浙江科技学院学报，第２３卷第３期，２０１１年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶｏＩ．２３ Ｎｏ．３，Ｊｕｎｅ ２０１１ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—８７９８．２０１１．０３．００４ ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点部署策略研究 面向数字农业信息采集 项新建 ，郭，Ｊ、青 （浙江科技学院自动化与电气工程学院，杭州３１００２３） 摘要：ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的无线网络技术，数字农业具有偏远、分散、易变、多样等特点，基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无 线传感器网络是实现数字农业信息采集的最好方式之一。根据ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络部署规划的原则，结合中 国数字农业的现状，针对不同的数字农业信息采集空间结构，分析研究了几种ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点的部署 方案，计算了每种网络拓扑部署方案的最大网络容量和网络延时等参数指标，提出了一种面向数字农业信息采集 的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点部署策略。该策略对无线传感器网络的拓扑结构没有特定的要求，可以支持随机 部署或人工部署的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络。 关键词：数字农业信息采集；ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络；节点部署；网络规划；容量计算 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—８７９８（２０１１）０３—０ｌ８９一Ｏ４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅｓ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ＸＩＡＮＧ Ｘｉｎ—ｊ ｉａｎ。ＧＵＯ Ｘｉａｏ—ｑｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＺｉｇＢｅｅ ｉｓ ａｎ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｃｈｉｎａ’Ｓ ｄｉｇｉｔａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅｍｏｔｅ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ—ｂａｓｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｄｉｇｉｔａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｗａｙｓ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｏｕｒ ｄｉｇｉｔａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ。ｗｅ ｓｔｕｄｙ ｓｅｖｅｒａｌ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅｓ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅｉｒ ｌａｒｇｅｓｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｎｅｔｗｏｒｋ ｌａｔｅｎｃｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅｓ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｄｉｇｉｔａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｎＯ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ 收稿日期：２０１０－１２—２５ 基金项目：浙江省自然科学基金项目（ＹＬＯ８２６８）；浙江省重大科技专项项目（２００９Ｃ１ｌＯ４２） 作者简介：项新建（１９６４一），男，浙江省永康人，教授，硕士，主要从事智能检测、智能控制理论与技术的研究。 浙江科技学院学报 第２３卷 ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂｙ ｒａｎｄｏｍ ａｎｄ ｍａｎｕａｌ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｎｏｄｅ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｌａｎｎｉｎｇ；ｃａｐａｃｉｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 中国农业存在着地域分散、作物多样、物种纷杂、因素复杂等特点，是受环境影响最明显的领域，因此， 数字农业的数据实时采集就显得很重要。现有的数据采集系统通常使用人工统计或有线数据系统。有线 数据系统方法在一定程度上提高了工作效率，但仍不能实现实时有效的数据采集，而且还严重地受到地理 位置、物理线路和复杂环境因素的影响。