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摘 要： 摘要：移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)提供了高效可行的技術(shù)手段。該研究根據(jù)南方農(nóng)田地塊相對(duì)分散、丘陵山地多，農(nóng)情信息獲取環(huán)境惡劣、采集數(shù)據(jù)時(shí)間周期長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)分割成塊的特點(diǎn)，利用UAV(unmanned aerialvehicle)具有的高效、靈活的特性，結(jié)合低功耗無(wú)線傳感器
摘要：移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)提供了高效可行的技術(shù)手段。該研究根據(jù)南方農(nóng)田地塊相對(duì)分散、丘陵山地多，農(nóng)情信息獲取環(huán)境惡劣、采集數(shù)據(jù)時(shí)間周期長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)分割成塊的特點(diǎn)，利用UAV(unmanned aerialvehicle)具有的高效、靈活的特性，結(jié)合低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出一種滿足南方農(nóng)田信息獲取采樣和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的三層架構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)TUFSN(three.tire unmanned aerial vehicle farmland sensor network)，其由數(shù)據(jù)采集層、中繼傳輸層和移動(dòng)匯聚層組成，該體系結(jié)構(gòu)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、可擴(kuò)展性好、系統(tǒng)整體能耗低等特點(diǎn)。通過(guò)仿真可得中繼節(jié)點(diǎn)RN (relay node)的緩存大小范圍為3～13kB，系統(tǒng)試驗(yàn)中攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的UAV以lm/s的速度、15 m的高度在農(nóng)田上空飛過(guò)，飛行過(guò)程中與地面中繼節(jié)點(diǎn)通信并采集農(nóng)田信息，UAV與地面中繼節(jié)點(diǎn)的平均通信時(shí)長(zhǎng)為26 S，仿真和試驗(yàn)表明，基于UAV的三層架構(gòu)農(nóng)田信息采集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)很好地滿足了南方地區(qū)農(nóng)田信息數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的生命周期長(zhǎng)、傳輸數(shù)據(jù)可靠、覆蓋面積廣的要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測(cè);農(nóng)田
0引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor network)是嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，進(jìn)行信息獲取和對(duì)象跟蹤，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)【l’2】。農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)一般部署在條件相對(duì)惡劣的大自然農(nóng)業(yè)環(huán)境中，用來(lái)對(duì)農(nóng)田和農(nóng)作物的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)【3卅。在農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)WSN中，往往隨機(jī)散布著數(shù)量龐大的、低功耗的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)屬于一種微型嵌入式系統(tǒng)，可以從農(nóng)田環(huán)境中感知、采集信息。農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)WSN整體上要求能自組成網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要求能進(jìn)行本地信息和數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送，還要求能對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)執(zhí)行存儲(chǔ)、計(jì)算和匯聚等操作。由于節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，從而在功能設(shè)計(jì)上要求節(jié)點(diǎn)必須是低功耗的，因此節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都會(huì)相對(duì)較弱。受到農(nóng)田復(fù)雜的自然環(huán)境條件限制，替換節(jié)點(diǎn)或補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)的能量是不現(xiàn)實(shí)的。因此，如何采用較少節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效、可靠的農(nóng)田信息采集成為近些年研究的熱點(diǎn)之一。
