溫室群監測傳感網絡模式及服務質量框架

摘要：為了實現大規模溫室群、連棟溫室自動監測與控制，針對溫室群環境監測的現實應用需求，對網絡模式及其服務質量標準框架進行研究，構建了可行、有效的網絡模式，并從服務質量的兩大層面對網絡模式的用戶服務需求及服務指標進行分解。研究采用質量功能展開方法，明確了網絡服務質量框架。該網絡模式及服務質量框架能有效增強整體網絡性能，滿足現實應用的服務質量需求。

關鍵詞：溫室群；監測傳感網絡；網絡模式；分簇；異構層次；服務質量框架

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0405-04

收稿日期：2014-03-27

基金項目：江蘇省農業委員會科技攻關項目（編號：2130109）；江蘇省泰州市社會發展項目（編號：TS2013023）。

作者簡介：成維莉（1982—），女，江蘇泰興人，碩士，講師，主要從事農業物聯網與信息系統研究。E-mail：41066741@qq.com。

通信作者：毛林，男，碩士，講師，主要從事農業信息化研究。Tel：（0523）86358610；E-mail：mljsahvc@foxmail.com。無線傳感網絡采用無線通信、微電子、嵌入式和分布式系統等技術，在監測區域內大量部署微型多傳感器節點，自組織成多跳網絡，協同感知、監測、處理覆蓋區域的感知對象信息[1]。無線傳感網絡是現代農業生產對環境實時、自動及精準的監測、管理與控制的核心與關鍵，主導著智慧農業信息化發展方向。ZigBee無線傳感網絡具有結構簡單、功耗低、組網靈活、可靠性高、無基礎設施等優點[2]，最適合溫室環境監測與控制，現有的成果主要集中于單體溫室監測的應用研究[3-10]，而溫室群或連棟溫室監測應用的全面性需求正不斷提升。目前，溫室群監測研究正處于起步階段[11-13]，且相關研究成果較少。

溫室群監測傳感網絡的應用研究需要經歷3個階段，即：網絡模式及其服務質量體系建立、網絡控制優化與仿真、網絡部署與維護。特定應用場景決定了網絡結構的特定模式，網絡模式成為規定服務質量需求的基礎條件[14]，其中網絡模式及其服務質量框架是研究的基礎、重點與核心。本研究針對溫室群環境監測網絡性能與服務質量的現實應用需求，對網絡模式及其服務質量標準框架進行研究，在構建可行、有效的網絡模式基礎上，從服務質量的兩大層面對用戶服務需求及網絡服務指標進行分解，采用質量功能展開的方法提出適用可行的服務質量框架。該網絡模式及其服務質量框架為優化網絡控制的實施提供了前提和基礎。

1問題與困難

與單體溫室監測相比，溫室群監測傳感網絡規模更大、覆蓋范圍更廣、監測信息種類更多、節點密度更高，網絡結構呈現分布式、異構化、多層次等復雜特征，受傳感網絡自身原有的資源有限、通信干擾不暢等因素制約，使得溫室群監測傳感網絡的研究面臨諸多困難，這些困難主要表現在：（1）現有單溫室系統網絡結構單一、可擴展性差，無法直接移植到溫室群系統。（2）研究過于理想化，缺乏有效性分析與可行性論證。現有研究中做了最理想的假設[11]，采用固有的組網結構，利用強功能設備（如服務器）將多個單體溫室網絡連接組合成溫室群監測網絡并進行仿真試驗，缺乏對網絡結構需求深入實際的可行性與有效性分析，而溫室群監測網絡需要結構良好、可擴展性強的網絡支持。（3）用戶所需服務質量難以保證。實時性、可靠性與網絡資源效能是無線網絡服務質量的3大基本標準[15]，ZigBee傳感網以數據為中心，資源嚴重受限，節點的處理、存儲、通信能力有限，網絡中無線信道通信受噪聲干擾存在不確定性，用戶所需的業務流受到限制，服務質量難以保證。

2服務質量

服務質量（QoS）是資源受限環境中盡可能獲得良好網絡整體性能、為用戶需求提供有關服務的一種保障機制，受到用戶高度關注[16]。服務質量（QoS）是用戶所需業務流（監測區域內感知信息或事件從源頭傳輸至目的地的數據流）在網絡傳輸整個過程中，對網絡服務需求的總和[17]。服務質量體現網絡整體性能對用戶提出業務要求的支持能力。服務質量指標是現實應用場景中支持服務需求而預定義的一組可測定量參數[18-19]，包括：網絡壽命、有效覆蓋率、連通性、吞吐量、丟包率、信號干擾、時延、負載均衡、可靠性、可擴展性等指標。服務質量指標體系是選擇特定服務質量指標進行組合的形式。服務質量機制通過服務質量指標體系，獲得指定業務流的傳輸[20]，最大程度地保證傳輸服務質量，有效縮減受限資源開銷、優化網絡整體性能，延長網絡生存期[19]。

