温室群监测传感网络模式及服务质量框架

2014-09-02成维莉毛林徐冬寅等

江苏农业科学 2014年7期

成维莉　毛林　徐冬寅等

摘要：为了实现大规模温室群、连栋温室自动监测与控制，针对温室群环境监测的现实应用需求，对网络模式及其服务质量标准框架进行研究，构建了可行、有效的网络模式，并从服务质量的两大层面对网络模式的用户服务需求及服务指标进行分解。研究采用质量功能展开方法，明确了网络服务质量框架。该网络模式及服务质量框架能有效增强整体网络性能，满足现实应用的服务质量需求。

关键词：温室群；监测传感网络；网络模式；分簇；异构层次；服务质量框架

中图分类号： S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0405-04

收稿日期：2014-03-27

基金项目：江苏省农业委员会科技攻关项目（编号：2130109）；江苏省泰州市社会发展项目（编号：TS2013023）。

作者简介：成维莉（1982—），女，江苏泰兴人，硕士，讲师，主要从事农业物联网与信息系统研究。E-mail：41066741@qq.com。

通信作者：毛林，男，硕士，讲师，主要从事农业信息化研究。Tel：（0523）86358610；E-mail：mljsahvc@foxmail.com。无线传感网络采用无线通信、微电子、嵌入式和分布式系统等技术，在监测区域内大量部署微型多传感器节点，自组织成多跳网络，协同感知、监测、处理覆盖区域的感知对象信息[1]。无线传感网络是现代农业生产对环境实时、自动及精准的监测、管理与控制的核心与关键，主导着智慧农业信息化发展方向。ZigBee无线传感网络具有结构简单、功耗低、组网灵活、可靠性高、无基础设施等优点[2]，最适合温室环境监测与控制，现有的成果主要集中于单体温室监测的应用研究[3-10]，而温室群或连栋温室监测应用的全面性需求正不断提升。目前，温室群监测研究正处于起步阶段[11-13]，且相关研究成果较少。

温室群监测传感网络的应用研究需要经历3个阶段，即：网络模式及其服务质量体系建立、网络控制优化与仿真、网络部署与维护。特定应用场景决定了网络结构的特定模式，网络模式成为规定服务质量需求的基础条件[14]，其中网络模式及其服务质量框架是研究的基础、重点与核心。本研究针对温室群环境监测网络性能与服务质量的现实应用需求，对网络模式及其服务质量标准框架进行研究，在构建可行、有效的网络模式基础上，从服务质量的两大层面对用户服务需求及网络服务指标进行分解，采用质量功能展开的方法提出适用可行的服务质量框架。该网络模式及其服务质量框架为优化网络控制的实施提供了前提和基础。

1问题与困难

与单体温室监测相比，温室群监测传感网络规模更大、覆盖范围更广、监测信息种类更多、节点密度更高，网络结构呈现分布式、异构化、多层次等复杂特征，受传感网络自身原有的资源有限、通信干扰不畅等因素制约，使得温室群监测传感网络的研究面临诸多困难，这些困难主要表现在：（1）现有单温室系统网络结构单一、可扩展性差，无法直接移植到温室群系统。（2）研究过于理想化，缺乏有效性分析与可行性论证。现有研究中做了最理想的假设[11]，采用固有的组网结构，利用强功能设备（如服务器）将多个单体温室网络连接组合成温室群监测网络并进行仿真试验，缺乏对网络结构需求深入实际的可行性与有效性分析，而温室群监测网络需要结构良好、可扩展性强的网络支持。（3）用户所需服务质量难以保证。实时性、可靠性与网络资源效能是无线网络服务质量的3大基本标准[15]，ZigBee传感网以数据为中心，资源严重受限，节点的处理、存储、通信能力有限，网络中无线信道通信受噪声干扰存在不确定性，用户所需的业务流受到限制，服务质量难以保证。

2服务质量

服务质量（QoS）是资源受限环境中尽可能获得良好网络整体性能、为用户需求提供有关服务的一种保障机制，受到用户高度关注[16]。服务质量（QoS）是用户所需业务流（监测区域内感知信息或事件从源头传输至目的地的数据流）在网络传输整个过程中，对网络服务需求的总和[17]。服务质量体现网络整体性能对用户提出业务要求的支持能力。服务质量指标是现实应用场景中支持服务需求而预定义的一组可测定量参数[18-19]，包括：网络寿命、有效覆盖率、连通性、吞吐量、丢包率、信号干扰、时延、负载均衡、可靠性、可扩展性等指标。服务质量指标体系是选择特定服务质量指标进行组合的形式。服务质量机制通过服务质量指标体系，获得指定业务流的传输[20]，最大程度地保证传输服务质量，有效缩减受限资源开销、优化网络整体性能，延长网络生存期[19]。