Matthias等的研究表明移動(dòng)性可以明顯提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，其研究證實(shí)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中并可擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的范圍【5】。Rahul等提出了Data MULEs(mobile ubiquitous local area network extensions)模型，采用一種三層架構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)相互孤立的WSN之間的數(shù)據(jù)通信，在該模型中MULEs由人或汽車或者牲畜作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)充當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)和存取節(jié)點(diǎn)之間的移動(dòng)對(duì)象[61。Ataul等提出采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集的分層結(jié)構(gòu)模型【71。Imad等提出一種利用無(wú)人機(jī)與線性無(wú)線傳感網(wǎng)相結(jié)合的框架結(jié)構(gòu)，完成對(duì)規(guī)則的、按線性排序的無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)海底地下傳輸管道監(jiān)控[8]。 Dong等提出采用無(wú)人機(jī)幫助采集WSN中數(shù)據(jù)pJ。 Martinez deDios等提出采用無(wú)人飛行系統(tǒng)與無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)作實(shí)現(xiàn)大規(guī)模環(huán)境中有效數(shù)據(jù)采集[10-11】。部分國(guó)外研究利用空地?zé)o線傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、相對(duì)的或絕對(duì)的物體動(dòng)態(tài)定位[12-141，也有部分國(guó)外研究討論了移動(dòng)存取中的編碼問(wèn)題[15-18】、提升移動(dòng)節(jié)點(diǎn)服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題(QoS， quality of service)[19‘20】、UAV路由問(wèn)題[2l-233和多架UAV 協(xié)同作業(yè)問(wèn)趔24】。在國(guó)內(nèi)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)周志艷等提出中國(guó)航空植保作業(yè)采用多機(jī)型、多作業(yè)方式，研究飛行高度和飛行速度及旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積與漂移的影響規(guī)律[251。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所薛新宇等研究N一3型無(wú)人直升機(jī)施藥方式對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果的影響【26】。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張瑞瑞等研究設(shè)計(jì)基于變介電常數(shù)電容器的航空施藥?kù)F滴沉積傳感器【271。李罕上等研究UAV—WSN系統(tǒng)MAC協(xié)議及UAV的路徑規(guī)劃研烈281。但無(wú)人機(jī)與WSN結(jié)合應(yīng)用于農(nóng)田信息采集與分析尚處于起步研究階段。
本研究根據(jù)中國(guó)南方農(nóng)田信息采集的特點(diǎn)與要求，提出一種滿足南方農(nóng)田信息獲取采樣特點(diǎn)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的三層架構(gòu)的無(wú)線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)TUFSN(three.tire unmanned aerial vehicle farmland sensor network)。該體系架構(gòu)通過(guò)減輕WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸任務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的壽命;通過(guò)增強(qiáng)中繼節(jié)點(diǎn)的功能和電源供應(yīng)，減少因傳輸節(jié)點(diǎn)失效引起的資源消耗;通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供的良好網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量，提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率和系統(tǒng)壽命【29。30】。
1 TUFSN系統(tǒng)
1.1 TUFSN系統(tǒng)組成
TUFSN由傳感器節(jié)點(diǎn)(SN，sensor node)、中繼節(jié)點(diǎn)(RN.relay node)、無(wú)人飛行器(UAV)、數(shù)據(jù)中心 (DC，data center)等元素構(gòu)成，如圖1所示。
傳感器節(jié)點(diǎn)具有體積小、能耗低、價(jià)格廉等特點(diǎn)，并具有感知外界環(huán)境，進(jìn)行無(wú)線通信和運(yùn)算等功能。這類節(jié)點(diǎn)可以感知并收集土壤溫濕度、pH值、環(huán)境溫濕度、風(fēng)力或其他出現(xiàn)在農(nóng)田環(huán)境中的數(shù)據(jù)。大量的此類無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在一個(gè)較大的地理區(qū)域內(nèi)，它們將組成一個(gè)密集的無(wú)線ad.hoc傳感器網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)獨(dú)立的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能力是有限的，但由大量布放在偏遠(yuǎn)農(nóng)田或日曬雨淋、嚴(yán)酷惡劣的種植環(huán)境中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)農(nóng)田信息分布式感知系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模農(nóng)田信息感知與數(shù)據(jù)采集。
