一種應(yīng)用于林業(yè)監(jiān)測(cè)的鏈?zhǔn)椒执責(zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)

張浩平

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、體積小、功耗低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由無(wú)線通信方式形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息的采集、量化、融合和傳輸?shù)墓δ埽莻鹘y(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不能比擬的。

2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個(gè)無(wú)線葡萄園。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔1 min檢測(cè)1次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確保葡萄可以健康生長(zhǎng)。同年英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器Mote連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，用于監(jiān)測(cè)觀察緬因州“大鴨島”上動(dòng)物的棲息地環(huán)境，來(lái)評(píng)價(jià)一種海燕巢的條件，并且長(zhǎng)時(shí)間搜集光線、溫度等環(huán)境氣候因子的變化資料[1]。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用尚處于起步階段，在大面積的林區(qū)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，還有很多問(wèn)題尚待解決。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種短距離、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗和低速率的無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee聯(lián)盟于2005年6月公布了無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一的ZigBee協(xié)議，它具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高安全性及全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，成為最適合構(gòu)建低速率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的標(biāo)準(zhǔn)之一。ZigBee的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE 802.15.4(個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的完善；工作在采用直接序列擴(kuò)頻的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，即 2.4 GHz、915 MHz、868 MHz 的免執(zhí)照頻段，非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

此外，ZigBee工作在低耗電待機(jī)模式下，一塊普通的堿性電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6個(gè)月到2年的時(shí)間，這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)，特別適合用于低成本的傳感器網(wǎng)絡(luò)。把它放入森林里，可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，不需頻繁地更換電池[2]。

CC2430是TI公司推出的新一代ZigBee無(wú)線單片機(jī)系列芯片。CC2430除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型8051單片機(jī)、具有2/64/128 Kb可編程閃存和8 Kb的RAM以及ADC、看門(mén)狗等。CC2430可工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓(2.0～3.6 V)供電，待機(jī)時(shí)電流消耗僅0.2 μA，但靈敏度高達(dá)-91 dBm、最大輸出為+0.6 dBm、最大傳送速率為250 Kb/s。CC2430僅需添加少量的外圍元件就可以完成ZigBee通信功能的硬件實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在林區(qū)建立WSN首先遇到的問(wèn)題就是如何布設(shè)WSN節(jié)點(diǎn)。林區(qū)的特點(diǎn)是面積大、地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，這給在林區(qū)布設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了很大的困難。有人提出用隨機(jī)拋灑的方式[4]，筆者認(rèn)為這種方式弊大于利，首先是由于拋灑的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致有的節(jié)點(diǎn)因?yàn)榕c鄰接節(jié)點(diǎn)的距離過(guò)遠(yuǎn)而無(wú)法收到信號(hào)，成為孤點(diǎn)而失效；其次由于林區(qū)的地形復(fù)雜，有很多的陡坡和深谷，在水流和大風(fēng)的影響下，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生位移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有大量的節(jié)點(diǎn)因失去聯(lián)系而成為失效的孤點(diǎn)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。更為重要的是，一段時(shí)間后，隨著電池的耗盡，大量的節(jié)點(diǎn)失效，不得不進(jìn)行新的拋灑。而那些大量含有廢電池和電子元器件的失效節(jié)點(diǎn)無(wú)法回收，任其長(zhǎng)期滯留在森林里，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

因此，節(jié)點(diǎn)的布設(shè)必須用人工的方式進(jìn)行，而且要進(jìn)行良好的固定，并設(shè)置明顯的標(biāo)志，失效的電池必須予以回收。盡管這會(huì)大大增加工作量，但保護(hù)森林的生態(tài)環(huán)境是第一位的。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在林區(qū)的環(huán)境下，無(wú)線發(fā)射的覆蓋范圍只有50～100 m左右，一平方公里的區(qū)域就需要布設(shè)100～200個(gè)節(jié)點(diǎn)，而一個(gè)林區(qū)的面積往往有幾十甚至上百平方公里，需要布設(shè)成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。眾多的節(jié)點(diǎn)會(huì)造成頻繁的無(wú)線信道的爭(zhēng)用沖突，導(dǎo)致重發(fā)的概率大大提高，從而降低通信效率，增加了節(jié)點(diǎn)的功耗。