无线传感网应用场景复杂，服务质量框架没有普适、统一的标准，须针对特定应用场合，由用户和网络之间协商确定[14]。一般划分为3种等级[20]：保证服务（guaranteed QoS）、区分服务（differentiated QoS）和尽力而为的服务（best effort）。对数据为中心的任务型传感器网络，各种业务之间公平竞争网络资源，尽力而为的服务框架使得一些业务流被迫丢弃[15]，服务质量需求不能得到全面的保证。

3网络模式构建

3.1网络结构需求

网络模式是服务质量需求的前提及服务质量框架的基础。温室群监测区域中（图1-a），一般需部署基站（网关）、协调器、路由器、各类传感器（含RF无线收发模块）等设备完成相应任务，协调器、路由器为全功能设备（full function device，FFD）。ZigBee协议将其定义为4种类型的节点，即网关节点、汇聚节点、中继节点、感知节点，各节点在物理形态上呈现随机散布（图1-b）。感知节点将环境信息上传或经中继节点接力传送至汇聚节点；中继节点处理及转发数据；汇聚节点是网络或子网中唯一主控节点，将其他节点加入网络，组建并维护网络，同时压缩、融合网络数据，以减轻网络负载；网关节点负责收集汇总全网的监测数据，配置、管理全网以及发布监测任务。ZigBee协议可将节点组网成星型、簇状、网状或混合型的自组织无线网络，对整个网络的感知区域实时监测与控制。endprint

温室群呈现大规模分布式特点，监测范围广，监测区域内节点数量众多、类型各异。随着网络节点密度增大，节点类型与功能的不同，温室群网络复杂度增加。其网络结构需求特征包括以下几点[21]。

（1）异构性。温室环境监测应用中，气温、湿度、土壤水分及酸碱度、二氧化碳浓度等感知对象种类各异，要求更多的异质传感器节点获取不同的信息。网络节点类型、地位及分工的功能呈多样化，节点自身资源状况、数据通信与处理能力不同，使得组网结构的异构成为必须。异构型结构能剔除不必要的转发路径、避免冗余数据及内爆，并降低网络功耗，延长网络生存期。

（2）分簇特性。温室群监测网络中，簇成为通信骨干网络，多簇树结构能使网络覆盖范围扩大，并且简化多跳路由，更适合于温室监测系统。异构结构中，须对节点按类型进行分组，构成星形结构的簇（cluster），利用簇首适当控制簇的规模。1个簇中同节点类型相同，初始能量与能耗水平相当，且感知数据的相似度高，在数据融合时可提高网络运作功能，大幅降低节点能耗，延长网络生存期，并具有高适应性和鲁棒性。

（3）层次性需求。分层式网络是一种网络拓扑控制手段，可分类组网或联接孤立的节点，在节点层数扩展空间上具有较大灵活性。对每个簇限定簇中节点数目的同时，分层传输数据。源节点监测有效覆盖半径或传输距离有限（理论上为10～75 m），且受环境变化、信道干扰等因素影响时，可扩展成多层结构，上层的簇首通过在簇内增加新簇或中继节点，来延长通信距离，扩大多温室块状监测区域的全网覆盖范围。

（4）能量有效性。温室传感网络中，除网关节点（基站）不受能量限制外，其他各类均能量受限。感知节点与中继节点由电池供电，出于节能与延长生存期，两者无需进行数据处理，前者一般只负责采集和上传数据，后者负责向骨干网转发数据。层次性结构中，以簇首为中心构成骨干网络，簇首节点为骨干节点，需配备更多能量，使其数据通信和处理能力更强。汇聚节点（协调器）与骨干网络进行通信，通信能耗更大、数据负载重，容易引发故障或失效，需具有更强的接收/发射功率与承载能力。汇聚节点使用外接电源供电来保障汇聚节点工作稳定性、持续性与鲁棒性。