無線傳感網應用場景復雜，服務質量框架沒有普適、統一的標準，須針對特定應用場合，由用戶和網絡之間協商確定[14]。一般劃分為3種等級[20]：保證服務（guaranteed QoS）、區分服務（differentiated QoS）和盡力而為的服務（best effort）。對數據為中心的任務型傳感器網絡，各種業務之間公平競爭網絡資源，盡力而為的服務框架使得一些業務流被迫丟棄[15]，服務質量需求不能得到全面的保證。

3網絡模式構建

3.1網絡結構需求

網絡模式是服務質量需求的前提及服務質量框架的基礎。溫室群監測區域中（圖1-a），一般需部署基站（網關）、協調器、路由器、各類傳感器（含RF無線收發模塊）等設備完成相應任務，協調器、路由器為全功能設備（full function device，FFD）。ZigBee協議將其定義為4種類型的節點，即網關節點、匯聚節點、中繼節點、感知節點，各節點在物理形態上呈現隨機散布（圖1-b）。感知節點將環境信息上傳或經中繼節點接力傳送至匯聚節點；中繼節點處理及轉發數據；匯聚節點是網絡或子網中唯一主控節點，將其他節點加入網絡，組建并維護網絡，同時壓縮、融合網絡數據，以減輕網絡負載；網關節點負責收集匯總全網的監測數據，配置、管理全網以及發布監測任務。ZigBee協議可將節點組網成星型、簇狀、網狀或混合型的自組織無線網絡，對整個網絡的感知區域實時監測與控制。

溫室群呈現大規模分布式特點，監測范圍廣，監測區域內節點數量眾多、類型各異。隨著網絡節點密度增大，節點類型與功能的不同，溫室群網絡復雜度增加。其網絡結構需求特征包括以下幾點[21]。

（1）異構性。溫室環境監測應用中，氣溫、濕度、土壤水分及酸堿度、二氧化碳濃度等感知對象種類各異，要求更多的異質傳感器節點獲取不同的信息。網絡節點類型、地位及分工的功能呈多樣化，節點自身資源狀況、數據通信與處理能力不同，使得組網結構的異構成為必須。異構型結構能剔除不必要的轉發路徑、避免冗余數據及內爆，并降低網絡功耗，延長網絡生存期。

（2）分簇特性。溫室群監測網絡中，簇成為通信骨干網絡，多簇樹結構能使網絡覆蓋范圍擴大，并且簡化多跳路由，更適合于溫室監測系統。異構結構中，須對節點按類型進行分組，構成星形結構的簇（cluster），利用簇首適當控制簇的規模。1個簇中同節點類型相同，初始能量與能耗水平相當，且感知數據的相似度高，在數據融合時可提高網絡運作功能，大幅降低節點能耗，延長網絡生存期，并具有高適應性和魯棒性。

（3）層次性需求。分層式網絡是一種網絡拓撲控制手段，可分類組網或聯接孤立的節點，在節點層數擴展空間上具有較大靈活性。對每個簇限定簇中節點數目的同時，分層傳輸數據。源節點監測有效覆蓋半徑或傳輸距離有限（理論上為10～75 m），且受環境變化、信道干擾等因素影響時，可擴展成多層結構，上層的簇首通過在簇內增加新簇或中繼節點，來延長通信距離，擴大多溫室塊狀監測區域的全網覆蓋范圍。

（4）能量有效性。溫室傳感網絡中，除網關節點（基站）不受能量限制外，其他各類均能量受限。感知節點與中繼節點由電池供電，出于節能與延長生存期，兩者無需進行數據處理，前者一般只負責采集和上傳數據，后者負責向骨干網轉發數據。層次性結構中，以簇首為中心構成骨干網絡，簇首節點為骨干節點，需配備更多能量，使其數據通信和處理能力更強。匯聚節點（協調器）與骨干網絡進行通信，通信能耗更大、數據負載重，容易引發故障或失效，需具有更強的接收/發射功率與承載能力。匯聚節點使用外接電源供電來保障匯聚節點工作穩定性、持續性與魯棒性。

