基于茶园旱情监测的无线传感器网络部署研究

潘小红

(长江大学 文理学院，湖北 荆州434000)

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)是以自组织方式构成的无线通信网络，能够协作地实时监测、感知和采集监控区域内的各种环境或监测对象的信息［1，2］。

节点部署是无线传感器网络的一个基本问题，一个典型的节点部署方案应该首先考虑到节点个数，其次是网络性能［3］。目前节点部署的主要算法有Node Self－Scheduling算法、SPAN 算法、CCP 算法。

Node Self－Scheduling［4］算法采用节点轮换周期工作机制，每个周期由一个“选择”阶段和一个“工作”阶段组成。该算法的优点是不会出现覆盖盲点，因而可以保证网络的充分覆盖，但该算法的节点轮换机制只适用于传感器节点覆盖区域为圆形。SPAN［5］算法是非集中式的协调控制算法，它通过使网络内活跃节点构成通信骨干网，其余节点关闭，从而实现节能。SPAN 算法只注重网络内的连通性，没有考虑网络的覆盖问题。CCP［6］算法将覆盖与连通问题结合考虑，但CCP 算法中的每个节点都需要精确的自定位。

本文基于茶园墒情监测的无线传感器网络部署应用性研究，优化节点数目和节点分布形式，保证了网络的良好连通性。

1 理 论

假设每个传感器节点能对其周围实行全方向探测，即其覆盖范围是一个半径为r 的圆形区域;探测区域所有传感器节点都具有相同的发射功率;探测区域所有传感器节点都在同一个平面内。

有效覆盖面积定义:节点Z 的有效覆盖面积为节点Z的有效覆盖范围πr2减去和其他节点重复覆盖的区域面积。

由定理［7］可知，当3 个圆相交于一点且由圆心构成的三角形为等边三角形时，如图1 所示，取得无缝最大有效覆盖面积，即

2 茶园节点部署

图1 最大有效覆盖面积Fig 1 The maximum effective coverage areas

实验中采用了两种部署方案，分别是随机部署和菱形网络部署。使用Crossbow 公司的Micaz 节点，传感器板MDA320，土壤水分传感器为锦州阳光科技公司生产的TDR—3 型。

随机部署用了10 个传感器节点，各个节点的相对位置如图2 所示。节点的发送功率设置为最大0 dBm，在发包间隔分别为10，20，30，40 s 的设置下，各个间隔时间连续测试12 h 数据包发送的方向如图2 中的箭头方向。实验中始终没有接收到节点8 的数据包。

图2 随机部署12 h 数据包发送方向Fig 2 Direction of data package transmission after 12 h random deployment

根据最大有效覆盖面积理论，采用菱形部署，本次实验采用9 个传感器节点，传感器相邻节点的距离为30 m，各节点位置关系如图3 所示。节点的发射功率设置为－3 dBm，在发包间隔分别为10，20，30，40 s 的设置下，各个间隔时间连续测试12 h 数据包发送的方向如图3 中的箭头方向，所有节点的数据包都被接收到。

图3 菱形部署12 h 数据包发送方向Fig 3 Direction of data package transmission after 12 h diamond-shaped deployment

3 丢包率测试

丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，通常在吞吐量范围内测试。丢包率与数据包长度和包发送频率相关。数据包在传送过程中，可能由于节点队列溢出、报文冲突、路由失败、超时等原因而丢失。丢包率ρ=D/N，N 为报文发送过程中的总报文数量，D 指发送过程中丢失的数据报文数量，它反映了应用层报文的丢失状况，同时也反映了路由协议和MAC 层协议的性能指标。

3.1 随机部署丢包率

在发包间隔分别为10，20，30，40 s 的设置下，各个间隔时间连续测试12 h 节点的丢包情况，如表1 所示。

表1 随机部署12 h 丢包率Tab 1 Package loss rate after 12 h random deployment

对表1 进行分析，得到如下结论:由于最大发射功率0 dBm时，节点在空旷环境下最大通信距离为80 m 左右，而茶园实际地形和树木等外界环境影响，造成7#，8#节点数据没有接收到。当发送包时间间隔为10，20，30，40 s，平均丢包率分别为23.79%，17.32%，10.01%，7.28%，即随发包间隔增大，节点丢包率会减少。

3.2 菱形部署丢包率

同理，在发包间隔分别为10，20，30，40 s 的设置下，各个间隔时间连续测试12 h 节点的丢包情况，如表2 所示。

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

对表2 进行分析可知，所有节点的数据都能被接收到，且丢包率不超过10%。当发送包时间间隔为10，20，30，40 s，平均丢包率分别为5.07%，4.41%，4.20%，3.54%，即随发包间隔增大，节点丢包率同样会减少。

通过对表1 与表2 丢包率分析可知，在同一发包时间间隔条件下，与随机部署网络相比，菱形部署网络丢包率低，网络性能好。

4 结 论

网络的节点部署是无线传感器网络在具体应用时首先要解决的问题。本文对茶园实际节点部署进行测试，对比了两种不同部署方案的网络性能。结果表明:菱形网络的部署方案使用的节点少，丢包低，网络性能好。

［1］ 崔 丽，鞠海玲，苗 勇，等.无线传感器网络研究进展［J］.计算机研究与发展，2005，42(1):163－174.

［2］ 陆克中，刘应铃.一种线型无线传感器网络的节点布置方案［J］.计算机应用，2007，27(7):1566－1568.

［3］ 谢洁锐，刘才兴，胡月明.无线传感器网络的部署［J］.传感器与微系统，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］ 汪学清.无线传感器网络中连通与覆盖问题的研究［J］.计算机工程与应用，2006，42(36):136－138.