節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的可行性分析

王帥宇　牛小民　李明輝　張崇軍　陳存廣

摘要：隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了前所未有的發(fā)展，其在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛地應(yīng)用。本文將基于系統(tǒng)架構(gòu)、傳感器采樣以及系統(tǒng)休眠等角度對環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，探究了節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用價值，為我國林業(yè)環(huán)境監(jiān)測工作提供一個參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；林業(yè)環(huán)境監(jiān)測；應(yīng)用價值

中圖分類號： TP 393？文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（a）-0000-00

近年來，無線傳感器以其監(jiān)測范圍廣、自動數(shù)據(jù)采集等優(yōu)越性在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中得到了有效的應(yīng)用。通常，無線傳感器主要是采用干電池進(jìn)行供電，工作時間受到限制，而受森林環(huán)境的影響，頻繁更換電池不切實(shí)際，因此，如何能夠使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)節(jié)能化成為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域研究的一個重點(diǎn)[i]。

1.節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由一個網(wǎng)關(guān)以及多個傳感器子節(jié)點(diǎn)組成，而一個子節(jié)點(diǎn)硬件又包含了傳感器、通信模塊以及控制器三個部分。網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Ω鱾€節(jié)點(diǎn)的信息如土壤濕度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行收集，并能夠?qū)?shù)據(jù)做出有效的處理、傳送到數(shù)據(jù)庫。通常，林業(yè)環(huán)境多處于偏僻區(qū)域，電源不容易到達(dá)，因此采用直流電源實(shí)施供電，僅節(jié)點(diǎn)采用干電池供電，網(wǎng)關(guān)則采用太陽能供電，其能夠延長系統(tǒng)的使用周期，當(dāng)電量過低時，其會發(fā)出警報提示更換電源。一般情況下，林業(yè)的環(huán)境監(jiān)測主要包括光照、土壤、降雨量以及二氧化碳濃度等多個方面，這些數(shù)據(jù)往往是呈現(xiàn)動態(tài)變化的，同時又是不可預(yù)知的，這些都會加大系統(tǒng)采樣的難度，因此，必須實(shí)施休眠變周期采樣，一般在相鄰邊界處設(shè)多個采樣點(diǎn)，其能夠最大化對環(huán)境信息進(jìn)行捕捉，尤其是對于短暫的、大幅度的環(huán)境參數(shù)波動具有較高的敏感度[ii]。另外，為了降低該系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，延長使用期限，這些節(jié)點(diǎn)可以不參與網(wǎng)絡(luò)路由、接受無線信號，直接與基站進(jìn)行聯(lián)系，基站能夠根據(jù)收到的數(shù)據(jù)對林業(yè)環(huán)境進(jìn)行判斷，若有特殊情況，其會發(fā)出采樣命令，節(jié)點(diǎn)接受命令后將會退出休眠狀態(tài)。通常，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗多是由數(shù)據(jù)采集、處理以及數(shù)據(jù)無線收發(fā)等造成的，其中尤以數(shù)據(jù)無線收發(fā)能耗最為突出，因此可實(shí)施變周期采樣的方式，其不僅能夠起到節(jié)能的效果，而且能夠確保突發(fā)事件信息的完善收集，當(dāng)然在這個過程中也存在著參考采樣點(diǎn)選擇的問題，需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

2.系統(tǒng)硬件組成

2.1ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成

通常，WSN節(jié)點(diǎn)多采用的是微型嵌入式系統(tǒng)，其作為WSN硬件基礎(chǔ)平臺，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)測，其在森林環(huán)境監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中對成本給予了高度關(guān)注，具有低功耗、安全性高的優(yōu)越性。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、處理器、無線通信以及電源供應(yīng)等模塊等成，具體見圖1。為了提升系統(tǒng)硬件的節(jié)能性、穩(wěn)定性，可采用8位ATmega128L微控制器，該控制器較傳統(tǒng)的8位控制器能量消耗更低、資源更加豐富，且包括內(nèi)外多種中斷模式，片中包含了128KB程序存儲器Flash、4KB靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器以及4KB的E2PROM。

