温室变结构自组织无线传感器网络以及构建方法

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技术领域\n本发明涉及无线传感器网络体系结构，特别是一种应用于温室测控系统的变结构自组织无线传感器 网络以及构建方法。\n技术背景\n温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变环境因子如温度、湿度、光照度等来获得 作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。荷 兰、日本、美国、以色列等国温室环境控制技术已经相当先进，已经能够达到对多因素综合控制的水 平。近年来，我国在温室控制方面也获得了不少研究成果。\n无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作 地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得 详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。由于其简单易用、可靠、高性价比、低功耗，所以应 用前景十分广阔，在军事国防、工业生产、城市管理、医疗健康、环境监测、设施农业、抢险救灾、防 恐反恐、空间探索、危险区域与远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了国内外众多 学者的广泛关注，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。\n关于无线传感器网络应用研究，国外相对比较先进，无线传感器网络在工业生产与制造中有着多种 不同应用。农业是无线传感器网络应用的一个重要领域。文献报道，英特尔率先在俄勒冈州建立了第一 个无线葡萄园。无线传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度，以确保葡 萄可以健康生长，进而获得大丰收。\n国内的一些科研单位和大学，如清华大学、东南大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学 等已经初步开展了在传感器及传感器网络方面的研究工作。但从总体来讲，国内关于传感器网络的研究 还处于刚刚起步的阶段，大多还停留在基础理论跟踪国际研究阶段，非常缺乏典型的实际应用示范及产 业竞争优势。\n在国内，无线传感器网络在温室等设施农业中的具体应用，尚未见报道。温室无线测控系统应用研 究才刚刚起步，尚处于试验阶段，并没有开发出完整的、适合温室特点的无线网络测控系统。初步应用 研究主要有三类：\n(1)蓝牙技术应用。2003年柳桂国、应义斌提出将蓝牙技术应用在温室环境检测与控制系统中； 2004年张潜、王立人提出将蓝牙技术应用在温室数据采集系统中；2005年杜辉、陈教料提出将蓝牙无线 通信技术和现场总线技术相结合运用于温室群的监控。蓝牙技术是比较早的无线网络技术，但由于其技 术复杂，应用系统费用高，功耗高，供电电池寿命短，因此很难在设施农业中得到应用推广。\n(2)基于无线移动通信和Internet网络温室测控系统。2006年孙忠富、曹洪太等提出了一种基于 GPRS和WEB技术的温室环境信息远程数据采集和信息发布系统方案；2006年冯全、王书文等提出了一种 采用无线RF技术实现分布式温室群控制系统；2006年刘士光、刘建民等设计了具有拓扑结构、有线数据 通信与无线数据通信相结合的农业设施远程测控系统。以上研究仍然建立在有线传感器和有线控制器基 础上，没有减少温室内部大量的信号传输线和动力线，因此并没有根本解决现有的温室测控系统缺陷。\n(3)2006年罗惠谦、张馨等研制了用于温室环境监测的无线传感器，但仅仅是初步实现单个无线传 感器检测，没有开发出完整的，能够适合温室特点的无线网络测控系统。\n从目前的研究情况看，关于无线传感器网络在温室测控系统中的应用大部分仅仅在理念上做了一些 局部的阐述，还没有从系统实用的角度进行全面研究。关于探讨数字农业共性核心技术，建立无线传感 网络温室测控系统，实现温室环境与作物生长的无线优化控制的研究尚未见报道。\n发明内容\n本发明的目的在于针对当前无线传感器网络在温室测控系统中应用的不足，提出一种应用于温室测 控系统的变结构自组织无线传感器网络，实现传感数据经汇聚节点到控制中心的传输，以及控制指令经 汇聚节点到控制节点的传输，避免了有线网络带来的线路铺设成本高、布线复杂、维护困难等不利因 素。\n为了实现这一目的，本发明设置汇聚节点在移动过程中与覆盖范围内的传感器节点、控制节点形成 星型网络，再由汇聚节点与控制站点、控制中心依次相连。\n且在温室顶端布置塑料轨道和韧性强的导线作为带电拉索。设置汇聚节点固定在温室顶端的带电拉 索上，由轱辘两端固定连接供电，且在汇聚节点上安装散热片和风扇。\n本发明的优点是：\n(1)由于在一般无线传感器网络中，能量有限是无线传感器网络工作的瓶颈问题。而温室是一个狭 长的应用场合，如果在两端部署汇聚节点必将使得部分节点因传输距离远而较早的耗尽能量，故本发明 采用移动汇聚节点的方式，减少传感器节点与汇聚节点之间的通信距离，从而减少传感器节点的能量消 耗。\n(2)由于将移动汇聚节点部署在温室顶端的轨道上，可解决在在温室地面部署移动汇聚节点的不 便。\n(3)采用塑料轨道和韧性强的导线作为拉索解决了锈蚀问题，而且成本很低；汇聚节点与带电拉索 固定连接，由轱辘两端固定连接供电，避免了触点连接，解决了触点锈蚀接触不良问题；在汇聚节点上 安装散热片和风扇，解决了散热问题。