基于WSN的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控

孫 濤，林 亮，祁蕾茜

(桂林理工大學(xué) 理學(xué)院，廣西 桂林541004)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，近年來(lái)憑借著低成本、低功耗、低復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì)得到了迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。本文結(jié)合規(guī)?；r(nóng)業(yè)的發(fā)展和科技興農(nóng)的戰(zhàn)略國(guó)策，在前人的基礎(chǔ)上改進(jìn)并設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并將其成功運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。

本文以低成本、低功耗的無(wú)線射頻芯片CC2430[1]為核心，搭載低功耗、高精度的SHT21[2]溫濕度傳感器和TSL2561[3]光強(qiáng)傳感器，設(shè)計(jì)了基于WSN的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低負(fù)載、低沖突的ML-MAC[4]數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提出基于簇頭負(fù)載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法（CLBCES），進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能耗，大大延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及拓?fù)?/h2>

鑒于農(nóng)業(yè)環(huán)境的特殊性，采用WSN中基于簇的分層網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)保證整套系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、魯棒性和易管理維護(hù)性，如圖1所示?；诖氐姆謱咏Y(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心，每個(gè)簇成員都把數(shù)據(jù)傳給簇頭，在簇頭里完成數(shù)據(jù)處理和融合，然后由其他簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)或直接傳給用戶節(jié)點(diǎn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為以下3層：（1）傳感器節(jié)點(diǎn)層，主要功能是采集數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)傳輸給路由節(jié)點(diǎn)（即簇頭），主要由處理器模塊、無(wú)線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。（2）路由節(jié)層點(diǎn)具備較強(qiáng)的通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，與傳感器節(jié)點(diǎn)交互信息通過(guò)多跳路由完成數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的傳送。（3）匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連組成管理節(jié)點(diǎn)層。管理人員通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控、維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為人工干預(yù)提供科學(xué)依據(jù)，遠(yuǎn)程用戶還可以通過(guò)Internet/GPRS與管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享；通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將報(bào)警信息發(fā)送到管理員手機(jī)上面，不會(huì)漏過(guò)任一條報(bào)警信息，隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)環(huán)境狀態(tài)，若出現(xiàn)異常，能第一時(shí)間予以解決。

2 硬件組成

本系統(tǒng)通過(guò)處理器模塊、無(wú)線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和無(wú)線收發(fā)等功能。

傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各待測(cè)區(qū)域，考慮到性能、功耗、體積和成本等因素，選用高性能、低功耗、高靈敏度、強(qiáng)抗干擾性的CC2430芯片作為處理器模塊和無(wú)線通信模塊，采用最新研發(fā)的SHT21高精度溫濕傳感器，并結(jié)合使用第二代光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561、負(fù)載低功耗 LCD顯示屏，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、無(wú)線收發(fā)和即時(shí)顯示等功能。使用2節(jié)普通AA干電池作為電源模塊，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，連續(xù)工作 7天時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天平均功耗為 1.2 mW，可使用 20～24個(gè)月。此外，系統(tǒng)還包含PDA無(wú)線報(bào)警模塊，可以和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)測(cè)環(huán)境狀態(tài)，提供直觀的現(xiàn)場(chǎng)操作能力。

3 軟件系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)

WSN的協(xié)議框架包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。而高效率能源一直是WSN設(shè)計(jì)考慮的最重要因素，要達(dá)到節(jié)能，就要使傳感器節(jié)點(diǎn)最大限度地處于低能量狀態(tài)，所以使用的通信協(xié)議是決定能耗的關(guān)鍵。

3.1 物理層

物理層負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等，CC2430提供了對(duì)IEEE 802.15.4物理層協(xié)議的支持，節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)對(duì)CC2430的寄存器配置來(lái)實(shí)現(xiàn)物理層的協(xié)議功能。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體接入和差錯(cuò)控制，可以在通信網(wǎng)絡(luò)中確保節(jié)點(diǎn)之間的連接并保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可完整、無(wú)誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