中繼節(jié)點(diǎn)最主要的作用是連接無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)無(wú)人飛行器通訊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄汉蜆屑~，中繼節(jié)點(diǎn)自身不需要感知環(huán)境信息，其作為區(qū)域農(nóng)田無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)，通知其所在區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在中繼節(jié)點(diǎn)的緩存中，在給定的通訊時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸給無(wú)人飛行器。每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離可以很長(zhǎng)，不需要相互通信。一般而言，中繼節(jié)點(diǎn)相對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，具有相對(duì)較強(qiáng)的電源供應(yīng)和較長(zhǎng)時(shí)間的生命周期，可以通過(guò)天線增益等方式提供較大的通訊范圍。
無(wú)人飛行器是自帶動(dòng)力、可控制、攜帶移動(dòng)通訊設(shè)備的固定翼或旋轉(zhuǎn)翼無(wú)人駕駛飛行器，其可以重復(fù)使用，沒(méi)有駕駛艙，但安裝有自駕儀、飛行姿態(tài)控制等設(shè)備。無(wú)人飛行器攜帶的移動(dòng)通訊設(shè)備支持多種通訊協(xié)議和多種通訊接口，可以以多種通訊方式與地面或空中設(shè)備通訊。由于飛行器能夠提供電源，因此攜帶的設(shè)備具備一定的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮和處理，當(dāng)通訊質(zhì)量不好時(shí)，從地面接收到的數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)在緩存中，在恢復(fù)良好通訊質(zhì)量時(shí)，才將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)中心由服務(wù)器、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)、農(nóng)田管理系統(tǒng)、高速的網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源組成。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)接收由無(wú)人飛行器傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，數(shù)據(jù)中心將收集到的感知信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘并根據(jù)分析的結(jié)果做出決策或采取相應(yīng)的行動(dòng)(如對(duì)無(wú)人飛行器發(fā)出指令，調(diào)整路徑采集數(shù)據(jù)等)。數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)可以被用戶、計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備訪問(wèn)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)提供服務(wù)終端的訪問(wèn)，將分析后的數(shù)據(jù)信息以友好直觀的界面展示。
1.2 TUFSN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)
nJFSN由SN.RN數(shù)據(jù)采集層、RN-UAV中繼傳輸層和UAV-DC移動(dòng)匯聚層組成，如圖2所示。
1.2.1 SN—Rlq數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集層由傳感器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間建立的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集層網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：1)有限的硬件資源：因此在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的協(xié)議層需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。2)有限的能量：由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量資源較少且不能隨時(shí)補(bǔ)充能量，一旦能源耗盡，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將無(wú)法繼續(xù)正常工作。3)分布式：多采用分布式結(jié)構(gòu)，其中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)。4)自組織：通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以自發(fā)地對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)度。當(dāng)被部署到特定區(qū)域并被激活后，可以自發(fā)地組織起相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。5) 動(dòng)態(tài)拓?fù)洌合到y(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，其中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)楹谋M電量或損壞而退出網(wǎng)絡(luò)，也會(huì)因?yàn)槿蝿?wù)的需要而被添加進(jìn)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的。6)密集分布：為了加強(qiáng)在目標(biāo)信息采集地區(qū)的任務(wù)監(jiān)控，大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被部署到這個(gè)地區(qū)。
