基于農(nóng)田環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署分析

周 良，沈明霞，孫玉文，馬奉先，林相澤，熊迎軍

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031;2.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中的對象信息，將其應(yīng)用于農(nóng)田范圍內(nèi)，能有效提取農(nóng)田環(huán)境信息。因此將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域［1-10］引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注，目前將嵌入式技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測領(lǐng)域的研究取得了良好的效果。但是，在農(nóng)田中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署中還存在一些問題，在節(jié)點(diǎn)部署過程中需確定節(jié)點(diǎn)間的有效傳輸距離，因此需考慮影響其發(fā)生變化的相關(guān)因素。

我們基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了嵌入式農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)。重點(diǎn)分析了農(nóng)田中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署，確定節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離范圍，得出所需部署最優(yōu)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與監(jiān)測農(nóng)田面積之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境信息的周期性采集及實(shí)時(shí)查詢。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由農(nóng)田中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及嵌入式移動(dòng)終端組成。由于所監(jiān)測對象為農(nóng)田環(huán)境，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇空氣的溫濕度、土壤水分、土壤pH值以及光照強(qiáng)度等傳感器，用于監(jiān)測農(nóng)田相關(guān)信息。傳感器采集的信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到移動(dòng)終端。

嵌入式移動(dòng)終端主要由 ARM9微處理器、ZigBee以及GPS等模塊組成。其中，ARM9微處理器用于對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，ZigBee可組建適用于大范圍農(nóng)田的Mesh網(wǎng)絡(luò)，GPS模塊用于對系統(tǒng)所監(jiān)測區(qū)域及部署的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

系統(tǒng)通信軟件選擇ZigBee2006協(xié)議棧，用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建以及傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。我們采用2種方式對農(nóng)田數(shù)據(jù)進(jìn)行采集:一種為定時(shí)采集，即設(shè)定一定周期，傳感器節(jié)點(diǎn)在每個(gè)周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸;另一種為查詢采集，即當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)的相應(yīng)命令時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)完成對農(nóng)田信息的采集與傳輸。

系統(tǒng)界面軟件選擇QT，用于實(shí)時(shí)顯示部署在農(nóng)田中監(jiān)測點(diǎn)采集的環(huán)境信息，同時(shí)繪制出數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的相應(yīng)曲線;動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)模擬圖，以對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署與選擇的部署方式、節(jié)點(diǎn)間的有效傳輸距離、所監(jiān)測區(qū)域的面積有關(guān)，因此，通過分別分析節(jié)點(diǎn)間的有效傳輸距離及所監(jiān)測的農(nóng)田區(qū)域面積，最終得到部署在農(nóng)田中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及部署方案。

由于受到作物周邊環(huán)境以及其長勢的影響，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在農(nóng)田中所放位置距離地面高度不同，節(jié)點(diǎn)的電池電壓不同，節(jié)點(diǎn)的RSSI值將受到一定的影響，節(jié)點(diǎn)信息的有效傳輸距離也有所不同。由于節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，受節(jié)點(diǎn)天線增益、通信速率的影響較小，同時(shí)農(nóng)田周邊環(huán)境較為空曠，無基站、高壓電塔等信號干擾，且農(nóng)田地勢起伏不大，為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署更加經(jīng)濟(jì)合理，分析農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中RSSI值與有效距離之間的關(guān)系非常必要。

利用江蘇省洪澤湖農(nóng)場農(nóng)科所的一塊四邊形麥田進(jìn)行了試驗(yàn)。由于電池電壓的大小，節(jié)點(diǎn)放置的高度不同，都將影響到節(jié)點(diǎn)間的有效通信，因此選擇分析節(jié)點(diǎn)放置高度、電池電壓、接收信號強(qiáng)度以及傳輸距離之間的關(guān)系，得出進(jìn)行試驗(yàn)的最佳有效傳輸距離。本系統(tǒng)試驗(yàn)所選擇的傳感器節(jié)點(diǎn)由2節(jié)電池進(jìn)行供電，因此標(biāo)準(zhǔn)電壓為3 V時(shí)，通過試驗(yàn)得到傳感器節(jié)點(diǎn)放置高度與有效傳輸距離的關(guān)系。