3.2网络模式设计

高服务质量和网络资源高效利用是网络设计的首要目标[17]。大规模温室群环境中，节点呈现异构化特点，节点按同质分簇，以及网络分层化的需要，组网结构随之发生根本改观。依据其业务需求，适应其拓扑结构变化，同时兼顾拓扑结构控制及优化问题，在逻辑上对温室群网络进行分簇异构层次型网络模型设计，构建自组织、自愈合、数据转发或重传、易部署、覆盖范围可扩展的增强型结构（图2）及信息传输方式（图3）。该模型的构建过程为：（1）总体结构分4层：汇聚层、簇首层、中继层（可扩展多层）、源节点层。（2）纵向上，单体温室中安放1个汇聚节点（协调器），汇聚节点设备由外接电源供电，组建并维护1个子网，子网作为数据转发的骨干网，4层结构自上而下构成多个子网，不同子网间相互独立。（3）横向上，汇聚层中汇聚层节点之间形成闭环结构，使不同子网间互相通信。（4）簇首层也为闭环结构，同一子网内簇首间可进行数据处理，转发至上层汇聚节点。（5）子网内上下层直接通信，汇聚节点Si与各簇首节点Cij之间直接通信，子网可扩展为多层结构，自组织成多跳路由。

该模型的优势为：（1）扩大了单体温室监测覆盖面积，并扩展了温室群监控总体覆盖范围。在汇聚层加入新汇聚节点能增加新温室，能适合于各种形态的温室群，满足温室群规模扩大的需要。子网多层结构中可增设新节点，自组织成多跳路由，能扩大子网通信距离。（2）保障了网络连通性与数据完整性。汇聚节点以外接电源供电，使其处理数据能力更强；汇聚节点相互交换信息，当其他子网故障或失效时能接管失效子网的所有信息；子网中簇首节点剩余能量许可情形下，可接管其他邻近失效簇首节点并接受其所有信息。

4网络服务质量框架

4.1服务质量需求

无线传感网络服务质量包含用户层面、网络层面2层含义[15]。用户层面上，是用户需求中得到的网络服务水平，即网络服务质量满足用户需求的程度。网络层面上，是网络向用户提供满足其业务的服务质量，体现网络提供服务的容易程度及统一性[19]。针对上述温室群监测网络模型进行服务质量需求分析：

（1）用户层面上，由用户（可结合专家意见）提出若干符合实际业务的质量需求，形成较全面的用户需求服务描述。最终明确的用户需求包含10项（表1）。

（2）网络层面上，服务质量需求的重点是明确服务质量度量。其中，实时性、可靠性和资源效能是传感网络服务质量机制中3个首要的度量指标[15]。同时还包含网络寿命、有效覆盖率、连通性、吞吐量、丢包率、信号干扰、时延、负载均衡等指标和可扩展性等服务要求[20]。服务质量含10项（表2），通过向专家咨询由专家来确定。

表1用户服务质量需求

需求项需求描述Q1（1）能对环境监控区域全面覆盖Q1（2）对被监控区域发生的异常能够实时反馈信息Q1（3）得到的数据准确真实Q1（4）节点失效能维持整个区域的监控Q1（5）收到来自控制者的查询请求时反应迅速、响应快Q1（6）网络工作时间长Q1（7）指派任务的命令迅速反应Q1（8）节点稳定、工作时间长Q1（9）能增加温室、扩大监测范围Q1（10）投资总成本低

表2温室群监测网络服务质量指标

服务质量项服务质量度量定义Q2（1）节点能耗Q2（2）有效覆盖度Q2（3）实时性Q2（4）可靠性Q2（5）健壮性Q2（6）可扩展性Q2（7）连通性Q2（8）平均时延Q2（9）吞吐量Q2（10）丢包率

4.2服务质量框架

采用QFD方法建立服务质量框架，如图4所示。QFD （quality function deployment）方法[22]通过主动获取用户明确提出的服务质量需求，并挖掘用户不明确的、潜在的需求，尽可能最大化为用户提供“积极”的质量。通过3轮纵横2相规划（每个质量屋表示1轮），最终将用户需求转换成明确的网络服务质量，对服务质量指标发挥作用与程度进行需求分析，评价各项指标贡献值，考虑各项指标之间存在相互包含或矛盾选择关键性指标。endprint

5结论

网络模式与服务质量是温室群无线传感器网络应用研究的基础、重点与核心，是解决传感器网络多样性、复杂性应用的重要途径。本研究提出了温室群环境监测网络模式及适用可行的服务质量框架，该框架的提出为温室群环境监测应用提供了有效的解决方案。利用该网络模式及其服务质量框架，进一步进行拓扑控制优化，能大大提高温室群无线传感器网络性能，并满足“区分服务”质量需要，为下一步要开展的研究工作提供了基础。

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