基于茶園旱情監測的無線傳感器網絡部署研究

潘小紅

(長江大學 文理學院，湖北 荊州434000)

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)是以自組織方式構成的無線通信網絡，能夠協作地實時監測、感知和采集監控區域內的各種環境或監測對象的信息［1，2］。

節點部署是無線傳感器網絡的一個基本問題，一個典型的節點部署方案應該首先考慮到節點個數，其次是網絡性能［3］。目前節點部署的主要算法有Node Self－Scheduling算法、SPAN 算法、CCP 算法。

Node Self－Scheduling［4］算法采用節點輪換周期工作機制，每個周期由一個“選擇”階段和一個“工作”階段組成。該算法的優點是不會出現覆蓋盲點，因而可以保證網絡的充分覆蓋，但該算法的節點輪換機制只適用于傳感器節點覆蓋區域為圓形。SPAN［5］算法是非集中式的協調控制算法，它通過使網絡內活躍節點構成通信骨干網，其余節點關閉，從而實現節能。SPAN 算法只注重網絡內的連通性，沒有考慮網絡的覆蓋問題。CCP［6］算法將覆蓋與連通問題結合考慮，但CCP 算法中的每個節點都需要精確的自定位。

本文基于茶園墑情監測的無線傳感器網絡部署應用性研究，優化節點數目和節點分布形式，保證了網絡的良好連通性。

1 理 論

假設每個傳感器節點能對其周圍實行全方向探測，即其覆蓋范圍是一個半徑為r 的圓形區域;探測區域所有傳感器節點都具有相同的發射功率;探測區域所有傳感器節點都在同一個平面內。

有效覆蓋面積定義:節點Z 的有效覆蓋面積為節點Z的有效覆蓋范圍πr2減去和其他節點重復覆蓋的區域面積。

由定理［7］可知，當3 個圓相交于一點且由圓心構成的三角形為等邊三角形時，如圖1 所示，取得無縫最大有效覆蓋面積，即

2 茶園節點部署

圖1 最大有效覆蓋面積Fig 1 The maximum effective coverage areas

實驗中采用了兩種部署方案，分別是隨機部署和菱形網絡部署。使用Crossbow 公司的Micaz 節點，傳感器板MDA320，土壤水分傳感器為錦州陽光科技公司生產的TDR—3 型。

隨機部署用了10 個傳感器節點，各個節點的相對位置如圖2 所示。節點的發送功率設置為最大0 dBm，在發包間隔分別為10，20，30，40 s 的設置下，各個間隔時間連續測試12 h 數據包發送的方向如圖2 中的箭頭方向。實驗中始終沒有接收到節點8 的數據包。

圖2 隨機部署12 h 數據包發送方向Fig 2 Direction of data package transmission after 12 h random deployment

根據最大有效覆蓋面積理論，采用菱形部署，本次實驗采用9 個傳感器節點，傳感器相鄰節點的距離為30 m，各節點位置關系如圖3 所示。節點的發射功率設置為－3 dBm，在發包間隔分別為10，20，30，40 s 的設置下，各個間隔時間連續測試12 h 數據包發送的方向如圖3 中的箭頭方向，所有節點的數據包都被接收到。

圖3 菱形部署12 h 數據包發送方向Fig 3 Direction of data package transmission after 12 h diamond-shaped deployment

3 丟包率測試

丟包率是指測試中所丟失數據包數量占所發送數據包的比率，通常在吞吐量范圍內測試。丟包率與數據包長度和包發送頻率相關。數據包在傳送過程中，可能由于節點隊列溢出、報文沖突、路由失敗、超時等原因而丟失。丟包率ρ=D/N，N 為報文發送過程中的總報文數量，D 指發送過程中丟失的數據報文數量，它反映了應用層報文的丟失狀況，同時也反映了路由協議和MAC 層協議的性能指標。

3.1 隨機部署丟包率

在發包間隔分別為10，20，30，40 s 的設置下，各個間隔時間連續測試12 h 節點的丟包情況，如表1 所示。

表1 隨機部署12 h 丟包率Tab 1 Package loss rate after 12 h random deployment

對表1 進行分析，得到如下結論:由于最大發射功率0 dBm時，節點在空曠環境下最大通信距離為80 m 左右，而茶園實際地形和樹木等外界環境影響，造成7#，8#節點數據沒有接收到。當發送包時間間隔為10，20，30，40 s，平均丟包率分別為23.79%，17.32%，10.01%，7.28%，即隨發包間隔增大，節點丟包率會減少。

3.2 菱形部署丟包率

同理，在發包間隔分別為10，20，30，40 s 的設置下，各個間隔時間連續測試12 h 節點的丟包情況，如表2 所示。

表2 菱形部署12 h 丟包率Tab 2 Package loss rate after 12 h diamond-shaped deployment

對表2 進行分析可知，所有節點的數據都能被接收到，且丟包率不超過10%。當發送包時間間隔為10，20，30，40 s，平均丟包率分別為5.07%，4.41%，4.20%，3.54%，即隨發包間隔增大，節點丟包率同樣會減少。

通過對表1 與表2 丟包率分析可知，在同一發包時間間隔條件下，與隨機部署網絡相比，菱形部署網絡丟包率低，網絡性能好。

4 結 論

網絡的節點部署是無線傳感器網絡在具體應用時首先要解決的問題。本文對茶園實際節點部署進行測試，對比了兩種不同部署方案的網絡性能。結果表明:菱形網絡的部署方案使用的節點少，丟包低，網絡性能好。

［1］ 崔 麗，鞠海玲，苗 勇，等.無線傳感器網絡研究進展［J］.計算機研究與發展，2005，42(1):163－174.

［2］ 陸克中，劉應鈴.一種線型無線傳感器網絡的節點布置方案［J］.計算機應用，2007，27(7):1566－1568.

［3］ 謝潔銳，劉才興，胡月明.無線傳感器網絡的部署［J］.傳感器與微系統，2007，26(1):4－7.

［4］ Berman P，Calinescu G，Shah C，et al.Ad Hoc and Sensor Networks［M］.［S.l.］:Nova Science Publishers，2005.

［5］ Chen B，Jamieson K，Balakrishnan H，et al.Span:An energy－efficient coordination algorithm for topology maintenance in Ad Hoc wireless networks［C］∥ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking(MobiCom 2001)，Rome，Italy，2001.

［6］ Wang Xiaorui，Xing Guoliang，Zhang Yuanfang，et al.Intergrated coverage and connectivity configuration in wireless sensor networks［C］∥Proceedings of the 1st ACM Conference on Embedded Networked Sensor System(SenSys’03)，Los Angeles，CA，2003.

［7］ 汪學清.無線傳感器網絡中連通與覆蓋問題的研究［J］.計算機工程與應用，2006，42(36):136－138.