面向大规模农田生境监测的无线传感器网络信号传播特性与供电策略研究

Applied in the precision agriculture, the habitat monitoring system based on wireless sensor network of the large-scale farmland has many characteristics, such as the long period of field monitoring, high energy consumption, difficult maintenance, complex deployment and other issues. Flooding with high efficiency and low delay of wireless sensor network is easily affected by crop growth height, density, nutrition, growth cycle and farmland environment and other factors, some phenomena become more and more serious, such as the node fault, energy cavity, network connectivity and intrusion of coverage area. The invalid node may cause the failure of a path or even crash of the entire network. Especially because the nodes with frequent use cause fast consumption of the energy, it is easy to bring the network in the dead lock state. To solve the above problems and provide technical support for reliable and efficient data transmission of wireless sensors and applied node deployment scheme, the signal propagation characteristics and channel model in the complex dynamic environment of the large-scale farmland will be studied. The power supply policy of the wireless sensor network in large-scale farmland is considered by combing the energy regeneration nodes into the network. It is helpful to reduce the cost of habitat monitoring network and extend the network life cycle. Develop nodes energy balance scheme based on solar / battery-powered, performance optimization of distributed data compression and distributed performance inference algorithm, to provide theoretical methods for wireless sensor network's popularization and application in high quality, efficient and modern agricultural production, and improve the precise management and control level of large-scale farmland habitats monitoring system.

在精准农业应用中，基于无线传感器网络的大规模农田生境监测系统存在野外监测周期长、能耗大、部署复杂等特点，高能效低延迟的泛洪传播易受到农作物生长高度、密度、营养成分、生长周期和农田环境等因素影响，无线传感器网络节点故障、能耗空洞、网络连通性及覆盖范围遭受冲击等现象严重。由于失效节点造成路径断路甚至整个网络瘫痪，特别是频繁应用的节点能量快速消耗，很容易导致网络处于死锁状态。针对以上问题，研究大规模农田渐变复杂环境信号传播环境特性及信道模型，为无线传感器可靠高效地数据传输和实用的节点部署策略提供技术支撑；考虑结合能源再生的农田无线传感器网络供电策略，有助于降低生境监测网络成本和延长网络生命周期；建立基于太阳能/电池供电节点能量均衡与分布式数据压缩的性能优化方案和分布式性能推测算法，为无线传感器网络在优质、高效的现代农业生产中普及应用提供针对性理论方法，提高大规模农田生境监测系统的精确化管控水平。

项目针对大规模农田生境监测的节点部署困难、信号传播阻抗强、节点能耗大等技术难题，按照计划书要求，围绕农田环境信号传播分析、结合能源再生的供电策略、网络性能优化与推测等方面开展相关理论技术研究。项目组经过四年的努力，在农田环境信道建模、农田传感网络混合供电方法，以及农田无线传感器器网络连通覆盖、拓扑控制、路由选择、网络接入、能耗优化等方面取得进展，并形成了一系列理论成果。依托本项目资助共计发表论文57篇，其中SCI已检索11篇、SCI录用3篇、EI已检索34篇；提交国家发明专利申请19项，其中已获授权7项，获得实用新型专利授权3项；获得北京市科学技术奖三等奖1项，申报山东省科学技术奖一等奖1项并已公示；制定北京市地方标准1项。.项目主要研究成果与创新工作有：①针对农田环境复杂多变特点，在大田信号传播实验与数据分析的基础上，发现传统对数衰减模型在复杂多径信道下的局限性，提出了以遮挡条件区分的多尺度建模方法，针对密集遮挡条件创新性提出了基于统计分布信道模型，有效解释了多尺度效应对信号强度的随机性影响，并提出了相应的模型评价方法。②针对网络能耗瓶颈引入可再生能源，从网络寿命、能耗、成本等博弈均衡角度研究了可再生能源节点在农田监测网络中的数量与位置选择问题，创新提出了可再生能源预测网络混合供电方法，根据剩余能量情况与可再生能源预期，动态转换节点状态，在可再生能源最大化利用同时保证网络持续稳定工作。③针对环境复杂、能量受限、多级异构等特点开展网络优化研究，创建基于农田信道模型的增量部署与虚拟力扩散方法，实现了多径信道下的最优部署；从节点能耗、节点位置、拓扑密度等方面优化关键节点选取，通过能量逼近式的簇头轮换方法降低了算法开销；针对农田环境数据稀疏特性研究了分布式数据融合方法，提出基于小波变换的伪完整向量填充与映射方法，减少簇内通信数据量。④针对农田网络动态变化特点，提出基于序列扇域集与多边形分割的拓扑快速构建与覆盖侦测方法，为网络性能评估优化提供支撑；针对农田高密度网络冲突干扰严重问题，通过机会频谱门限函数实现了复杂环境下的抗扰高效接入；并对网络性能与可靠性等进行研究与仿真，为复杂环境下的网络稳定高效传输提供理论基础。