异构农业环境监测无线传感器网络关键技术的研究

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1、上海海洋大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海海洋大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查

2、阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海海洋大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名工作单位职称备注刘广钟上海海事大学教授主席袁红春上海海洋大学教授委员印润远上海海洋大学教授委员郑永德上海海洋大学研究员秘书上海海洋大学答辩地点答辩日期2012.1.5信息学院306室上海海洋大学硕士学位论文异构农业环

3、境监测无线传感器网络关键技术研究摘要农业信息化是21世纪我国现代农业建设的重大战略决策，信息的获取、传输、处理与应用是农业信息化研究领域的四个重要组成部分。先进的传感器技术和智能化信息处理技术是保证农业信息正确获取的重要手段。无线传感器网络集传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，具有易于布置、灵活通信、低功耗、低成本等特点，将其应用于农业环境监测领域已成为目前无线传感器网络的研究热点之一。农业环境监测的目的是实时、精准地获取农业现场数据，包括：地面信息（空气温湿度

4、、风向速度、光照参数、CO2浓度等）、土壤信息（土壤温湿度、土壤张力、土壤墒情等）、营养信息（pH值、EC值、离子浓度）、有害物信息（动物疾病、植物病虫害）、生长信息（植物生理生态信息、动物健康信息）等。无线传感器网络为农业环境信息的采集与处理提供了新的思路和有力手段。农业环境监测具有监测对象多样、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区、通信条件落后等特点。在农田中大规模布置的传感器节点能够实现对监测区域的环境参数的全天候不间断观察，采集的数据经由基站最终传送给观察者，能够为农田的种植规划和田间管理提供可靠的基础依

5、据。农业环境信息的采集需要依靠温度、光照、土壤温湿度等多种不同类型的传感器，使得节点可能有不同的初始能量，节点感知、接收和发送的数据包不同，消耗能量的快慢也不同，从而构成异构网络，因此异构对农业环境监测传感器网络的研究具有重大的现实意义。本文在传统异构农业环境无线传感器网络的基础上，针对具体的农业环境监测应用场景，提出了一种有源主干网和无线子网混合的异构传感器网络结构。这种有源主干网和无线子网混合的异构网络主要由控制中心、有源主干网和无线子网三个部分组成：1）控制中心部署在离监测区域较远的环境良好的区域，接受

6、由sink节点发送的数据进行相应的融合处理，并实时控制各无线子网间的协调运作，通过internet将信息发送至远程用户进行控制处理；2）有源主干网由有源线路和多个sink节点构成。主干网上布置若干高能力sink节点，该节点较一般的节点有较高的计算处理能力、通信能力和存储能力，由主干网提供持续有源供电，不受能量限制；3）无线子网部署在各个农业监测子区域，由大量低功耗的I上海海洋大学硕士学位论文无线传感器节点构成，负责采集农业环境监测数据。整个网络采用多级层次的体系结构，由多个sink节点连接到有源线路构成上一层

7、的有源主干网络，负责无线子网的管理；无线子网采取分簇的层次组网方式，由各簇首经由多跳路由方式和sink节点进行数据通信。对于分簇的无线子网内部，提出了一种基于权值的无线子网分簇算法WBCA，该算法分为建簇阶段和稳定阶段。建簇阶段中簇首的选择从节点剩余能量信息、节点度信息、节点距离信息多方面综合考虑。稳定阶段中簇内节点通过单跳路由和簇首进行通信，由簇首处理好的数据通过多跳路由的方式发送给sink节点融合处理，继而通过有源线路发送给控制中心。对于子网间路由，提出了多sink动态路径切换策略，以路径能耗为参考标准，

8、动态选择下一跳路由。并针对无线子网间的边界问题，给出了用于子网边界判断的基于二邻居图的无线子网边界检测算法。最后通过实验仿真表明，WBCA算法相对于传统分簇算法在能耗、延迟各方面较优越，适用于多sink场景下的异构无线传感器网络。文中的多sink网络模型在不同网络规模下相对于单sink网络的平均传输延时均有所改善，且基于二邻居图的无线子网边界检测算法能准确检测出网络边界。关键词：农业环境监测，异构无