2.2ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件組成

ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)在整個森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用，其能夠?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的控制器要求較高。傳統(tǒng)的單片機(jī)在森林監(jiān)測系統(tǒng)中盡管能夠起到一定的控制作用，然而性能卻不夠強(qiáng)大，在工作的過程中容易出現(xiàn)效率低、耗能高的特點(diǎn)。而ARM不僅能耗能低、性能高，而且能夠在一定程度上降低成本，成為目前單片機(jī)的首選。本次研究采用的是ARM9處理器，其運(yùn)行速度較快，具有較大的存儲空間，能夠?qū)崿F(xiàn)與以太網(wǎng)的互聯(lián)。STR12FW44X6芯片為整個系統(tǒng)的核心。

3.自適應(yīng)動態(tài)路由的設(shè)計

3.1自適應(yīng)動態(tài)路由特點(diǎn)

通常，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用網(wǎng)絡(luò)分簇以及樹形網(wǎng)絡(luò)兩種模式，這兩種分層模式能夠?qū)崿F(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的有效分簇，且能夠在一定程度上保障分簇的魯棒性。然而從算法來說，其計算較為復(fù)雜，收斂速度有待提升，且大部分網(wǎng)絡(luò)路由在設(shè)計中未體現(xiàn)休眠原則。自適應(yīng)動態(tài)路由不僅能夠滿足休眠需求，而且能夠降低能耗，然而其也存在信息包丟失的可能性，僅適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小狀態(tài)下的計算，若網(wǎng)路規(guī)模較大，設(shè)置多數(shù)目節(jié)點(diǎn)日內(nèi)以造成數(shù)據(jù)丟失，使實(shí)時監(jiān)控喪失了本身的意義與價值。本次研究中提出了動態(tài)分簇的算法，其一方面考慮到了節(jié)點(diǎn)的實(shí)際需求，另一方面也體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的能量原則。另外，為了降低網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由造成的能耗，此類環(huán)境監(jiān)測一般將最重要的指標(biāo)作為考慮對象，對于無關(guān)緊要的指標(biāo)進(jìn)行忽略，其能夠達(dá)到節(jié)能的目的。在數(shù)據(jù)傳輸階段中，自適應(yīng)動態(tài)路由能夠擺脫系統(tǒng)休眠限制，進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效的傳輸，一般由簇成員直接傳遞簇頭，收集整理后實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的融合，然后再將信息傳遞到中央節(jié)點(diǎn)。自適應(yīng)動態(tài)路由系統(tǒng)與休眠系統(tǒng)相結(jié)合，再加上分簇算法的引入，能夠在一定程度上降低自主成簇的概率，提升分簇效率[iii]。在簇內(nèi)實(shí)現(xiàn)通訊，其距離明顯小于節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的距離，且無需通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠降低無線通信數(shù)據(jù)傳輸量，使傳輸過程中所造成的能量損耗大大降低，增強(qiáng)數(shù)據(jù)之間的融合效率，整個系統(tǒng)節(jié)能效應(yīng)體現(xiàn)的尤為明顯。

3.2實(shí)證研究

為了研究節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的節(jié)能效果，選取了林業(yè)場地作為試驗(yàn)地，并將未使用節(jié)能方法的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測作為對照，對這兩者的實(shí)際節(jié)點(diǎn)壽命進(jìn)行比較[iv]。兩種監(jiān)測方式均采用同一型號干電池實(shí)施供電。可以發(fā)現(xiàn)，采用節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電池壽命較長，幾乎可以達(dá)到3個月左右，而未采用節(jié)能方法的節(jié)點(diǎn)壽命僅為20d左右，兩者呈現(xiàn)出明顯的差異。這說明，在采用了節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)的能耗能夠得到大幅度降低，在一定程度上延長電池的使用壽命，具有較高的應(yīng)用價值。另外，在1.5km半徑區(qū)域內(nèi)布置多個傳感器節(jié)點(diǎn)，并對其進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測，所采集的數(shù)據(jù)由各監(jiān)測點(diǎn)匯入控制中心，實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)如表1所示，共呈現(xiàn)了5個監(jiān)測點(diǎn)每2h的匯總記錄，并對濕度、溫度、厭惡指數(shù)、光照度、土壤水分以及土質(zhì)酸堿度等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的環(huán)境基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

結(jié)束語

通過本次研究可以發(fā)現(xiàn)，采用自適應(yīng)采樣方法能夠在一定程度上促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能，且對突發(fā)事件具有較高的敏感性，而動態(tài)路由算法能夠在實(shí)現(xiàn)休眠的同時使分簇效率得到提升，其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的融入能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，使系統(tǒng)的生命周期得到延長，具有一定的可行性與穩(wěn)定性，其在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測中有著較高的應(yīng)用價值，值得參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

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