[发明专利]一种基于无线传感器执行网络的设施作物生长参数监测和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术、传感器技术、微电子技术、计算机技术、分布式信息处理技术、协同合作技术、智能控制技术领域，具体地讲是一种基于无线传感器执行网络（Wireless Sensor and Actor Network ,WSAN）的设施作物（果蔬、花卉）生长参数监测和控制方法，其特征是它采用三层协作模型：传感器(Sensor)节网络的设施作物生长环境参数监测和控制方法，属于无线传感网技术领域。 

背景技术

传统设施作物往往孤立地使用机器设备来管理，由于设备之间没有通信能力，所以无法摆脱依靠人力监控作物生长的尴尬局面。自从20世纪90年代以来，随着微电子技术、计算机技术和无线通信技术等技术的发展，推动了低功耗多功能传感器节点的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，从而实现对监测区域事件的协同感知。随着WSN技术应用于设施作物中，使得人们从繁杂的劳动中解脱出来，实现了设施作物应用的自动化、网络化和智能化。

但是，WSN网络只能对感知对象进行简单的感知，而不能对感知的结果做出任何决策。随着自动控制技术的发展，这种结果已经不能满足社会发展的需求，人们现在需要WSN网络能够在无人看守的环境中，对设施大棚中发生的事件自动做出决策，能够进行自动控制，而无需人为干预，成为一种具有智能控制的网络，这就导致了无线传感器执行器网络(Wireless Sensor and Actor Network, WSAN)的提出。

WSAN是由大量资源受限的传感器(Sensor)节点和少量资源丰富的执行器节点通过无线通信自主形成的。在WSAN网络中,传感器节点负责收集外界的事件信息,然后上报给簇头节点，而执行器节点依据从簇头节点接收传感器节点探测到的信息做出决策,并对事件区域做出响应。在传统的基于WSN的设施作物应用中，事件信息先传递给下降节点，然后在由下降节点召唤相应的执行器节点来进行控制；而基于WSAN的方式能使得感知-控制的效率更高，事件信息直接由簇头节点报告给执行器节点，由执行器节点进行决策，实现了设施作物应用的自动性、智能性和实时性。而且与传统无线传感器网络中的下降节点与传感器节点的通信相比,执行器节点与传感器节点距离相对接近, 从传感器节点检测到事件至执行器节点做出响应之间的时间延迟较短,更能够满足实时应用的需求。这种网络具有广泛的应用前景,如战场监视系统、核生化攻击检测系统、工业控制、环境监测系统以及资产跟踪等。

由于WSAN网络具有节点异构性、节点部署多样性、节点协作多样性、执行器节点具有移动性等特点，所以原有WSN网络中的路由协议并不能很好的适用于WSAN网络。为了解决WSAN网络中传感器节点将检测到的事件报告给执行器节点，然后由执行器节点做出相应的决策，就需要我们根据WSAN网络的特点去研究适合WSAN网络的路由协议。

目前国内外对于WSAN路由的研究不足，基本上是通过对原有的WSN路由进行改进，以适应WSAN的环境。WSN路由协议根据拓扑结构分为两类：平面路由协议和层次路由协议。其中平面路由协议又可以为分为主动路由协议和反应式路由协议以及基于地理位置路由协议，而层次路由协议分为单层路由协议和多层路由协议。对于平面路由协议经典的路由算法包括Flooding洪泛、DD定向扩散、AODV距离适量路由和GEAR地理位置路由，但这些路由协议在选择下一跳节点的时候需要转发大量的数据包，严重消耗了网络带宽，而且数据包到达的延时大，无法满足WSAN网络的低能耗和实时性要求。对于层次路由协议经典的算法包括LEACH低能耗自适应算法、LSCA基于链路状态的动态分簇算法、TEEN基于阈值的能量有效的路由，但这些路由协议有个共同的缺点就是CLH能量消耗过快，网络需要频繁地进行簇头重新选举，同时一些协议对于簇头重新选取阶段考虑不足，严重缩短了网络生存周期。