雷刚 作品数:9 被引量:45 H指数:5 供职机构: 中国环境科学研究院 更多>> 发文基金: 广东省科技计划工业攻关项目 国家自然科学基金 国家级星火计划 更多>> 相关领域: 自动化与计算机技术 农业科学 环境科学与工程 更多>>
基于无线传感器网络的稻田信息实时监测系统 被引量:14 2014年 针对农田环境信息采集过程中监测周期长、环境干扰大等特点,设计了一种基于混合天线无线传感器网络稻田环境信息实时监测系统,采用分簇路由协议进行组网,为不同类型的节点配置不同类型的天线,并使用转台控制汇聚节点定向天线的方向,以扩大网络的覆盖范围和提高系统的稳定性。基于该系统进行长时间稻田组网试验,对网络丢包率和稻田环境参数采集准确性进行测试,试验结果表明,系统运行稳定、测量准确,网络数据平均丢包率为0.44%,稻田空气温度、空气相对湿度和土壤含水率的平均相对误差分别为0.26%、0.64%和0.33%。 孙宝霞 王卫星 雷刚 洪炳星 张雄关键词:稻田 无线传感器网络 实时监测系统 基于能量异构双簇头路由算法的水稻田无线传感器网络 被引量:7 2013年 针对无线传感器网络分簇结构中簇头节点能量消耗过快而容易死亡的问题,提出了一种适合于水稻田监测的混合天线组网通信的能量异构双簇头分簇路由算法。首先估算全网平均剩余能量确定阈值,根据阈值选择主簇头;然后依据节点向主簇头节点发送应答信号强弱的原则,确定簇成员节点;最后,按照簇内成员节点剩余能量大小,选择一个副簇头。副簇头负责收集并融合簇内其他成员节点的数据,从而减轻主簇头的能量消耗,降低主簇头的死亡概率。采用能量异构网络对本算法进行仿真,网络节点初始总能量的平均值与同构网络节点初始能量相等,结果显示,该算法异构网络相对于LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)算法同构网络的稳定周期延长了12.1%。采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线,在水稻田进行混合天线通信试验,测试了定向天线水平覆盖范围;在此基础上的网络模拟试验结果表明,基于该算法的通信网络稳定周期比值相比于LEACH、LEACH-E(LEACH-energy adaptive and uneven cluster)、DEEC(design of energy efficient clustering)、EADC(energy aware data-gathering cluster-heads)4种算法分别提高了46%、47%、58%、11%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网进行环境参数实时监测提供理论参考。 雷刚 王卫星 孙宝霞 郑少雄关键词:无线传感器网络 路由 能量异构 双簇头 近邻传播聚类无线传感器网络分簇路由算法 被引量:4 2014年 为解决传统无线传感器网络路由算法在分簇上存在不均匀分簇问题,设计了一种近邻传播聚类的分簇路由算法—APCRA。该算法根据节点的密集程度和最优簇头数,利用近邻传播聚类算法将传感器网络优化分簇,划分好的簇结构在整个网络生命周期内固定不变,以减少频繁组簇引发的能量消耗。选择簇头考虑各节点剩余能量和被选簇头节点至簇内其他节点的平均距离,目的让能量剩余多和与簇内其它节点通信代价小的节点担任簇头。仿真结果表明,APCRA算法分簇结构相比其它算法更优,网络能量消耗更少,网络生命周期更长。 黄建清 王卫星 胡月明 雷刚 欧国成关键词:无线传感器网络 簇头 网络生命周期 基于定向天线的稻田环境监测WSN网关设计与组网试验研究 被引量:3 2014年 为了实现稻田环境信息的实时监测,设计了一种基于定向天线无线传感器网络的稻田环境信息监测系统,并对其网关进行设计。网关节点设计以MSP430F149为核心,外围以nRF905射频芯片和节点通信,节点采用土壤水分传感器TDR-3和空气温湿度传感器DHT22对稻田环境信息进行实时采集与处理,选用MC55作为GPRS通信模块,实现了稻田环境信息的远程传输与监控等功能。在该硬件平台编写硬件驱动程序和通信协议、异常短信报警程序和时间同步协议。测试了网关节点的通信距离、功耗、存储速率,对网关的实用性进行实地试验,网关节点通信距离可达331.18 m,1 h工作周期下可持续工作32 d,数据存储速率达849.7 kbps,组网试验结果表明,内网平均丢包率为0.686%,外网平均丢包率为0.712%,传感器节点采集数据稳定,能够满足稻田环境信息监测的需求。 郑少雄 王卫星 胡浩民 孙宝霞 雷刚 张雄 洪炳星关键词:环境监测 网关 通信协议 稻田 基于定向天线WSNs的水稻田温湿度监测系统设计 被引量:5 2014年 针对水稻田中存在的远距离通信问题,利用定向天线通信距离远、方向性好,抗干扰能力强等优点,设计了一种适合水稻田温湿度监测的无线传感器网络(WSNs)系统。