為此，本文提出一種基于鏈狀分簇的傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)方案，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)以林區(qū)的邊沿外圍為起點(diǎn)，向林區(qū)的深處以鏈狀的形式進(jìn)行布設(shè)，每一條鏈為一個(gè)簇，簇頭(ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)固定設(shè)在林區(qū)的邊沿外圍(如林區(qū)的公路)，必須有穩(wěn)定的電源供電(如太陽(yáng)能電池或交流電)，并配有大功率無(wú)線收發(fā)模塊，負(fù)責(zé)收集本簇各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)，并上傳給遠(yuǎn)處的控制中心基站，同時(shí)接收來(lái)自基站的控制命令。

傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合后沿著節(jié)點(diǎn)鏈逐跳傳遞給簇頭。為了防止因鏈中某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效而導(dǎo)致斷鏈的現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離應(yīng)小于30 m，一旦某節(jié)點(diǎn)失效，失效節(jié)點(diǎn)的前、后節(jié)點(diǎn)之間的距離依然在無(wú)線收發(fā)的有效范圍，因此可加大前、后節(jié)點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度直接建立連接，進(jìn)行隔跳傳輸。

鏈簇與鏈簇之間盡可能地拉開(kāi)距離，避免相互之間的無(wú)線信號(hào)干擾，以便盡可能降低信道爭(zhēng)用沖突的概率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在ZigBee中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有三種類型：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器ZC、路由器ZR和終端節(jié)點(diǎn)ZED。一個(gè)簇中必須有且只能有一個(gè)ZC(簇頭)。在本方案中，除了簇頭和最遠(yuǎn)端(即簇鏈的末端)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為ZED之外，其余節(jié)點(diǎn)均為ZR，可根據(jù)需要在某些ZR節(jié)點(diǎn)上安裝傳感器，用來(lái)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，其余節(jié)點(diǎn)可不安裝傳感器，主要用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

從簇頭向簇鏈的末端方向傳輸數(shù)據(jù)稱為下行，反之向簇頭方向傳輸數(shù)據(jù)稱為上行。相對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，上行方向相鄰的那個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為該節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，下行方向相鄰的那個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。因此，除簇頭沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)和簇鏈末端的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)和一個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)的協(xié)議棧由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，如圖2所示。應(yīng)用層負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)融合和喚醒周期的控制；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)、節(jié)點(diǎn)的管理和數(shù)據(jù)的傳輸；MAC層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收、信道的掃描和評(píng)估、發(fā)射功率的控制和能量檢測(cè)；CC2430及外圍硬件電路構(gòu)成物理層。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程

ZED由于配有穩(wěn)定的電源，始終處于蘇醒狀態(tài)，隨時(shí)可以接收來(lái)自基站的最新喚醒周期表和節(jié)點(diǎn)路由表，以及時(shí)鐘同步值，并及時(shí)下發(fā)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配有一個(gè)靜態(tài)的地址，地址由簇標(biāo)識(shí)和節(jié)點(diǎn)號(hào)組成，節(jié)點(diǎn)路由表給出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址和相對(duì)位置，一般情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與自己的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)通信。

每當(dāng)安裝好一個(gè)新節(jié)點(diǎn)后，人工開(kāi)啟新節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，使新節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)建立連接，并接收父節(jié)點(diǎn)下發(fā)的喚醒周期表、節(jié)點(diǎn)路由表和時(shí)鐘同步值，直至所有節(jié)點(diǎn)都建立好連接。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

為降低功耗，ZigBee采用周期性喚醒的方式工作，所有節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格按照喚醒周期表同步喚醒，完成數(shù)據(jù)傳輸后即進(jìn)入休眠狀態(tài)，并按照喚醒周期表決定下一次喚醒時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如下：

(1)所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間同步喚醒。

(2)首先簇頭啟動(dòng)下行連接流程，呼叫自己的子節(jié)點(diǎn)，建立連接，成功后，該子節(jié)點(diǎn)繼續(xù)呼叫自己的子節(jié)點(diǎn)，直至所有節(jié)點(diǎn)都與自己的父節(jié)點(diǎn)建立好連接，如果此時(shí)有新的喚醒周期表或其他控制命令或信息需要下發(fā)，則在建立連接時(shí)同時(shí)下發(fā)。

(3)安裝有傳感器的節(jié)點(diǎn)在與自己的子節(jié)點(diǎn)建立好連接后即進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集操作，做好數(shù)據(jù)上傳準(zhǔn)備。