由圖1中可得出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位于地面時(shí)，節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離大約為20 m，且節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離隨著節(jié)點(diǎn)高度的增加而相應(yīng)增加。但在農(nóng)田中部署節(jié)點(diǎn)時(shí)，將節(jié)點(diǎn)放置過高不符合實(shí)際。因此，結(jié)合小麥的高度，將傳感器節(jié)點(diǎn)放置距離地面大約1 m處。選擇幾個(gè)典型的電池電壓值和傳輸距離，測得節(jié)點(diǎn)間的RSSI值，如表1所示。

表1 RSSI值與距離、電池電壓之間的關(guān)系

在各種典型的電池電壓條件下，隨著傳輸距離的增加，RSSI的值均相應(yīng)減小，特別是傳輸距離在前0～20 m的區(qū)間時(shí)，RSSI值下落趨勢十分明顯;傳輸距離從20 m到有效傳輸距離區(qū)間內(nèi)，RSSI值沒有大幅度明顯變化;在節(jié)點(diǎn)正常工作電壓范圍內(nèi)，電池電壓值越高有效傳輸距離會越大。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果 (表1)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)電壓、RSSI、有效傳輸距離等因素，可為優(yōu)化節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量、提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量等提供參考。

為了確定在一定區(qū)域內(nèi)所需部署的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，需要先確定節(jié)點(diǎn)間的有效傳輸距離，通過以上分析，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位于麥田中，距離地面高度1 m處，傳輸距離為40～60 m，節(jié)點(diǎn)間的RSSI值較為穩(wěn)定，因此，選擇有效傳輸距離50 m進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步分析部署節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與監(jiān)測區(qū)域面積之間的關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)農(nóng)田區(qū)域面積的計(jì)算

試驗(yàn)過程中，通過移動(dòng)終端中的GPS模塊測出試驗(yàn)麥田4個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)如表2所示。

表2 試驗(yàn)農(nóng)田頂點(diǎn)對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)

根據(jù)所測得4個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)度L，緯度B及其大地坐標(biāo) (L，B)，利用高斯-克呂格投影［11］即可將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo) (x，y)，進(jìn)而計(jì)算出所測農(nóng)田區(qū)域的長、寬以及面積。

利用高斯-克呂格投影計(jì)算公式，計(jì)算出試驗(yàn)所用江蘇省洪澤湖農(nóng)場農(nóng)科所的四邊形麥田的長為534.457 7m，寬為247.707 9m，面積為132 389.4 m2。

2.3 農(nóng)田中傳感器節(jié)點(diǎn)的部署

為了達(dá)到對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋條件下，部署在區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最少，選擇蜂窩網(wǎng)格部署方式［12］對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署。將傳感器節(jié)點(diǎn)安全有效地布置在農(nóng)田范圍內(nèi)，根據(jù)所求得的農(nóng)田區(qū)域相關(guān)信息計(jì)算出需部署在農(nóng)田中傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

根據(jù)本文2.1中分析的RSSI值與節(jié)點(diǎn)間傳輸距離之間的關(guān)系，進(jìn)行試驗(yàn)所選擇的節(jié)點(diǎn)間有效傳輸距離為50 m。圖2所示為蜂窩網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)。

圖2 蜂窩網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的部署結(jié)構(gòu)

在所需覆蓋面積的區(qū)域中，部署傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)與其長和寬都有關(guān)系，可得到所監(jiān)測農(nóng)田區(qū)域的寬度w與有效傳輸距離d以及長度l與節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍正六邊形邊長a之間的關(guān)系:n1=2w/d，n2=(2l/a+1)/3。

