H. VitAMin： a virtual backbone tree algorithm for minimal energy consumption in wireless sensor network routing [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Information Networking. Bali： IEEE， 2012： 144?149.

[10] 沈艷霞，薛小松.無線傳感網(wǎng)絡(luò)移動信標(biāo)節(jié)點路徑優(yōu)化策略[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（12）：42?44.

[11] 歸奕紅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)HEDSA數(shù)據(jù)聚合研究[J].計算機(jī)工程，2011，37（7）：160?162.

[12] 劉毅力，焦尚彬.基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：43?46.

[13] 李同鋒，杜秀娟，牛昆.基于分層的層內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（20）：11?13.