(4)最末端的節(jié)點(diǎn)采集好數(shù)據(jù)后即刻進(jìn)行上行的數(shù)據(jù)傳輸流程，將數(shù)據(jù)傳送給自己的父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)將自己的數(shù)據(jù)與子節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)合并后再傳送給自己的父節(jié)點(diǎn)，直至所有數(shù)據(jù)匯集到簇頭，由簇頭傳送給基站。每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成向父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸后即進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與管理

3.3.1 信道沖突的解決

在WSN中，如果在無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用了相同的信道進(jìn)行發(fā)射，就會(huì)發(fā)生信道沖突，按照Z(yǔ)igBee的規(guī)范，信道沖突按照CSMACA協(xié)議進(jìn)行退避和重發(fā)，頻繁的信道沖突不僅增加了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，也額外地消耗了節(jié)點(diǎn)的寶貴能量。本設(shè)計(jì)方案中，由于采用了鏈狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在與自己的父節(jié)點(diǎn)建立好連接后再呼叫自己的子節(jié)點(diǎn)，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)收到子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后再向自己的父節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，因此一般情況下不會(huì)產(chǎn)生信道沖突。另外，簇與簇之間的距離可以足夠大，或限定各個(gè)簇鏈?zhǔn)褂貌煌男诺澜M，都可以避免簇與簇之間相互的信號(hào)干擾。但即使如此也不能完全排除其他原因(如孤點(diǎn)的恢復(fù))可能產(chǎn)生的信道沖突，因此MAC層在發(fā)射前須進(jìn)行信道的評(píng)估，如果發(fā)生信道沖突則按照CSMA-CA協(xié)議進(jìn)行退避和重發(fā)。

3.3.2 孤點(diǎn)的處理

孤點(diǎn)是指因某種原因與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)(包括因?yàn)殡姵厥Щ蛴布收系氖Ч?jié)點(diǎn))。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)呼叫子節(jié)點(diǎn)3次均未收到子節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，則認(rèn)為該子節(jié)點(diǎn)已成為孤點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)保存此時(shí)所使用的喚醒周期表，然后加大發(fā)射功率直接呼叫孤點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，如果成功則將該子節(jié)點(diǎn)劃為自己的子節(jié)點(diǎn)，并在數(shù)據(jù)上傳時(shí)向基站匯報(bào)。考慮到節(jié)點(diǎn)的失效未必是永久性的，例如由于干擾造成程序的紊亂，看門(mén)狗使能后即可恢復(fù)正常，因此有必要在下一次喚醒時(shí)進(jìn)行孤點(diǎn)恢復(fù)操作，其流程如下：

(1)由基站下達(dá)啟動(dòng)孤點(diǎn)恢復(fù)操作的命令。

(2)由孤點(diǎn)的原父節(jié)點(diǎn)執(zhí)行孤點(diǎn)恢復(fù)操作的命令，該節(jié)點(diǎn)將按照所保存的舊喚醒周期表嘗試向孤點(diǎn)進(jìn)行呼叫，嘗試的次數(shù)以基站下達(dá)的命令中給出。

(3)如果呼叫孤點(diǎn)成功，則恢復(fù)原有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，否則保持現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(4)在下一次上傳數(shù)據(jù)時(shí)向基站匯報(bào)操作的結(jié)果。

3.3.3 節(jié)能措施

傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電的方式獲取能源，在林區(qū)的環(huán)境下，頻繁地給大規(guī)模的傳感器節(jié)點(diǎn)更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。因此，要考慮如何高效、合理地使用能源，以盡可能地延長(zhǎng)電池的壽命。在本方案中，鄰接節(jié)點(diǎn)的距離小于30 m，盡管這樣會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，從而增加成本，但這樣做有幾個(gè)明顯的好處：(1)由于距離近，可以采用小功率的發(fā)射，可有效地節(jié)約能源。(2)小功率的發(fā)射可以降低信道沖突的概率，信道沖突的減少對(duì)能源的節(jié)約十分有利。(3)當(dāng)某節(jié)點(diǎn)成為孤點(diǎn)時(shí)，與孤點(diǎn)相鄰的上下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可直接建立連接，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的堅(jiān)固性。

本文所提出的設(shè)計(jì)方案為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了一條新思路。由于鏈狀分簇的設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際情況靈活地選擇鏈簇的數(shù)目，從而有效地提高了系統(tǒng)建設(shè)的靈活性。同時(shí)，本方案在減少信道沖突和節(jié)約能源方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但本設(shè)計(jì)方案目前只是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)，真正應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中還會(huì)有很多問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究解決。

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