由于數(shù)據(jù)采集層的這些特點(diǎn)，因此該層通常選用 IE髓802.15.4的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。IEEE 802.15.4協(xié)議的典型使用代表是Zigbee。IEEE 802.15.4 協(xié)議的傳輸速率一般小于1Mbps。如果要求數(shù)據(jù)傳輸率提高，也可以使用IEEE 802.15.3。但是高的傳輸率也意味著更高的能耗。該層通常采用mesh的方式組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)通常是星型結(jié)構(gòu)或樹(shù)狀層次型結(jié)構(gòu)。
在SN.RN層，傳感器節(jié)點(diǎn)分散部署在被監(jiān)測(cè)農(nóng)田中，當(dāng)采用星型網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)僅以一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)為中心，傳感器節(jié)點(diǎn)在每個(gè)監(jiān)測(cè)周期只與一個(gè)固定的中繼節(jié)點(diǎn)通訊并進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的分布保持一定的距離，相互之間不通訊，所有傳感器節(jié)點(diǎn)所收集到的數(shù)據(jù)都直接匯總到指定的中繼節(jié)點(diǎn);當(dāng)采用樹(shù)狀層次型結(jié)構(gòu)時(shí)，處于最外圍的傳感器節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和上傳數(shù)據(jù)的功能，處于中間的傳感器節(jié)點(diǎn)則即要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集還要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間會(huì)相互通訊，所有傳感器節(jié)點(diǎn)所收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)直接或間接的方式匯總到指定的中繼節(jié)點(diǎn)，為最大限度減少傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中消耗的能量，樹(shù)狀層次型結(jié)構(gòu)的層次不能超過(guò)3層。相比而言，星型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)生命周期更長(zhǎng)，樹(shù)狀層次型結(jié)構(gòu)覆蓋的監(jiān)測(cè)面積更大。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與圍繞在其周圍的若干個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)組成一個(gè)自治的傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。
1.2.2 RN—UAV中繼傳輸層
中繼傳輸層由中繼節(jié)點(diǎn)和UAV移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間建立的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。中繼傳輸層網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單： UW與RN之間直接通訊，即只有一跳的直接連接方式。 2)能量較多：RN一般采用太陽(yáng)能供電，UAV可以使用可充電電池供電。3)穩(wěn)定可靠：UAV是在空中與地面的 RN通訊，中間可能受到植物或房屋遮擋可能性小，丟包率會(huì)降低。4)通訊距離長(zhǎng)：通訊質(zhì)量好，可提供較大功率的天線覆蓋。
從兼容角度考慮，中繼傳輸層可以選用增強(qiáng)信號(hào)的 IEEE 802.15.4協(xié)議，也可以選用傳輸距離更長(zhǎng)的IEEE 802.11協(xié)議。該層的RN之間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以線性結(jié)構(gòu)[rl 或者網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[5】為主。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于UAV以直線的方式執(zhí)行任務(wù)，對(duì)于采用單旋翼或多旋翼的UAV來(lái)說(shuō)，在到達(dá)采集信息區(qū)域的邊界處，UAV能夠以直角轉(zhuǎn)彎的方式進(jìn)入到下一條直線的數(shù)據(jù)采集區(qū)域。
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在RN-UAV層，中繼節(jié)點(diǎn)按照規(guī)則的線性部署，許多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)排成一排，鄰近的2個(gè)節(jié)點(diǎn)分布距離為數(shù)百米，每排中的中繼節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)量限制，任意2個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行任何通訊與數(shù)據(jù)傳輸。中繼節(jié)點(diǎn)不負(fù)責(zé)直接數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，其負(fù)責(zé)將鄰近的傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自身的緩沖區(qū)中，等待UAV過(guò)來(lái)收集數(shù)據(jù)。
1.2.3 UAV—DC移動(dòng)匯聚層
