农田非对称无线传感器网络动态拓扑控制与多尺度抗扰特性研究

The applications of the farmland wireless sensor networks (WSN) exist many specific characteristics, large spatial extent, uneven planting density, dynamic change of the plant height and so on. These characteristics result in the irregular sensing region of the WSN node, the multipath fading channel and asymmetric data transceiver between WSN nodes. Many problems, such as WSN monitoring region missing, signal propagation channel instability, key information loss of the collected data, appear. To solve the above problems, the topology control method of the network based on the cooperative localization of the cross-layer and cross-region fiducial nodes will be studied in order to provide the optimized network arrangement and reduce the probability of the sensing dead zone and the overlap zone. In order to solve the problem of the asymmetric data transceiver between WSN nodes, the asymmetric channel estimation and the optimization strategy of the network structure should be researched. The farmland network is often in the critical damage state which may result into data transmission error. In order to reduce the data transmission error, coupling fault-tolerant code based on the edge detection will be provided. Develop the data transmission path switching strategy, farmland environment collected information and transmission control information bidirectional path selection strategy, to realize the reliable information transmission with the low complexity control behavior. Based on a variety of farmland environment factors and the weight coefficients, the farmland asymmetric loss network performance evaluation model will be established in order to provide decision basis for the reliable data transmission of the farmland network.

农田无线传感器网络应用存在范围大、种植密度不均、株高动态变化等特点，产生了网络节点感知区域不规则、信道多径衰落和数据收发非对称等现象，造成了网络覆盖区域遗漏、信号传播不稳定、监测数据关键信息缺失等问题。针对上述问题，研究基于农田多径衰落环境跨层区域置信节点协同定位的网络拓扑控制方法，实现农田多径衰落环境下最优网络部署，降低感知覆盖盲区和重叠区概率；针对数据收发信道的非对称特性，研究非对称信道估计与能量均衡网络结构优化策略；针对农田网络时常处于临界有损状态，研究边界检测的容错耦合编码方法，实现信息低传输量和降损的综合优化；研究数据传输通路切换策略以及农田环境采集信息与传输控制信息双向路径选择策略，实现低复杂度控制行为下的信息可靠传输；基于多种农田环境因子及其权重系数，建立农田非对称有损网络性能评估模型，为农田网络应用数据可靠传输提供决策依据，从而促进无线传感器网络在现代农业生产中普及应用。

农业生产中的气象、土壤、作物生理等数据实时监测是实现智能化决策与自动化作业的基础与关键，准确可靠的物联网监测是其中的重要环节。按照计划书要求，项目针对农田复杂环境、作物生长变化等造成的网络动态、信道非对称、临界有损等特点，围绕农田衰落环境置信覆盖、拓扑结构优化、容错耦合编码传输与性能评估等方面开展相关理论技术研究。项目组经过四年研究努力，在不规则感知增量部署、拓扑矢量化反馈控制、容错耦合编码、信道估计可靠传输以及网络性能评估模型等多个方面取得进展，形成了系列理论成果。依托项目资助共计发表论文13篇，其中SCI检索3篇、EI检索7篇；提交国家发明专利申请7项，其中已获授权3项，获得软件著作权1项；参编专著1本；获得全国农牧渔业丰收奖一等奖1项、天津市科学技术进步奖二等奖1项、吴文俊人工智能科技进步奖三等奖1项。.项目主要研究成果与创新工作有：①针对网络节点间信道多径快衰落可能引起的节点通信各向异性的问题，创新提出了农田环境不规则感知概率分布模型，研究基于置信覆盖与能耗双重约束的节点增量部署覆盖增强策略，实现概率感知模型下的覆盖与网络寿命优化。②针对农业环境时变、各向异性等特点，采用有向连通图的方式实现非对称动态网络精量化模型描述，创新性提出基于农机的移动sink方式，通过子网划分与遍历实现高效可靠的网络拓扑组织。③归纳了农田网络不同故障场景下的数据丢失模型，提出机会路径交织的编码方式实现数据融合重构，实现了有损网络容错传输，并提出多视角投影进行数据降维，使重构方法适用于资源受限的农田WSN网络节点。④综合农田信道模型、接收端信号强度、信噪比等估计节点间连通概率，创新了基于链路质量估计的簇首成链路由方法，建立了农田非对称有损网络性能评估模型，对链路连通概率、链路转发能耗、网络综合寿命等进行综合仿真与评估，保证了农业有损网络中的数据可靠抗扰传输，为农业生产物联网监测应用提供了重要依据与技术手段。