CN103347265A - 一种面向精准农业的wsn节点部署方法 - Google Patents

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Abstract

一种面向精准农业的无线传感器网络(WSN)节点部署方法，该方法将网络划分为两级簇头，整个WSN网络由多个一级固定簇头（1）、多个二级簇头（2）、多个传感器节点（3）和Sink节点组成，其中一级固定簇头属于总线型拓扑结构，依次排列最终与Sink节点相连，每一个固定簇头和多个二级非固定簇头相连通，一个二级非固定簇头和多个传感器节点相连通，一级固定簇头和Sink节点采用太阳能供电。二级非固定簇头接收其覆盖区域内的传感器节点采集信息，并进行第一次数据融合；固定簇头接收其覆盖区域内非固定簇头融合后的数据，进行第二次数据融合并逐个上传至Sink节点。本发明具有网络能耗低、可靠性高、时延性小、灵活性强等优良效果，适合于精准农业的WSN节点部署。

Description

一种面向精准农业的WSN节点部署方法
 
技术领域    
    本发明涉及一种面向精准农业的WSN节点部署方法，属农业信息技术领域。
背景技术    
无线传感器网络（WSN）是大量的静止或移动的传感器节点以自组织或多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络复盖区域内感知对象的监测信息并报告给用户。
精准农业采用及时准确地获取土壤参数、小气候、水环境、作物苗期长势等农田环境信息，无线传感器网络（WSN）新技术的应用为农田环境信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案。节点部署是无线传感器网络应用的一个基础问题，在无线传感器网络采集数据时，各节点采集的数据通过中继的方式发送到Sink节点，任何一个区域的节点失效将导致整个网络无法工作，即任何局部区域节点的寿命决定着整个网络的寿命，然而，靠近Sink节点的传感器节点，由于需要频繁的转发数据而消耗更多的能量，因而其寿命较低，制约着全网的寿命。为了提高网络寿命，通常需要部署大量的节点来及时补救失效节点，现有的相关方法主要如下：
(1) 规则网格节点部署方法，农业工程学报《基于规则网格的农田环境监测传感器节点部署方法》2011(08)，这种方法根据系统采样间距、以及所述监测传感器节点的通信范围确定规则网格单元的边长最大值，将传感器节点部署在所述规则网格单元内，从而在满足覆盖条件下最小化节点部署数量，但是未考虑节点能量受限的问题，全网的寿命将因为靠近SINK节点的失效而降低。
(2) 冗余节点部署方法，见Gongben Can, Shaorong Wang, “A New Node Deployment Scheme for Wireless Sensor Networks”，the 4the International Conference on Computer Science & Education,Jul.2009,这种方法采用部分节点作为冗余节点进行备份使用，靠近SIN节点的区域部署较多的传感器节点，它们进行轮换工作。然后，这种方法只是给出随机部署下在不同区域中需要部署的节点密度期望，并不能给出给定节点数情况下的节点有效部署方法。
发明内容
本发明的目的是，围绕如何合理的部署给定数目的传感器节点及提高整个无线传感器网络的寿命展开说明，建立一种面向精准农业的WSN节点部署方法，为精准农业应用中无线传感器节点的合理部署提供依据。
本发明的技术方案是，本发明根据精准农业环境及所监测的面积需求，将网络划分为两级簇头，整个WSN网络由多个一级固定簇头、多个非固定二级簇头、多个传感器节点和Sink节点组成，其中一级固定簇头属于总线型拓扑结构，依次排列最终与Sink节点相连，每一个一级固定簇头和多个二级非固定簇头相连通，一个二级非固定簇头和多个传感器节点相连通，一级固定簇头和Sink节点采用太阳能供电。
本发明一种面向精准农业的WSN节点部署方法，包括下列步骤：
步骤1，根据精准农业生长环境面积，采用基于网格均匀密度的分簇方法，规划整个无线传感器网络的一级固定簇头个数，依托整个WSN的一级固定簇头的总线型拓扑结构，测量各个一级固定簇头间等效距离，通过对一级固定簇头的密度均匀部署，把整个WSN划分为多个密度均匀、互不重叠的一级簇。
步骤2，根据整个WSN的一级固定簇头的总线型拓扑结构，在各个一级固定簇头覆盖区域内均匀密度扩散部署传感器节点； 
步骤3，分析一级固定簇头覆盖区域内的传感器节点数量与各个节点可用能量，采用粒子群算法寻找簇覆盖区域内的二级非固定簇头。
综合考虑节点剩余能量和到一级固定簇头距离的因素，使剩余能量越大且距离越小的节点优先选为二级非固定簇头，将这两个因素引入粒子群中的目标函数，从而实现此功能，目标函数如下：
其中a1、a2、分别为距离和能量因子，
Figure 2013103060404100002DEST_PATH_IMAGE004
为一级固定簇头覆盖区域内节点到一级固定簇头的距离，为上述距离的最大值，为一级固定簇头覆盖区域内节点的剩余能量，为上述能量的总值。
本发明的二级非固定簇头接收其覆盖区域内的传感器节点采集的农业信息，并对该信息进行第一次数据融合。第一次数据融合方法是根据农业生长环境参数在空间上的相关性进行差值判零操作，从而减少传输的数据量，减少节点的能量消耗，延长网络寿命。
本发明一级固定簇头接收其覆盖区域内的二级非固定簇头融合后的信息，并对其进行第二次数据融合。第二次数据融合方法是，一级固定簇头在接收到二级非固定簇头融合的数据后，对其进行小波分析处理，将数据量再次压缩，减少通信带宽，加强网络的稳定性。
本发明一级固定簇头融合后的数据通过总线型拓扑结构传输给Sink节点。
本发明的有益效果是，本发明面向精准农业的WSN节点部署方法具有网络能耗低、节能能源、可靠性高、时延性小、灵活性强等优良效果，适合于精准农业的WSN节点部署。
附图说明
图1是面向精准农业的WSN节点部署拓扑结构图；
图2是面向精准农业的WSN节点部署的结构框图；
图3是面向精准农业的WSN节点部署方法的一级固定簇头结构图；
图4是面向精准农业的WSN节点部署方法的Sink结构图；
图中，1表示一级固定簇头；2表示二级非固定簇头；3表示WSN传感器节点；a表示太阳能板；b表示电源控制器；c表示支撑的杆子；d表示传感器节点；f表示供电电源线；a1表示太阳能板；b1表示电源控制器；c1表示支撑的杆子；d1表示传感器节点；f1表示供电电源线。
具体实施方式
本发明具体实施方式如下：
本实施例根据农田的面积，设计面向精准农业的WSN节点部署拓扑结构图，WSN节点部署拓扑结构如图1所示，其中①表示一级固定簇头，②表示二级非固定簇头，③表示WSN传感器节点。
如图2所示，根据面向精准农业的WSN节点部署拓扑结构图，制定面向精准农业的WSN节点部署的结构框图，表示出每一个一级固定簇头所覆盖区域；一级固定簇头与Sink节点的联接方式，每一个一级固定簇头都带有太阳能电池板。
如图3所示为一级固定簇头具体结构图，其中a表示太阳能板，b表示电源控制器，c表示支撑的杆子，d表示传感器节点（传感器节点处理器采用CC2530），f表示供电电源线；
如图4所示为Sink节点的结构图，其中a1表示太阳能板，b1表示电源控制器，c1表示支撑的杆子，d1表示传感器节点（传感器节点处理器采用CC2530+STM32），f1表示供电电源线。
本发明实施例面向精准农业的WSN节点部署方法，步骤如下：
步骤1，根据精准农业生长环境面积，采用基于网格均匀密度的分簇方法，规划整个无线传感器网络的一级固定簇头个数，依托整个WSN的一级固定簇头的总线型拓扑结构，测量各个一级固定簇头间等效距离，通过对一级固定簇头的密度均匀部署，把整个WSN划分为多个密度均匀、互不重叠的一级簇。
步骤2，根据整个WSN的一级固定簇头的总线型拓扑结构，在各个一级固定簇头覆盖区域内均匀密度扩散部署传感器节点； 
步骤3，分析一级固定簇头覆盖区域内的传感器节点数量与各个节点可用能量，采用粒子群算法寻找簇覆盖区域内的二级非固定簇头。综合考虑节点剩余能量和到一级固定簇头距离的因素，使剩余能量越大且距离越小的节点优先选为二级非固定簇头。

