[Paper] 优化传感节点定位以实现可持续智慧农业系统连通性

Source: arXiv - 2512.14971v1

Overview

本文针对智慧农业部署中的核心瓶颈——如何布置无线传感节点以实现田间全覆盖，同时降低硬件、能耗和维护成本——进行研究。作者将节点布置问题建模为约束优化，并采用基于梯度的拉格朗日方法求解，展示了一种能够实现 98.5 % 覆盖率 的部署方案——其性能优于传统的确定性布局，甚至超过基于粒子群的方案。

关键贡献

• 混合梯度‑基拉格朗日优化器：提出一种新颖的迭代算法，在网格约束下同时最大化覆盖率并最小化传感器数量。
• 混合通信策略：将远程 Wi‑Fi/LoRa 链路与短程蓝牙扩展相结合，以填补覆盖盲区，而无需增加额外节点。
• 定量基准测试：相较于确定性和粒子群基线，展示了 3‑5 % 的覆盖率提升、传感器数量减少以及功耗降低。
• 可扩展性分析：通过将区域划分为子网格并使用蓝牙中继实现边缘覆盖，展示了该方法在更大田野中的可扩展性。

方法论

1. 问题表述 – 将田地离散为均匀网格。每个网格单元可以放置一个传感器；目标是选择一个子集，使感知总面积最大化，同时满足节点数量和功耗的预算限制。
2. 拉格朗日构建 – 编码了两个约束：(a) 传感器的最大数量，(b) 最小覆盖阈值。拉格朗日函数将覆盖目标与违反约束的惩罚项相结合。
3. 基于梯度的迭代 – 从随机可行布局开始，算法计算拉格朗日函数相对于每个节点位置的梯度，并迭代更新位置（或切换节点激活），直至收敛。
4. 混合通信层 – 在主要布局确定后，任何位于已有节点蓝牙范围内但未直接覆盖的网格单元被标记为“通过中继覆盖”，从而减少额外远程节点的需求。
5. 评估 – 在合成农场布局上进行仿真，将所提方法与 (i) 确定性均匀间距 和 (ii) 粒子群优化（PSO）基线进行比较。指标包括覆盖率、传感器总数、估计功耗和部署成本。

Results & Findings

*功耗综合了传输、感知和空闲期间的能耗。

优化器始终能够实现接近全场覆盖，同时相比于朴素的均匀网格将节点数量削减约 23 %。蓝牙中继层承担了剩余 1.5 % 差距的主要部分，证明了可以利用短程链路在不增加硬件的情况下“拉伸”覆盖范围。

实际意义

• 成本效益的农场部署 – 农民可以使用更少的昂贵传感器单元实现全面监测，降低资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。
• 节能 – 更少的活跃无线电和更智能的中继使用直接转化为更长的电池寿命，减少维护出行。
• 即插即用部署工具 – 该算法可以嵌入移动应用，接受田地图（例如无人机获取），输出最佳传感器布置方案，简化现场工程。
• 混合网络设计 – 展示了混合协议（Wi‑Fi/LoRa + Bluetooth）的具体用例，以平衡覆盖范围和功耗，这一模式可应用于其他物联网领域（智慧城市、工业监测）。
• 可扩展架构 – 通过将大农场划分为网格块，方法支持增量扩展——新块可以独立优化，同时仍受益于 Bluetooth 桥接。

限制与未来工作

• 静态环境假设 – 该模型假设田地拓扑固定；动态障碍物（例如移动的设备）可能会暂时干扰蓝牙中继。
• 简化的无线传播 – 仿真使用理想化的范围模型；实际因素如植被密度、土壤湿度和地形可能影响覆盖范围。
• 单目标关注 – 当前的公式侧重覆盖率和节点数量；未来的扩展可以加入多目标权衡，如延迟、数据吞吐量或容错性。
• 硬件验证 – 本研究基于仿真；使用实际传感器硬件的现场试验将巩固所声称的能耗和成本优势。

总体而言，本文提供了一套有说服力且基于数学的精准农业传感器布局方案，其混合通信的洞察为更具韧性、低成本的物联网部署打开了大门。

作者

• Mohamed Naeem

论文信息

• arXiv ID: 2512.14971v1
• 分类: eess.SY, cs.DC
• 发布时间: 2025年12月16日
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