\n(4)本发明采用无线传感器网络使用比较普遍的2.4GHz全球公开免费频段，可减少无线通信对其 他设备的干扰，同时有效降低发送功率。\n附图说明\n图1为整个温室测控系统无线传感器网络体系结构\n图2为本发明的温室无线传感器网络体系结构的截面示意图\n图3为本发明温室无线传感器网络体系结构的实现流程\n具体实施方式\n以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述。\n图1为整个温室测控系统无线传感器网络体系结构，每个温室中的传感器网络由若干汇聚节点 (1)、若干传感器节点(2)、若干控制节点(3)和一个控制站点(8)组成，其中控制站点(8)起着 所在传感器网络任务管理器的作用，而控制中心(9)则对所有温室进行统一管理和监控。在每个温室 中，汇聚节点(1)是传感器节点(2)、控制节点(3)与控制站点(8)之间连接的桥梁，所有采集数 据均通过汇聚节点(1)发送到控制站点(8)，而控制指令则由控制站点(8)发出后通过汇聚节点 (1)发送给控制节点(3)，由控制节点(3)驱动执行机构(7)执行控制任务。将移动汇聚节点(1) 部署在温室顶端，在顶端固定若干段轨道(5)，每段轨道(5)上部署一个汇聚节点(1)，由电机驱动 轨道(5)两端的轱辘(6)转动，再由轱辘(6)带动拉索(4)移动，汇聚节点(1)固定在拉索(4) 上随着拉索(4)的运动而运动。\n图2为本发明的温室无线传感器网络体系结构的截面示意图，由某温室中移动构架、轨道(5)、汇 聚节点(1)、传感器节点(2)以及控制节点(3)组成。在轨道(5)两端分别安装一个电机，通过两 个电机的轮流工作驱动轨道(5)两端的轱辘(6)转动，每镉T/2时间即更换工作状态，且两个电机的工 作状态正好相反。为了使汇聚节点(1)具有足够的通信能量，所采用的拉索(4)为带电拉索(4)，这 样可以给汇聚节点(1)提供必要的能量。考虑到温室高温高湿环境对系统可靠性的影响，我们采用塑料 轨道(5)和韧性强的导线作为带电拉索(4)解决了锈蚀问题，而且成本很低；汇聚节点(1)与带电拉 索(4)固定连接，且带电拉索(4)与轱辘(6)两端固定连接供电，避免了触点连接，解决了触点锈蚀 接触不良问题；又由于汇聚节点(1)位于温室上方，工作温度比较高，在汇聚节点(1)上安装散热片 和风扇，解决了散热问题。\n本发明温室无线传感器网络体系结构的实现按图3所示流程进行。\n首先温室变结构自组织无线传感器网络满足以下假定：(1)每个传感器节点(2)和控制节点(3) 具有相同的无线通信能力；(2)所有的传感器节点(2)、控制节点(3)只与所在区域的汇聚节点 (1)发生通信，且传感器节点(2)之间、控制节点(3)之间以及传感器节点(2)与控制节点(3)之 间无需通信；(3)所有汇聚节点(1)均具有完全相同的功能和通信能力。\n步骤S-1：将整个温室划分为若干长度相同的区，每个区安装一段轨道(5)，每段轨道(5)长度均 相同且各自布置一个汇聚节点(1)，汇聚节点(1)固定在带电拉索(4)上，由电机驱动轱辘(6)转 动，轱辘(6)带动带电拉索(4)，汇聚节点(1)随拉索(4)运动，控制两端轱辘(6)的轮流转动实 现汇聚节点(1)的往复运动。根据移动过程中数据可靠传输的需要，选定汇聚节点(1)合适的移动速 率v；由于数据传输速度很快，这样导致数据传输延迟的时间主要就是汇聚节点(1)的移动时间，选定 一个汇聚节点(1)往复移动一次的允许时间T，要求T≤τ(τ为系统允许的最大延迟)，因此每段轨 道(5)的长度d1为：\n$d_1=\frac{v\times T}{2}$\n步骤S-2：已知温室总长度为L1，则根据温室总长度L1、轨道(5)长度d1以及轨道(5)与轨道 (5)之间的间隔d2可以确定需要的汇聚节点(1)数量n为：\n$n=\frac{L_1+d_2}{d_1+d_2}$\nn也即为一个温室中需要的轨道(5)数量，为了使n取得整数可以适当调整汇聚节点(1)的移动 速率v。\n步骤S-3：已知温室宽度为L2，高度为h，为了满足汇聚节点(1)对温室的全覆盖，需考虑轨道 (5)与轨道(5)之间的距离d2，假设传感器节点(2)的最大通信距离为l，汇聚节点(1)在地面的 覆盖半径为r，则\n$r=\frac{1}{2}\sqrt{L_2^2+d_2^2}$\n$l=\sqrt{r^2+h^2}$\n步骤S-4：根据传感器节点(2)的最大通信距离l，确定各传感器节点(2)的最大发射功率p。\n步骤S-5：根据轨道(5)长度分段安装轨道(5)，每段轨道(5)上部署一个汇聚节点(1)，汇聚 节点(1)与带电拉索(4)固定连接，带电拉索(4)由轱辘(6)两端固定连接供电，两端的轱辘(6) 分别通过电机驱动而轮流转动。为了确保电机能准确地轮流工作，根据汇聚节点(1)的移动速率v以及 汇聚节点(1)往复移动一次的允许时间T，则可以确定对轨道(5)两端电机的工作状态的精确控制，两 个电机的工作状态正好相反，两个电机均只有两种状态：转动和停止。当轨道(5)一端(如左端)的电 机顺时针转动带动拉索(4)向左运动的时候，另一端(右端)的电机停止工作而随左端电机同向转动， 经过T/2时间后，则右端的电机逆时针转动带动拉索(4)向右运动，同时左端的电机停止工作随右端电 机同向转动，也就是两个电机需同时切换一次工作状态，从而确保拉索(4)的往复运动。\n步骤S-6：为满足传感器节点(2)对整个温室环境传感范围的全覆盖，根据传感器节点(2)的传感 半径以及温室中的地形，部署传感器节点(2)。\n步骤S-7：最后经过以上步骤实现一个应用于温室的自组织无线传感器网络结构。