Claims (6)

1.一种面向精准农业的WSN节点部署方法，其特征在于，所述方法将网络划分为两级簇头，整个WSN网络由多个一级固定簇头、多个二级非固定簇头、多个传感器节点和Sink节点组成，其中一级固定簇头属于总线型拓扑结构，依次排列最终与Sink节点相连，每一个一级固定簇头和多个二级非固定簇头相连通，一个二级非固定簇头和多个传感器节点相连通，一级固定簇头和Sink节点采用太阳能供电；
所述方法包括以下步骤：
步骤1，根据精准农业生长环境面积，采用基于网格均匀密度的分簇方法，规划整个无线传感器网络的一级固定簇头个数，依托整个WSN的一级固定簇头的总线型拓扑结构，测量各个一级固定簇头间等效距离，通过对一级固定簇头的密度均匀部署，把整个WSN划分为多个密度均匀、互不重叠的一级簇；
步骤2，根据整个WSN的一级固定簇头的总线型拓扑结构，在各个一级固定簇头覆盖区域内均匀密度扩散部署传感器节点； 
步骤3，分析一级固定簇头覆盖区域内的传感器节点数量与各个节点可用能量，采用粒子群算法寻找簇覆盖区域内的二级非固定簇头。
2.根据权利要求1所述的一种面向精准农业的WSN节点部署方法，其特征在于，所述二级非固定簇头接收其覆盖区域内的传感器节点采集的农业信息，并对该信息进行第一次数据融合。
3.根据权利要求1所述的一种面向精准农业的WSN节点部署方法，其特征在于，所述一级固定簇头接收其覆盖区域内的二级非固定簇头融合后的信息，并对其进行第二次数据融合。
4.根据权利要求1所述的一种面向精准农业的WSN节点部署方法，其特征在于，所述一级固定簇头融合后的数据通过总线型拓扑结构传输给Sink节点。
5.根据权利要求2所述的一种面向精准农业的WSN节点部署方法，其特征在于，所述第一次数据融合方法是根据农业生长环境参数在空间上的相关性进行差值判零操作，从而减少传输的数据量，减少节点的能量消耗，延长网络寿命。
6.根据权利要求3所述的一种面向精准农业的WSN节点部署方法，其特征在于，所述第二次数据融合方法是，一级固定簇头在接收到二级非固定簇头融合的数据后，对其进行小波分析处理，将数据量再次压缩，减少通信带宽，加强网络的稳定性。
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