近几年，现代无线网络技术和计算机应用技术的发展迅速，因此 把先进的无线传输技术应用到数字农业信息采集领域就成为一种紧迫的任务。为适合中国数字农业地域 特点，基于ＺｉｇＢｅｅ无线传输技术的传感器网络已成为数字化农业信息采集的较理想的系统解决方案口］。 无线传感器网络由许多部署在监测区域的无线传感器网络节点组成，它是一种通过无线传输而建立 的多点自组织的网络，旨在收集不受地理位置的信息并发送到控制中心。ＺｉｇＢｅｅ无线技术有体积 小、能耗低的特点，因此，ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络技术可以很好地满足数字化农业的信息获取需求。本文 将根据ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的组网原则及中国数字化农业的现状，分析研究几种不同条件下ＺｉｇＢｅｅ 无线传感器网络节点部署方案，计算各种节点部署方案的系统最大网络容量和网络延时等参数指标［２］，提 出一种面向数字化农业信息采集的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络组网方案。 １ ＺｉｇＢｅｅ技术简介 ＺｉｇＢｅｅ是一种新型的近距离、低功耗、低数据传输速率、低成本、易于实现的无线网络传输技术，是介 于无线射频技术和蓝牙技术间的无线传输解决方案，主要用于短距离无线传输［ 。ＺｉｇＢｅｅ实现了数以千 计的小型传感器节点的互联互通，这些传感器通过无线电波传递传送数据，信息在无线网络节点间传输只 需要很少能量．并且通信效率非常高。 ＺｉｇＢｅｅ的基础是ＩＥＥＥ ８０２．１５．４协议，该协议包括物理层、基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的ＭＡＣ层、网络层 和ＺｉｇＢｅｅ的应用层。该网络系统具有低功耗、低成本、短延迟、大容量、安全的特性。ＩＥＥＥ ８０２．１５．４协 议明确地定义了３种拓扑结构：星形结构、树形结构和网络结构。并且该协议规定了２种类型物理设备： 全功能节点（ＦＦＤ）和精简节点（ＲＦＤ）。全功能节点支持任何类型的拓扑结构，并能与任何节点通信；精简 节点只支持星形结构，并只能够与全功能节点通信。ＩＥＥＥ ８０２．１５．４网络需要一个全功能节点作为网络 服务节点，而终端节点一般使用精简节点（ＲＦＤ）来降低系统的成本和提高电池寿命。在ＺｉｇＢｅｅ的网络 层，网络地址采用分布式的地址，这些地址在某一特定网络中是唯一的。ＺｉｇＢｅｅ协调器也是一种全功能 的设备，它决定了能接人到网络的最大允许节点数量。 ２ 基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的数字农业信息采集节点部署策略研究 在设计系统之前，首先需要很好地了解系统的应用环境和ＺｉｇＢｅｅ的系统特性。系统应用环境包括目 标系统的数据采集结构、无线频带和信号传输环境，系统特性包括射频输出功率和接收器的灵敏度。 网络容量和可扩展性应该被认为是通用节点的重要部分。标准的ＺｉｇＢｅｅ网络容量能够支持多达 ６５ ０００多个网络节点，每两个邻近的节点需要用１５ ｍｓ去完成一次通讯。然而在实际应用中需要考虑网 络覆盖范围和响应时间。单点容量大了，覆盖范围扩充不大；响应时间大了，应用业务实现不了。这就需 要为不同的应用环境设计不同的网络拓扑结构，通过计算不同拓扑形式的网络容量和响应时间，设计不同 应用环境下的数字农业信息采集的节点部署策略［ 。 ２．１ 数字农业信息采集系统的空间架构 根据中国的地形、气候特性和地区农业经济发展的不同模式，农业生产地区可能是平原、高原、丘陵、 第３期 项新建，等：ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点部署策略研究一一面向数字农业信息采集 １９１ 草原、山区、湖泊、湿地等，与其农业生产相对应的往往是农田、果园、花园、牧场、鱼塘、渔场等。根据 ＺｉｇＢｅｅ网络的布网原则，数字农业信息采集的结构分为如下各项： １）线性结构。比如小的矩形的温室，细长形状的鱼池。 ２）平面网络结构。比如正方形的大规模的农田、牧场等。 ３）空间网络结构。比如在山上的果园、花园等。 ４）混合型结构。这是一个有线性的、平面的、立体空间网络结构的网络空间，比如包括鱼塘、农田和 果园的大规模的农场。 ２．２ ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点的线性结构 线性网络是一种最简单的网络，可用于矩形温室的数字农业信息采集。全部的网络只有一个路径，该 路径决定了节点的数量，相当于网络层或者中继段。这个中心节点位于全部网络的中心，网络循环扫描周 期（中心节点从所有的节点收集网络信息时间）取决于网络节点数。每次通讯周期估计要１５ ｍｓ，所以整 个网络循环扫描一遍的时间丁可以被表示成： Ｔ—ｌ５×２×（１＋２＋３＋…＋ ） （１） 式（１）中：Ｔ是全部网络节点循环扫描的时间，ｍｓ； 是网络层，网络节点是２ 。 当丁一３０ Ｓ时，计算得到 一４３，这就是说在３０ Ｓ时间里，线性结构网络可拥有扫描８６个节点的能 力。以通讯距离１００ ｍ计算的话，全部网络的覆盖范围是（ 一１）×２×１００—８ ４００ ｍ一８．４ ｋｍ长的线性 范围。根据式（１），当 一２２时，Ｔ一５ Ｓ。也就是说在３０ Ｓ的循环扫描时间里，网络能被分成６片，每片最 大容量是４４个节点，这就允许网络覆盖范围达到１４ ｋｍ （近似的 ，上一１３．８５），全部的网络容量也增加到 ２６４（６Ｘ ４４）个节点。 分析结论：线性网络的一个片在３０ Ｓ的扫描时间里最大容量是８６个节点，尽量减少中继节点有助于 提高网络容量。 ２．３ ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点的平面结构 应用于大型的农田和牧场的平面网络结构较为复杂，其复杂程度与网络路径多寡有关；扫描时间分析 也更加复杂，本文拿方形的作简要分析。 ＺｉｇＢｅｅ平面网络结构图如图１所示，假设一个节点在任何２根直线的交点上，中心节点在网络的中 心，围绕着中心节点的８个节点能直接通讯，１６个节点需要２个中继节点，２４个节点需要３个中继节点。 全部的网络扫描时间可以被表示成： Ｔ—ｌ５ ｍｓ×８×（１＋４＋９＋・・・＋ × ） （２） Ｎ一８×（１＋２＋３＋…＋ｒ／） （３） 式中： 是网络层；Ｎ是网络节点的容量。 当Ｔ一３０ Ｓ时，计算得到ｒ／一８，Ｎ一２６８。也就是说在３０ Ｓ 的循环扫描时间里，二维平面网络节点最大容量是扫描２６８个 节点。以每个节点的通信距离为１００ ｍ计算，全部网络的覆盖 范围是１．６×１．６—２．５６ ｋｍ。的区域。如果中心节点在全部网 络拓扑结构的边缘，很显然网络将会增加层的数量，延长了扫描 时间，并且减少了网络节点的容量。 分析结论：这个中心节点应该尽可能地设置在网络拓扑结 构的中心，越靠近边缘，扫描时间就越长，并且在限定的扫描时 间里，全部的网络容量将变得更小。 ２．４ ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点的立体网络结构 立体网络结构更加复杂。可以想象在Ｎ层高，每层分布 图１ ＺｉｇＢｅｅ平面网络结构 块梯田的果园内，每块梯田装一个通信节点所组成的网络结构。 Ｆｉｇ．１ Ｐｌａｎｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ＺｉｇＢｅｅ １９２ 浙江科技学院学报 第２３卷 全部的网络扫描时间表示成： Ｔ—ＮＸ￡＋ｎ×１５ ｍｓ×（１＋２＋３＋…＋Ｎ一１） （４） 式（４）中：丁是全部的扫描周期；ｔ是单层的扫描周期； 是每个平面节点的数量；Ｎ是立体层数。 根据式（４），每个平面可以被当作平面网络结构，整个网络由若干垂直分布的平面网状网络组成。在 ３Ｏ Ｓ的扫描周期里，当每层有２５个节点时，它只能扫描ｌｌ层。若把每一平面层看成是一个二分支线性结 构网络，整个网络由若干垂直分布的二分支线性网络组成，在３０ ｓ的扫描周期里，当每层有２４个节点时， 它只能扫描８层。 分析结论：空间网状网络的系统性能和每个平面层的节点个数有直接的关系，为增加网络容量，每个 层的节点数量将被。 ３ 结 语 ＺｉｇＢｅｅ网络节点部署在构建农业数字信息采集网络中是非常重要的。为了减少网络部署优化的工 作量 ］，要根据使用现场环境和使用要求，采用灵活组网的方式来构架拓扑结构。网络的部署设计是一个 系统的工程，需要有丰富的无线网络规划经验和积累。 参考文献： ［１］ 杨喜敏．传感器网络中的能量消耗问题研究［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００６（１）：２７—２９． １－２１刘丽萍，王智，孙优贤．无线传感器网络中的资源优化［Ｊ１．传感技术学报，２００６，１９（３）：９１７－９２５． １－３１彭爱平，郭晓松，蔡伟，等．无线传感器网络能量管理研究ＥＪ－１．传感器与微系统，２００７，２７（８）：１—５． ［４１ Ｒ（）ＵＭＤＹ Ｓ．ＯＴＩＳ Ｂ Ｐ，ＣＨＥＥＹ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ａ １．９ＧＨｚ ＲＦ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｂｅａｃｏｎ ｕｓｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｓｃａｖｅｎｇｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ［Ｃ］／／ＩＳＰＬＥＤ ２００３．Ｓｅｏｕｌ：ＩＳＰＬＥＤ，２００３：２５—２７． ［５３唐云建，梁山，冯会伟，等．低功耗射频唤醒无线传感器网络设计［Ｊ１．传感技术学报，２００７（１０）：２３２８—２３３２． （上接第１８４页） ５ 结 语 工业设计创新是提升产品附加价值最有效的途径之一，也是低碳经济发展的重要手段。为推动设计 创新，一要建立激励创新制度和健全知识产权保护及科学的行业价格指导，保障设计创新能力发展；二要 鼓励不同学科的人员参与设计研究，促进知识多元化设计团队的形成，进行深度的设计研究和形成有力的 设计依据，提升设计创新能力；三要形成企业工业设计绩效评估机制，客观衡量设计的价值，保证和提高设 计创新获利的能力；四要通过国家、企业、个人三方面的努力，建立博物馆，继承和发展企业的经典产品，对 少年儿童进行设计教育，形成中国的设计价值观，延续企业产品生命和振兴传统手工艺行业，并以独特的 设计价值观使得中国的产品顺利进入国际社会。因此，既要根据中国实际情况学习吸收国外的先进经验， 也要关注设计人员的利益，提升企业利益，更要考虑国家利益，使各个方面的相互利益做到最大化，这样才 能充分发挥工业设计的价值。 参考文献： ［１３庄永成．我国工业设计急需建立健全社会化服务体系Ｅｃ］／／中国科学技术协会．节能环保 和谐发展——２ｏｏ７中国 科协年会论文集（二）．北京：中国科学技术协会声像中心，２００７：５２４—５２６． ［２］ 王晓红．制约我国工业设计发展的因素及建议［Ｊ］．中国经贸，２０１０（１１）：７６—７９． ［３］赵江洪．设计心理学［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００５：７１—７２． ［４］ ＣＡＧＡＮ Ｊ，ＶＯＧＥＬ Ｃ．创造突破性产品——从产品策略到项目定案的创新［Ｍ３．辛向阳，潘龙，译．北京：机械工业出 版社，２００４：ｉ１７—２１０． ［５］涂翠珊．设计芬兰［Ｍ１．上海：上海人民出版社，２００９． ［６］ 于清华，张春彬．品味芬兰设计物语［Ｍ］．宁波：宁波出版社，２００８：ｌ７．