节点以MSP430F149单片机作为主控芯片,并以该节点为硬件平台编写了定向天线分簇路由协议和监控终端软件。利用该系统在水稻3个典型生长期:苗期、拔节期和抽穗期进行实验,节点天线所处高度分别为0.5,1,1.5 m,节点的最大通信距离分别为207.4,235.6,258.2 m。进行了温湿度测试实验,结果表明:该系统能够准确监测水稻田中温湿度的变化,各节点间测得的温湿度显示稳定,能够满足水稻田环境信息监测的应用要求。 郑少雄 王卫星 孙宝霞 雷刚 郭惠凯关键词:定向天线 路由协议 通信距离 水稻田 温湿度 基于定向天线WSN射频信号传播试验 被引量:4 2013年 为解决水稻田中无线传感器网络(WSN)的规划与部署问题,基于无线射频信号的传播特性,研究了水稻田间WSN射频信号与影响因素间的关系,并对全向天线和定向天线在水稻田的通信性能进行了对比分析。试验选取WSN的载波频率为915MHz,分析WSN射频信号受天线高度、天线类型和通信距离等因素联合作用下在水稻田的衰减情况,建立了915 MHz无线射频信号接收强度与环境传播因子及通信距离间的线性模型,并进行数据拟合,拟合曲线的R2最低为0.882、最高为0.934,验证了WSN射频信号衰减程度与通信距离的一致性,为WSN在水稻田的节点部署和天线类型选择提供指导和依据。 孙宝霞 王卫星 雷刚 郑少雄关键词:无线传感器网络 定向天线 射频信号 水稻田 基于混合天线的能量有效异构WSN分簇算法 被引量:1 2014年 针对目前无线传感器网络主要集中于全向天线技术,且分簇路由算法存在簇头分布不均匀、网络稳定周期短、节点能耗不均衡等问题,提出一种基于混合天线的能量有效异构无线传感器网络分簇算法(ECHH)。基于与sink节点的距离为节点分配初始能量,节点可在全向模式和定向模式间自由切换,初始网络将簇头均匀布置形成簇结构,在初始簇结构基础上基于能量和距离选取新簇头,簇头以定向模式向sink发送数据,当网络死亡节点比例超过设定阈值时,存活节点也将以定向模式与sink直接进行通信。仿真结果表明,ECHH算法有效延长了网络稳定周期,提高其在生命周期中所占比例,均衡了各节点能量消耗,具有良好的网络适应性。 孙宝霞 王卫星 雷刚 郑少雄关键词:异构无线传感器网络 分簇算法 数据缺失条件下基于MLP神经网络的水华风险预警方法研究 被引量:6 2015年 针对水华风险预警过程中相关监测指标数据缺失的问题,借鉴多元统计和随机分析构建了一种缺失数据插补方法,用于弥补现场调查数据的不足.基于主成分分析,对水华相关影响指标进行降维,确定水体水华风险预警模型的输入层变量.同时,采用多层感知器(MLP)人工神经网络模型对水华表征指标叶绿素a的浓度进行预测,并引入风险概率的概念,提出了水华风险概率计算公式,完善了水华预警的风险表达.最后以三峡库区典型支流大宁河为案例的研究证明了上述方法的可操作性.研究结果显示,插补数据条件下和未插补数据条件下的大宁河水华风险预警模型决定系数分别为0.9711和0.7769,前者的模型准确性更高,叶绿素a浓度预测效果更好;预测时段内大宁河11 d为水华蓝色预警(无警)级别,水华发生的风险概率为1.99%~18.61%;1 d达到水华橙色预警(中警)级别,水华发生概率为90.48%. 王丽婧 雷刚 韩梅 吴光应 李虹关键词:主成分分析 神经网络 水华 预警 三峡库区 大面积水稻田无线传感器网络组网设计与优化 被引量:8 2014年 为解决大面积水稻田无线传感器网络能量消耗过快和丢包率严重等问题,该文提出了不同天线模式下的3种组网方案:配备全向天线的分环多跳网络、配备定向天线的多跳网络和配备混合天线的分簇多跳网络。第一组网络,处于不同环中配备全向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输到基站;第二组网络,各级配备定向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输至第一级节点;最后一组网络,借助于双簇头分簇思想,主簇头接受副簇头汇聚于成员节点的数据包与基站多跳通信。首先,介绍了3种网络拓扑结构间的差异;然后,从网络能耗角度,理论上分别计算了3组网络的能量消耗;仿真试验表明,混合天线分簇多跳组网方案相比定向天线多跳方案数据包个数提升了近10倍;相比全向天线分环多跳方案网络稳定周期延长了24.3%,网络寿命延长了28.2%;最后,采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线进行了水稻田组网试验,结果表明混合天线分簇多跳网络相比全向天线分环多跳网络丢包率降低了8.11%,平均存活时间效率提高了8.66%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网方案的设计提供参考。 雷刚 王卫星 孙宝霞 黄虹 郑少雄关键词:无线传感器网络