農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議分析

李英華 馬愛霞

摘 要：為部署農(nóng)田土壤和大氣層中的傳感器節(jié)點，文章提出農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議分析。搭建農(nóng)田監(jiān)測可視化平臺，提取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)特征，構(gòu)建無分層通信協(xié)議，完成農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的通信協(xié)議比傳統(tǒng)通信協(xié)議的能量消耗均少于2.077%～10.061%不等，證明設(shè)計的通信協(xié)議能量消耗較小，能有效延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田監(jiān)測;無線傳感器;通信協(xié)議;無分層

0 引言

自20世紀(jì)90年代末，美國等一些發(fā)達國家就開始對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)研究，并結(jié)合軍用監(jiān)視設(shè)備，率先應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域。1993年開始，美國加州大學(xué)開展了無線綜合網(wǎng)絡(luò)傳感器研究，使人們意識到無線傳感器可以應(yīng)用在更多領(lǐng)域。我國的相關(guān)研究起步較晚，但在一些科研機構(gòu)的不懈努力下，在無線傳感器的定位技術(shù)、通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理方面已經(jīng)取得了較大進步[1]。在無線通信技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)不斷成熟的背景下，無線傳感器的應(yīng)用范圍也在不斷擴大，尤其是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正處在轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，在農(nóng)田監(jiān)測工作中融入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，能有效獲取農(nóng)田環(huán)境信息，主要包括環(huán)境溫度、濕度和光照情況等因素。根據(jù)相關(guān)研究資料顯示，對農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議的能量消耗研究得不夠全面，有待深入探討。

1 設(shè)計農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議

1.1 搭建農(nóng)田監(jiān)測可視化平臺

搭建農(nóng)田監(jiān)測可視化平臺，用于部署農(nóng)田土壤和大氣層中的傳感器節(jié)點，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息進行儲存和可視化處理，通過數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，搭建農(nóng)田監(jiān)測可視化平臺，如圖1所示。

數(shù)據(jù)接收模塊主要是利用無線傳感器串口，采集農(nóng)田環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)信息輸入數(shù)據(jù)庫，根據(jù)農(nóng)作物的歷史生長周期和所需生長條件進行對比分析，提取最適合農(nóng)作物生長的溫度、濕度、光照條件和病蟲害防治信息。在儲存數(shù)據(jù)信息的同時，對采樣環(huán)境信息當(dāng)天的環(huán)境溫度、濕度和光照信息進行對比，得出農(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值的極值，為制定農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境方案奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)管理模塊主要是根據(jù)實際情況對監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖形或者圖表進行修改，以柱狀圖、曲線圖或者餅圖等形式進行數(shù)據(jù)展示，使數(shù)據(jù)信息更加直觀、生動。數(shù)據(jù)管理能夠在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上提供更加詳細的信息，比如施肥配比、節(jié)水灌溉等方面[2]。農(nóng)田監(jiān)測可視化平臺還必須滿足快速響應(yīng)用戶需求的條件，以優(yōu)質(zhì)的交互界面實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信息的監(jiān)測，完成農(nóng)田監(jiān)測可視化平臺搭建。

1.2 提取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征

無線傳感器具有大量特定功能的節(jié)點，涉及感知、計算和存儲等方面的功能，可以對農(nóng)田等研究對象進行實時監(jiān)測和采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息，并將收集到的信息傳送給用戶。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有更加智能化的特點[3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點3個部分。由于農(nóng)田的監(jiān)測面積通常比較大，需要在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量部署傳感器節(jié)點，導(dǎo)致傳感器節(jié)點的分布也相對比較密集。傳感器節(jié)點的作用主要是感知并實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境的變化，并將捕獲的變化信息通過可視化平臺發(fā)送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點作為無線傳感器的核心部分，其作用是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間在協(xié)調(diào)狀態(tài)下實現(xiàn)信息獲取等目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)通常是由能量較強的傳感器節(jié)點或者具備無線網(wǎng)關(guān)能力的路由器組成。對來自傳感器的節(jié)點進行數(shù)據(jù)綜合處理后，接收并執(zhí)行管理節(jié)點的指令，有效保證無線傳感器的穩(wěn)定運行。

農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點之間以可視化平臺為中心實現(xiàn)相互聯(lián)系，形成自發(fā)性的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)[4]。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行都是以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的鄰近關(guān)系和對應(yīng)關(guān)系為依托，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合等步驟，傳送給通信能力較強的匯聚節(jié)點。任務(wù)管理節(jié)點是包含若干臺服務(wù)器的指令管理中心，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)配置與管理操作都必須經(jīng)由任務(wù)管理節(jié)點進行處理分析，并且傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點都要實時執(zhí)行任務(wù)管理節(jié)點的指令。

1.3 構(gòu)建無分層通信協(xié)議

要想構(gòu)建無分層通信協(xié)議，既需要考慮農(nóng)田監(jiān)測的實際需求和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，還要將能量消耗和可靠性等因素充分融入通信協(xié)議中。農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的供電來源通常是電池供電，在運行過程中，對于已經(jīng)消耗掉的能量無法進行及時補給，因此，能量消耗是實現(xiàn)無分層通信協(xié)議的重要影響因素[5]。為了節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行過程中的能量消耗，必須及時獲取能量消耗情況，根據(jù)變化情況進行能量分配。同時，無分層協(xié)議還應(yīng)該具有較強的自動校正功能和容錯性，避免錯誤出現(xiàn)后導(dǎo)致整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而影響運行效率。能量消耗計算公式如下：

其中，EmoCV為能量消耗;k表示傳感器節(jié)點;Eelec表示電能;dtoCV表示節(jié)點到傳感器的距離，當(dāng)k≥1時，符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議能量消耗的要求范圍，完成無分層通信協(xié)議構(gòu)建。

2 實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

為了測試農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議的能量消耗情況，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行實驗，實驗參數(shù)設(shè)定如表1所示。

選取3種傳統(tǒng)通信協(xié)議與文中通信協(xié)議進行能量消耗對比，得出實驗結(jié)果。

2.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如表2所示。

實驗結(jié)果表明，相同的單位時間內(nèi)，文中通信協(xié)議的能量消耗均少于傳統(tǒng)通信協(xié)議2.077%～10.061%不等，由于能量消耗越少，網(wǎng)絡(luò)運行周期越長，因此，文中通信協(xié)議更加適用于農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語

本文通過研究農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議，設(shè)計出能量消耗更少的通信協(xié)議。在一定程度上推動了農(nóng)田監(jiān)測和無線傳感器領(lǐng)域的發(fā)展，為學(xué)術(shù)界開展相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)和實踐基礎(chǔ)。由于研究條件有限，文章對農(nóng)田監(jiān)測環(huán)境信息收集得還不夠全面，未來將不斷完善。

[參考文獻]

[1]閆文豪，韓宇星.基于農(nóng)田監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位研究[J].農(nóng)機化研究，2021（6）：36-41.

[2]嚴錫君，劉旭東.多鏈型農(nóng)田監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無分層通信協(xié)議[J].節(jié)水灌溉，2020（4）：86-89，94.

[3]陳紫薇，姚俊光，孫道宗，等.基于LoRa的無線傳感網(wǎng)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)[J].現(xiàn)代計算機，2020（2）：98-102.

[4]張曉涵，尹長川，吳華瑞.面向大規(guī)模農(nóng)田生境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能優(yōu)化策略[J].智慧農(nóng)業(yè)，2019（2）：55-63.

[5]趙立新.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2018（11）：49-52.

（編輯 王永超）