基于農業環境無線傳感器網絡性能評估

潘小紅　周澤強　袁嘯風

[摘要]隨著無線傳感器網絡應用研究的不斷深入，通過實際傳感器節點建立網絡進行網絡測試越來越受到人們的重視。綜合大量無線傳感器網絡性能研究的技術文獻和最新研究結果，提出對農業環境WSN網絡性能參數。

[關鍵詞]無線傳感器網絡 性能測試 部署

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310100－02

一、引言

近年來隨著研究的深入與技術的成熟，以應用為背景，基于WSN的試驗越來越多地涌現出來，WSN正處于從研究到應用的過渡階段。對WSN網絡性能的分析與評價是網絡節點與部署的前提，對WSN網絡性能進行分析，評價，獲得網絡性能的總體情況，可以評估，鑒定和驗收一個現有網絡；對一個新的待建設網絡，其方案的論證也極大地依賴于如何分析和評價網絡的性能。

目前大多數研究都通過理論分析和計算機模擬的方法進行和測試。理論分析的方法雖然可以進行多個同類協議的比較，但數學模型的構建由于計算復雜度過高，在應用這些模型解決實際問題時需要做大量簡化，從而降低了理論性能分析的可信度。現在雖然有很多針對WSN的仿真平臺，由于現實環境中存在各種不可預料的影響因素或系統本身的錯誤，導致WSN實際部署后的行為有時會與預期行為有很大的偏差。在農業應用中對WSN定性分析還沒有標準的測試。如何對面向各種應用的多樣的WSN進行評價，對于WSN的設計與部署具有指導意義。

1．生命周期：對于任何WSN都是非常重要的因素。一般來說節點的最短壽命要比平均壽命更為重要。

2．時鐘同步：時鐘同步對于節點間的協同工作非常重要。但是節點間時鐘同步信息的傳遞對能量和帶寬都會產生消耗。

3．覆蓋范圍：覆蓋更大的地理范圍會讓WSN收集的數據更加全面。WSN的多跳性，是的其覆蓋空間得到了進一步擴展，但是也消耗了更多的能量，與生命周期這一重要指標相背離。

4．安全性：WSN的安全性是其能夠得到廣泛應用的重要前提。但是加解密碼會大大增加系統能耗并占用帶寬。

5．能量有效性：無線傳感器網絡的能量有效性是在有限能量條件下無線傳感器網絡能夠處理的請求數量總量的評定標準，是無線傳感器網絡的重要性能指標。

6．網絡延遲：無線傳感器網絡的延遲時間是指當觀察者發出請求到接收到回答信息所需要的時間。影響無線傳感器網絡的時間延遲因素也很多。時間延遲與應用緊密相關，直接影響到無線傳感器網絡的應用范圍及網絡的實用性。

二、國內外研究現狀

無線傳感器網絡的狀態可以分為節點狀態和網絡狀態兩部分。目前國內外無線傳感器網絡評估技術沒有形成標準化和系統化。研究主要針對于無線傳感器網絡無線通信不穩定和資源能量有限的兩大特點，測試其網絡鏈路質量和網絡能耗等。

文獻[1]提出一種新的路由算法（中心矢量路由），減少了對無關節點的影響，采用靜態區域劃分，提高了路由效率，節省了網絡能量。

文獻[2]通過NS2仿真實驗測試，從節點數和發送速率變化，討論比較了其對網絡性能及能量的影響。驗證了采用的星型結構和信標使能是時隙CSMA-CA機制能夠實現較高吞吐量和低丟包率的網絡性能。但是具體實現及實驗還未驗證。

文獻[3]從無線傳感網絡的三個方面（硬件設備，應用性能，網絡性能）進行研究。總結出提高應用性能與網絡性能的關鍵因素，對網絡進行優化設計。

文獻[4]在實驗基礎上對IEEE802.15.4無線網絡進行性能評估。從以下幾個方面探討：數據直接發送和間接發送；CSMA-CA機制；包的大小；信標使能模式。

文獻[5]提出均值RSSI（接受信號強度顯示），均值LQI（鏈路質量顯示）測量法，通過測量及計算RSSI，LQI的均值，可以較為準確地獲得鏈路通信質量信息。分析了均值RSSI，均值LQI隨發送功率，周圍環境變化等的測量性能，并定義了鏈路測量靈敏度，計算了均值RSSI，均值LQI的靈敏度值，對RSSI及LQI用于鏈路通信質量測量和性能評估做了全面的權衡。

文獻[6]介紹了一種用于WSN測量工具SCALE，將包的發送作為性能研究的參數。實驗在三種環境下進行，戶外棲息區，郊區，室內。提出當超過50%通信范圍，包的發送與距離無關。收發包變化與每條鏈路發平均接受率相關。

文獻[7]，[8]考慮不同環境條件下，測量了接受包，RSSI，LQI與距離，天線角度，發送功率函數關系。文中提出接受包與距離關系取決于發送節點與接受節點的關系。兩個節點都放置在地面上，他們只能在45英尺內通信。當兩個節點都抬高，通信距離可達到150英尺。

文獻[9]，[10]采用預先測量節點在不同工作狀態下的功耗，通過節點在實際工作過程中統計自身處于各個狀態的時間，的出節點總共消耗的能量。此方法對于統計無線通信模塊，傳感器模塊等慢速模塊比較適用，但CPU處于忙碌狀態的時間往往很短，節點很難準確統計自身CPU的工作時間。