將 n1與 n2的值轉(zhuǎn)換后得 ［n1］、［n2］，其中［n1］、［n2］表示對 n1、n2取整。在蜂窩網(wǎng)格中，監(jiān)測區(qū)域的長與寬發(fā)生相應(yīng)變化時(shí)，部署在區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也隨之發(fā)生變化，可得布置在農(nóng)田中的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)n與 ［n1］、［n2］之間的關(guān)系，即n與長l、寬w之間的關(guān)系:n=(［n1］ +1)(［n2］-1)/2(［n1］為偶數(shù)，［n2］為奇數(shù))，n=［n2］ (［n1］ +1)/2(［n1］、［n2］為其它情況)。

根據(jù)計(jì)算得到的傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)n，即可得到n個(gè)節(jié)點(diǎn)所能覆蓋的最大面積:s=d［n1］/2(3 ［n2］ -1)/2。

任意選取多組數(shù)據(jù)對以上公式進(jìn)行驗(yàn)證，得到如表3所示結(jié)果。

表3 公式的驗(yàn)證結(jié)果

通過隨機(jī)選擇多組數(shù)據(jù)，分別利用公式計(jì)算出n與s的值，結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)際測量值近似或相等。因此，通過以上分析可得出結(jié)論:利用蜂窩網(wǎng)格方式在一定面積的矩形區(qū)域內(nèi)部署傳感器節(jié)點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域4個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，即可計(jì)算出對監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋所需布置的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)n，以及 n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所能覆蓋區(qū)域的最大面積。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用2.2節(jié)中的計(jì)算結(jié)果，將試驗(yàn)所監(jiān)測農(nóng)田長與寬的值代入公式，可得:n1=9.91、n2=12.68;［n1］ =10， ［n2］ =13;n=71個(gè)，s=137 132.5 m2。即長534.457 7 m，寬247.707 9 m，面積132 389.4 m2的農(nóng)田范圍內(nèi)，所需要布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為71個(gè)，且71個(gè)節(jié)點(diǎn)所能覆蓋的最大面積約為137 132.5 m2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出系統(tǒng)試驗(yàn)農(nóng)田以蜂窩網(wǎng)格方式部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在面積約為13 2389.4 m2的試驗(yàn)所用農(nóng)田區(qū)域中布置了71個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，對農(nóng)田環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，因此無線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署是手動(dòng)部署。在節(jié)點(diǎn)逐一部署時(shí)，利用移動(dòng)終端的GPS功能，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息記錄下來，與其物理地址所對應(yīng)，即可對單個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的位置進(jìn)行精確定位。由于節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址與物理地址可一一對應(yīng)，因此最終達(dá)到節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度信息、物理地址、網(wǎng)絡(luò)地址三者相對應(yīng)的關(guān)系，工作人員即可方便地查詢某一節(jié)點(diǎn)的具體信息。

圖3 系統(tǒng)試驗(yàn)農(nóng)田的傳感器節(jié)點(diǎn)部署

通過QT軟件實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)部署分析，界面如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)部署分析的界面

圖4所示界面通過獲取四邊形4個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度，計(jì)算四邊形的長、寬及面積。最后確定所需部署的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及所覆蓋的最大面積。

4 小結(jié)

結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了嵌入式農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，選擇在江蘇省洪澤農(nóng)場麥田中進(jìn)行了試驗(yàn)，得出節(jié)點(diǎn)電池電壓、RSSI值與傳輸距離之間的關(guān)系，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位于麥田中距離地面大約1 m高處，傳輸距離為40～60 m，節(jié)點(diǎn)間的RSSI值較為穩(wěn)定，最終通過公式計(jì)算出監(jiān)測區(qū)域的面積，確定所需部署傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，得出最大覆蓋面積。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)部署分析有效合理，可適用于大范圍的農(nóng)田環(huán)境。

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