潘小紅

(長江大學(xué) 文理學(xué)院，湖北 荊州434000)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是以自組織方式構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象的信息［1，2］。

節(jié)點(diǎn)部署是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問題，一個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)部署方案應(yīng)該首先考慮到節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，其次是網(wǎng)絡(luò)性能［3］。目前節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)輪換周期工作機(jī)制，每個(gè)周期由一個(gè)“選擇”階段和一個(gè)“工作”階段組成。該算法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)出現(xiàn)覆蓋盲點(diǎn)，因而可以保證網(wǎng)絡(luò)的充分覆蓋，但該算法的節(jié)點(diǎn)輪換機(jī)制只適用于傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域?yàn)閳A形。SPAN［5］算法是非集中式的協(xié)調(diào)控制算法，它通過使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)活躍節(jié)點(diǎn)構(gòu)成通信骨干網(wǎng)，其余節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。SPAN 算法只注重網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的連通性，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題。CCP［6］算法將覆蓋與連通問題結(jié)合考慮，但CCP 算法中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要精確的自定位。

本文基于茶園墑情監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用性研究，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)分布形式，保證了網(wǎng)絡(luò)的良好連通性。

1 理 論

假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)能對(duì)其周圍實(shí)行全方向探測，即其覆蓋范圍是一個(gè)半徑為r 的圓形區(qū)域;探測區(qū)域所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有相同的發(fā)射功率;探測區(qū)域所有傳感器節(jié)點(diǎn)都在同一個(gè)平面內(nèi)。

有效覆蓋面積定義:節(jié)點(diǎn)Z 的有效覆蓋面積為節(jié)點(diǎn)Z的有效覆蓋范圍πr2減去和其他節(jié)點(diǎn)重復(fù)覆蓋的區(qū)域面積。

由定理［7］可知，當(dāng)3 個(gè)圓相交于一點(diǎn)且由圓心構(gòu)成的三角形為等邊三角形時(shí)，如圖1 所示，取得無縫最大有效覆蓋面積，即

2 茶園節(jié)點(diǎn)部署

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

實(shí)驗(yàn)中采用了兩種部署方案，分別是隨機(jī)部署和菱形網(wǎng)絡(luò)部署。使用Crossbow 公司的Micaz 節(jié)點(diǎn)，傳感器板MDA320，土壤水分傳感器為錦州陽光科技公司生產(chǎn)的TDR—3 型。

隨機(jī)部署用了10 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置如圖2 所示。節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率設(shè)置為最大0 dBm，在發(fā)包間隔分別為10，20，30，40 s 的設(shè)置下，各個(gè)間隔時(shí)間連續(xù)測試12 h 數(shù)據(jù)包發(fā)送的方向如圖2 中的箭頭方向。實(shí)驗(yàn)中始終沒有接收到節(jié)點(diǎn)8 的數(shù)據(jù)包。

圖2 隨機(jī)部署12 h 數(shù)據(jù)包發(fā)送方向Fig 2 Direction of data package transmission after 12 h random deployment

根據(jù)最大有效覆蓋面積理論，采用菱形部署，本次實(shí)驗(yàn)采用9 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器相鄰節(jié)點(diǎn)的距離為30 m，各節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系如圖3 所示。節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置為－3 dBm，在發(fā)包間隔分別為10，20，30，40 s 的設(shè)置下，各個(gè)間隔時(shí)間連續(xù)測試12 h 數(shù)據(jù)包發(fā)送的方向如圖3 中的箭頭方向，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包都被接收到。

圖3 菱形部署12 h 數(shù)據(jù)包發(fā)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(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，通常在吞吐量范圍內(nèi)測試。丟包率與數(shù)據(jù)包長度和包發(fā)送頻率相關(guān)。數(shù)據(jù)包在傳送過程中，可能由于節(jié)點(diǎn)隊(duì)列溢出、報(bào)文沖突、路由失敗、超時(shí)等原因而丟失。丟包率ρ=D/N，N 為報(bào)文發(fā)送過程中的總報(bào)文數(shù)量，D 指發(fā)送過程中丟失的數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)量，它反映了應(yīng)用層報(bào)文的丟失狀況，同時(shí)也反映了路由協(xié)議和MAC 層協(xié)議的性能指標(biāo)。

3.1 隨機(jī)部署丟包率

在發(fā)包間隔分別為10，20，30，40 s 的設(shè)置下，各個(gè)間隔時(shí)間連續(xù)測試12 h 節(jié)點(diǎn)的丟包情況，如表1 所示。

表1 隨機(jī)部署12 h 丟包率Tab 1 Package loss rate after 12 h random deployment

對(duì)表1 進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論:由于最大發(fā)射功率0 dBm時(shí)，節(jié)點(diǎn)在空曠環(huán)境下最大通信距離為80 m 左右，而茶園實(shí)際地形和樹木等外界環(huán)境影響，造成7#，8#節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)沒有接收到。當(dāng)發(fā)送包時(shí)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(fā)包間隔增大，節(jié)點(diǎn)丟包率會(huì)減少。

3.2 菱形部署丟包率

同理，在發(fā)包間隔分別為10，20，30，40 s 的設(shè)置下，各個(gè)間隔時(shí)間連續(xù)測試12 h 節(jié)點(diǎn)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(duì)表2 進(jìn)行分析可知，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都能被接收到，且丟包率不超過10%。當(dāng)發(fā)送包時(shí)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(fā)包間隔增大，節(jié)點(diǎn)丟包率同樣會(huì)減少。

通過對(duì)表1 與表2 丟包率分析可知，在同一發(fā)包時(shí)間間隔條件下，與隨機(jī)部署網(wǎng)絡(luò)相比，菱形部署網(wǎng)絡(luò)丟包率低，網(wǎng)絡(luò)性能好。

4 結(jié) 論

網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在具體應(yīng)用時(shí)首先要解決的問題。本文對(duì)茶園實(shí)際節(jié)點(diǎn)部署進(jìn)行測試，對(duì)比了兩種不同部署方案的網(wǎng)絡(luò)性能。結(jié)果表明:菱形網(wǎng)絡(luò)的部署方案使用的節(jié)點(diǎn)少，丟包低，網(wǎng)絡(luò)性能好。

［1］ 崔 麗，鞠海玲，苗 勇，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005，42(1):163－174.

［2］ 陸克中，劉應(yīng)鈴.一種線型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)布置方案［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(7):1566－1568.

［3］ 謝潔銳，劉才興，胡月明.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署［J］.傳感器與微系統(tǒng)，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(xué)清.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中連通與覆蓋問題的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006，42(36):136－138.