3.2網絡模式設計

高服務質量和網絡資源高效利用是網絡設計的首要目標[17]。大規模溫室群環境中，節點呈現異構化特點，節點按同質分簇，以及網絡分層化的需要，組網結構隨之發生根本改觀。依據其業務需求，適應其拓撲結構變化，同時兼顧拓撲結構控制及優化問題，在邏輯上對溫室群網絡進行分簇異構層次型網絡模型設計，構建自組織、自愈合、數據轉發或重傳、易部署、覆蓋范圍可擴展的增強型結構（圖2）及信息傳輸方式（圖3）。該模型的構建過程為：（1）總體結構分4層：匯聚層、簇首層、中繼層（可擴展多層）、源節點層。（2）縱向上，單體溫室中安放1個匯聚節點（協調器），匯聚節點設備由外接電源供電，組建并維護1個子網，子網作為數據轉發的骨干網，4層結構自上而下構成多個子網，不同子網間相互獨立。（3）橫向上，匯聚層中匯聚層節點之間形成閉環結構，使不同子網間互相通信。（4）簇首層也為閉環結構，同一子網內簇首間可進行數據處理，轉發至上層匯聚節點。（5）子網內上下層直接通信，匯聚節點Si與各簇首節點Cij之間直接通信，子網可擴展為多層結構，自組織成多跳路由。

該模型的優勢為：（1）擴大了單體溫室監測覆蓋面積，并擴展了溫室群監控總體覆蓋范圍。在匯聚層加入新匯聚節點能增加新溫室，能適合于各種形態的溫室群，滿足溫室群規模擴大的需要。子網多層結構中可增設新節點，自組織成多跳路由，能擴大子網通信距離。（2）保障了網絡連通性與數據完整性。匯聚節點以外接電源供電，使其處理數據能力更強；匯聚節點相互交換信息，當其他子網故障或失效時能接管失效子網的所有信息；子網中簇首節點剩余能量許可情形下，可接管其他鄰近失效簇首節點并接受其所有信息。

4網絡服務質量框架

4.1服務質量需求

無線傳感網絡服務質量包含用戶層面、網絡層面2層含義[15]。用戶層面上，是用戶需求中得到的網絡服務水平，即網絡服務質量滿足用戶需求的程度。網絡層面上，是網絡向用戶提供滿足其業務的服務質量，體現網絡提供服務的容易程度及統一性[19]。針對上述溫室群監測網絡模型進行服務質量需求分析：

（1）用戶層面上，由用戶（可結合專家意見）提出若干符合實際業務的質量需求，形成較全面的用戶需求服務描述。最終明確的用戶需求包含10項（表1）。

（2）網絡層面上，服務質量需求的重點是明確服務質量度量。其中，實時性、可靠性和資源效能是傳感網絡服務質量機制中3個首要的度量指標[15]。同時還包含網絡壽命、有效覆蓋率、連通性、吞吐量、丟包率、信號干擾、時延、負載均衡等指標和可擴展性等服務要求[20]。服務質量含10項（表2），通過向專家咨詢由專家來確定。

表1用戶服務質量需求

需求項需求描述Q1（1）能對環境監控區域全面覆蓋Q1（2）對被監控區域發生的異常能夠實時反饋信息Q1（3）得到的數據準確真實Q1（4）節點失效能維持整個區域的監控Q1（5）收到來自控制者的查詢請求時反應迅速、響應快Q1（6）網絡工作時間長Q1（7）指派任務的命令迅速反應Q1（8）節點穩定、工作時間長Q1（9）能增加溫室、擴大監測范圍Q1（10）投資總成本低

表2溫室群監測網絡服務質量指標

服務質量項服務質量度量定義Q2（1）節點能耗Q2（2）有效覆蓋度Q2（3）實時性Q2（4）可靠性Q2（5）健壯性Q2（6）可擴展性Q2（7）連通性Q2（8）平均時延Q2（9）吞吐量Q2（10）丟包率

4.2服務質量框架

采用QFD方法建立服務質量框架，如圖4所示。QFD （quality function deployment） 方法[22]通過主動獲取用戶明確提出的服務質量需求，并挖掘用戶不明確的、潛在的需求，盡可能最大化為用戶提供“積極”的質量。通過3輪縱橫2相規劃（每個質量屋表示1輪），最終將用戶需求轉換成明確的網絡服務質量，對服務質量指標發揮作用與程度進行需求分析，評價各項指標貢獻值，考慮各項指標之間存在相互包含或矛盾選擇關鍵性指標。

5結論

網絡模式與服務質量是溫室群無線傳感器網絡應用研究的基礎、重點與核心，是解決傳感器網絡多樣性、復雜性應用的重要途徑。本研究提出了溫室群環境監測網絡模式及適用可行的服務質量框架，該框架的提出為溫室群環境監測應用提供了有效的解決方案。利用該網絡模式及其服務質量框架，進一步進行拓撲控制優化，能大大提高溫室群無線傳感器網絡性能，并滿足“區分服務”質量需要，為下一步要開展的研究工作提供了基礎。

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