WSN中主要有沖突、傳輸、控制消息和空閑偵聽(tīng)四種能源消耗，其中空閑偵聽(tīng)占所有能耗的30%以上。本文采用低負(fù)載和低沖突的多層MAC協(xié)議(Multi-Layer MAC，ML-MAC)。通過(guò)減少空閑偵聽(tīng)時(shí)間和沖突次數(shù)來(lái)減少節(jié)點(diǎn)的能耗。ML-MAC特有的機(jī)制也能將兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖在同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)量的值最小化，減少?zèng)_突，這樣需要重發(fā)損壞數(shù)據(jù)包的能量便可以節(jié)省下來(lái)，這較S-MAC和T-MAC能耗大大降低。ML-MAC是基于分布競(jìng)爭(zhēng)上的MAC層協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電信號(hào)電平尋找下一跳，從而避免了T-MAC的早睡問(wèn)題。同時(shí)ML-MAC又是一個(gè)自我組建的MAC層協(xié)議，它不需要一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)來(lái)控制所有節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作，進(jìn)一步降低了能耗。仿真結(jié)果表明，ML-MAC與現(xiàn)有的MAC協(xié)議相比能耗有了大幅度的降低。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法與匯聚節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，因此需要利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以完成數(shù)據(jù)傳送，可以說(shuō)路由算法的選擇是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

基于分簇的層次型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型雖然可對(duì)資源進(jìn)行平衡分配，具有拓?fù)涔芾矸奖?、能量利用高效、?shù)據(jù)融合簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于簇頭到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離一般較遠(yuǎn)，在簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)之間采用多跳通信方式，按照從簇頭到匯聚點(diǎn)的路徑多跳轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致了能量消耗不均衡，靠近匯聚點(diǎn)的簇頭由于需要轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭的數(shù)據(jù)造成負(fù)載過(guò)重、能量過(guò)早耗盡、降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

為此本文提出基于簇頭負(fù)載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法（CLBCES），該算法結(jié)合了 CHLBC[5]路由算法和CSER[6]路由算法并加以改進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)簇頭負(fù)載均衡的同時(shí)降低了存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)和控制消息開(kāi)銷(xiāo)。

CLBCES路由算法主要思想：根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，選舉產(chǎn)生非均勻分布的簇頭，構(gòu)建由簇頭組成的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，生成從匯聚節(jié)點(diǎn)到簇頭的跳數(shù)場(chǎng)和以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的簇間轉(zhuǎn)發(fā)路徑。從簇頭低負(fù)載的需求出發(fā)，傳感器節(jié)點(diǎn)在選擇簇頭時(shí)，綜合考慮距離簇頭的遠(yuǎn)近和簇頭的中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)量的大小，調(diào)整簇網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，使簇頭負(fù)載均衡。同時(shí)通過(guò)增設(shè)閾值保證節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡，即節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，搜索所有能夠到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑，若路徑上節(jié)點(diǎn)的剩余能量都很充足，則按照MTPR算法選擇能耗之和最小的路徑；若路徑上節(jié)點(diǎn)的剩余能量都較少時(shí)，就按照MMBCR算法選擇路徑；當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于該閾值時(shí)，則在選擇路由時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)該節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

CLBCES路由算法既考慮了總的傳輸能量又考慮到了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量。仿真結(jié)果表明，該路由算法有效地解決了多跳通信方式下簇頭能耗不均衡的問(wèn)題，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，非常適合應(yīng)用于中小型WSN。

3.4 應(yīng)用層

基于網(wǎng)絡(luò)組建的目的，在應(yīng)用層上除了實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件和其他組件的初始化、啟動(dòng)、停止以及系統(tǒng)能量管理的功能外，還需要開(kāi)發(fā)和使用相應(yīng)的軟件系統(tǒng)完成人機(jī)交互。

隨著規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展，采用WSN技術(shù)建設(shè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，用一套網(wǎng)絡(luò)完成溫、濕、光等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，可有效提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，降低設(shè)備成本，使農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理更加科學(xué)，控制更加簡(jiǎn)單，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量、改良品種、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目的。該系統(tǒng)還可為珍貴植物的生長(zhǎng)條件進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)分析結(jié)果農(nóng)業(yè)人員就可以在人造環(huán)境下進(jìn)行逼真的模擬，為高經(jīng)濟(jì)價(jià)值作物的生長(zhǎng)條件分析與人工干預(yù)等提供科學(xué)依據(jù)。本文下一步的研究工作是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并參考最佳作物生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，真正做到無(wú)人值守、自動(dòng)管理。

[1]劉玉英，史旺旺.基于CC2430溫濕度監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，57(10)：130-131，26.

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