文獻[11]提出了針對整個網絡整體能量消耗的測試技術-eScan。eScan利用GPS等方法對節點進行精確定位，利用APM（高級電源管理）和ACPI（高級配置和能量借口）方法對節點剩余能量進行測量。這種方法在保證收集信息精度的情況下，大大減少了能量信息收集過程中的通信量，降低了掃描過程中的能量損耗。但在eScan中所采用的能量測試方法（APM和ACPI）是否適用于無線傳感器網絡，也缺乏應用的驗證。

三、網絡性能測試

無線通信容易受到天氣和外界環境等因素的干擾，變化復雜且不穩定，不容易量化和評估。目前雖然很多通信協議的開發者都會對無線傳感器網絡的鏈路質量進行測試，但測試的方法和內容往往針對與自身的協議和特定的應用背景，不具有一般性。

針對農業應用，研究天氣，濕度，光照，高度，距離，包的大小，節點發送功率等因素對信號強度RSSI，鏈路質量LQI，收包數影響，對網絡中節點個數的選取和節點的部署意義巨大。

對無線傳感器網絡性能參數指標的選取如下：

1．Prr：包接受率是指在某個時間段內接受到的包占發包總數的百分比。

2．Rssi：接受信號強度顯示。

3．Lqi：鏈路質量顯示。

實驗基于Micaz系列WSN產品，使用了兼容IEEE802.15.4規范的高性能無線芯片CC2420。該芯片輸出功率可編程，可通過軟件設置8個輸出功率級。借助于編程板MIB520，通過JTAG mk-II仿真器向Mote下載程序。

實驗中操作系統為TINYOS，編程語言NESC。節點發送功率范圍為0DB到-25DB。實驗地方在草坪和室內和田間基站與節點在同一高度，改變節點發射功率，分析節點丟包隨距離變化。

1．改變基站與節點的高度。看是否對丟包有影響。

2．改變包的大小，在不同節點發射功率下，節點RSSI，LQI與距離關系。

3．分析網絡吞吐量與網絡發送速率關系。

四、結論

研究無線傳感器網絡性能對WSN網絡節點設計與部署很有意義。大部分研究都處在理論分析和仿真。對無線傳感器網絡進行實時監測，找出合適的指標量化策略是關鍵的問題。使能量的消耗減少到最低程度是永恒的主題。在不同環境下，將各個因素對無線傳感器網絡性能影響進行量化是個新的課題。

參考文獻：

[1]劉永青，無線傳感器網絡性能的研究，北京郵電大學碩士學位論文，2008,3:1-65.

[2]高翔，面向智能服裝無線傳感器網絡的性能評估及設計實現，東華大學碩士學位論文，2008,1:1-102.

[3]孫丹寧，提高無線傳感器網絡性能的關鍵因素分析，電子測量技術，2007，4：71-73.

[4]Jin-Shyan Lee,An Experiment on Performance Study of IEEE 802.15.4.Wireless Networks.

[5]孫佩剛，趙海等，無線傳感器網絡鏈路通信質量測量研究，通信學報，Vol.28 No.10,2007.10.

[6]Alberto Cerpa,Naim Busek and Deborah Estrin,SCALE:A tool for Simple Connectivity Assessment in Lossy Environments,2003.9.

[7]Pedro Andrade-Sanchez,Francis J.Pierce,Todd V.Elliott,Performance Assessment of Wireless Sensor Networks in Agriculture Settings,An ASABE Meeting Presentation,2007.6.

[8]Matthew M.Holland,Ryan G.Aures and Wendi B.Heinzelman,Experimental Investigate of Radio Performance in Wireless Sensor Networks.

[9] Shnayder V,Hempstead M , Chen B , et al1 Simulating t he power consumption of large scale sensor network applications. on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys04).

[10] Landsiedel O,Wehrle K,Gotz S.Accurate Prediction of Power Consumption in Sensor Networks.In:Proc.2nd IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors,May,2005.

[11]Zhao YJ,Govindan R,Est rin D1 Residual Energy Scan for Moni2toring Sensor Networks1 WCNC,2002.

[12]荊珂、陳洲峰等，無線傳感器網絡的設計與部署，計算機工程與應用，2007,43(27):18-21.

[13]柯欣、舒堅，無線傳感器網絡測試技術與測試平臺研究，計算機科學，2007Vol,34No1:120-122.

[14]Ritter H,Schiller J,Voigt T,et al1 Experimental Evaluation of Lifetime Bounds for Wireless Sensor Networks1 EWSN,2005.

[15]Dalton,A.R.J.O.Hallstrom,H.A.Zia,N.Sridhar.2006.Improving network link quality in embedded wireless ststems.Proceedings of WDES06:The 3dr International Workshop on Dependable Embedded Systems,Leeds,UK,43-48.

[16]Pierce,F.J,and T.V.Elliott.2007.Regional and on-farm wirelss sensor networks for agricultural systems.Computers and Electronics in Ag.

[17]Wang,N.,zhang,N.and Wang,M.2006.Wireless sensors in agriculture and food.industry-Recent development ang future perspective.Comput.Electron.Agric.50,1-14.

作者簡介：

潘小紅，女，華南農業大學計算機應用技術專業在讀碩士研究生，研究方向為無線傳感器網絡性能測試。