移動(dòng)匯聚層由單個(gè)或多個(gè)UAV以及數(shù)據(jù)中心之間建立的網(wǎng)絡(luò)組成。UAV和DC之間采用蜂窩式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)直連。移動(dòng)匯聚層網(wǎng)絡(luò)具有通訊距離非常長(zhǎng)，具有錯(cuò)誤檢測(cè)和丟包重傳功能，支持實(shí)時(shí)或延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
2 TUFSN原理分析
基于IEEE 802.15.4低功耗網(wǎng)絡(luò)和蜂窩式網(wǎng)絡(luò)的特性分析已有很多成果，因此，本研究主要就UAV與RN之間的特點(diǎn)和性能進(jìn)行分析。UAV與RN之間數(shù)據(jù)交換時(shí)的平面示意臥81見(jiàn)圖3。
3仿真與結(jié)果分析
根據(jù)式(1)～式(8)，使用Matlab仿真工具，設(shè)定UAV通訊半徑大小、飛行高度和飛行速度等參數(shù)，分析中繼節(jié)點(diǎn)和UAV所需要的緩存大小。
從圖4a可知，RN的通訊半徑為30m以上時(shí)，可以獲得45 m以上通訊時(shí)間。RN的通訊半徑為20 m以內(nèi)時(shí)，只能獲得35 m以內(nèi)的通訊時(shí)間。RN的通訊半徑范圍內(nèi)應(yīng)盡量降低飛行高度來(lái)滿足通訊傳輸需要的時(shí)間。從圖 4b分析可見(jiàn)UAV的飛行速度加快時(shí)，UAV與RN之間能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)減少，RN的緩存與飛行速度成反比。從圖 4c分析可見(jiàn)UAV的飛行高度增加時(shí)，UAV與RN之間能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)減少，RN的緩存與飛行高度成反比。總體而言，速度對(duì)RN緩存的影響大過(guò)高度對(duì)緩存的影響。
UAV與數(shù)據(jù)中心的通訊是通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，因此，理論上UAV的緩存與RN的緩存保持一樣大小就可以。考慮到UAV的緩存不會(huì)給UAV帶來(lái)太多的負(fù)擔(dān)，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不夠好的地方，最差的情況是在飛行過(guò)程中無(wú)法傳送數(shù)據(jù)，可以將UAV的緩存設(shè)置為中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以RN的緩存大小，這樣UAV在執(zhí)行完所有信息采集任務(wù)后再通過(guò)離線方式傳送數(shù)據(jù)。
由于UAV的移動(dòng)性能和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Data MULEs 模型中做為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的人、牲畜、拖拉機(jī)等，UAV移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠更快速收集中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，只采用一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸成功率為90%的條件下對(duì)2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較，UAV系統(tǒng)中的中繼節(jié)點(diǎn)緩存約為3～13 kB(如圖 4b、4c中所示)，而MULEs系統(tǒng)中的中繼節(jié)點(diǎn)緩存約為 1.6～163 kBt6l，相比而言，基于UAV為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感網(wǎng)中中繼節(jié)點(diǎn)的平均緩存空間可以設(shè)計(jì)得更加小，從而降低中繼節(jié)點(diǎn)能耗和使用成本。
4試驗(yàn)及結(jié)果分析
2015年2月3日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇了一個(gè)種植玉米的地塊，空中節(jié)點(diǎn)采用最大載荷5蠅的八旋翼無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)攜帶了包括電源、 Zigbee通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、3G模塊的封裝包，地面布放了8個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離超過(guò) 150m，以確保每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)不會(huì)干擾和影響到其他地塊內(nèi)的節(jié)點(diǎn)工作。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)周邊用星型結(jié)構(gòu)布放了2～ 4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)只與自己最鄰近的中繼節(jié)點(diǎn)通訊，如圖5所示。無(wú)人機(jī)以1 rrgs的速度、15 m 高度在空中按照預(yù)先設(shè)定的軌跡飛行，飛行過(guò)程中在進(jìn)入中繼節(jié)點(diǎn)N的通信范圍時(shí)，立刻與節(jié)點(diǎn)N建立通信，并采集農(nóng)田數(shù)據(jù)。
在節(jié)點(diǎn)路由生成包發(fā)送頻率為30 S，網(wǎng)絡(luò)健康檢測(cè)包發(fā)送頻率為36 s的條件下進(jìn)行測(cè)試，節(jié)點(diǎn)的物理位置分布如表1，結(jié)果表明，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通訊時(shí)長(zhǎng)不是固定不變的，網(wǎng)絡(luò)建立連接的時(shí)間受到農(nóng)作物生長(zhǎng)程度不同、作物高矮不同的影響，UAV移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)長(zhǎng)為26 s。——論文作者：張波1，一，羅錫文1※，蘭玉彬1，黃志宏2 曾鳴2，李繼宇1
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