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)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，近年來憑借著低成本、低功耗、低復(fù)雜度的優(yōu)勢得到了迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等各個領(lǐng)域。本文結(jié)合規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和科技興農(nóng)的戰(zhàn)略國策，在前人的基礎(chǔ)上改進(jìn)并設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并將其成功運用到生產(chǎn)實踐中。

本文以低成本、低功耗的無線射頻芯片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，大大延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間。

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。基于簇的分層結(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。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為以下3層：（1）傳感器節(jié)點層，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（即簇頭），主要由處理器模塊、無線通信模塊、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)點交互信息通過多跳路由完成數(shù)據(jù)從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的傳送。（3）匯聚節(jié)點通過串口與計算機(jī)相連組成管理節(jié)點層。管理人員通過計算機(jī)監(jiān)控、維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，并對測得數(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Internet/GPRS與管理節(jié)點進(jìn)行交互，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享；通過GPRS網(wǎng)絡(luò)自動將報警信息發(fā)送到管理員手機(jī)上面，不會漏過任一條報警信息，隨時隨地監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)，若出現(xiàn)異常，能第一時間予以解決。

2 硬件組成

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

傳感器節(jié)點分布在各待測區(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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、無線收發(fā)和即時顯示等功能。使用2節(jié)普通AA干電池作為電源模塊，經(jīng)實驗，連續(xù)工作 7天時，每個節(jié)點每天平均功耗為 1.2 mW，可使用 20～24個月。此外，系統(tǒng)還包含PDA無線報警模塊，可以和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點進(jìn)行交互，時時刻刻監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)，提供直觀的現(xiàn)場操作能力。

3 軟件系統(tǒng)組成及實現(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)計考慮的最重要因素，要達(dá)到節(jié)能，就要使傳感器節(jié)點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，信號的調(diào)制解調(diào)等，CC2430提供了對IEEE 802.15.4物理層協(xié)議的支持，節(jié)點主要通過對CC2430的寄存器配置來實現(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)媒體接入和差錯控制，可以在通信網(wǎng)絡(luò)中確保節(jié)點之間的連接并保證源節(jié)點發(fā)出的信息可完整、無誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。

WSN中主要有沖突、傳輸、控制消息和空閑偵聽四種能源消耗，其中空閑偵聽占所有能耗的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)。通過減少空閑偵聽時間和沖突次數(shù)來減少節(jié)點的能耗。ML-MAC特有的機(jī)制也能將兩個或多個節(jié)點試圖在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)量的值最小化，減少沖突，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，這較S-MAC和T-MAC能耗大大降低。ML-MAC是基于分布競爭上的MAC層協(xié)議，節(jié)點通過無線電信號電平尋找下一跳，從而避免了T-MAC的早睡問題。同時ML-MAC又是一個自我組建的MAC層協(xié)議，它不需要一個中心節(jié)點來控制所有節(jié)點的運作，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)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)節(jié)點無法與匯聚節(jié)點直接進(jìn)行通信，因此需要利用中間節(jié)點進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以完成數(shù)據(jù)傳送，可以說路由算法的選擇是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。

基于分簇的層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型雖然可對資源進(jìn)行平衡分配，具有拓?fù)涔芾矸奖恪⒛芰坷酶咝А?shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點，但由于簇頭到匯聚節(jié)點的距離一般較遠(yuǎn)，在簇頭與匯聚節(jié)點之間采用多跳通信方式，按照從簇頭到匯聚點的路徑多跳轉(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)載過重、能量過早耗盡、降低整個網(wǎng)絡(luò)生存時間。

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)，在實現(xiàn)簇頭負(fù)載均衡的同時降低了存儲開銷和控制消息開銷。

CLBCES路由算法主要思想：根據(jù)傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點距離的遠(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)點到簇頭的跳數(shù)場和以匯聚節(jié)點為根節(jié)點的簇間轉(zhuǎn)發(fā)路徑。從簇頭低負(fù)載的需求出發(fā)，傳感器節(jié)點在選擇簇頭時，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。同時通過增設(shè)閾值保證節(jié)點剩余能量均衡，即節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，搜索所有能夠到達(dá)匯聚節(jié)點的路徑，若路徑上節(jié)點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)點的剩余能量都較少時，就按照MMBCR算法選擇路徑；當(dāng)某節(jié)點的剩余能量小于該閾值時，則在選擇路由時應(yīng)盡量避開該節(jié)點，以此來延長整個網(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題，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，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)用層上除了實現(xiàn)對硬件和其他組件的初始化、啟動、停止以及系統(tǒng)能量管理的功能外，還需要開發(fā)和使用相應(yīng)的軟件系統(tǒng)完成人機(jī)交互。

隨著規(guī)模化農(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)測和管理更加科學(xué)，控制更加簡單，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條件進(jìn)行檢測，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)價值作物的生長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)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)并參考最佳作物生長指標(biāo)對農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，真正做到無人值守、自動管理。

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

[2]吳玉康，鄧世建，袁剛強(qiáng)，等.SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用[J].工礦自動化，2010，36(04)：99-101.

[3]楊明慧，楊鵬，史旺旺.基于TSL2561的無線光強(qiáng)傳感器節(jié)點設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，10(6)：38-40.

[4]JHA M K，PANDEY A K，PAL D，et al.An energy-efficient multi-layer MAC(ML-MAC)protocol for wireless sensor networks[C].International Journal of Electronics and Communications，2010.

[5]江海峰，錢建生，李世銀，等.簇頭負(fù)載均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(23)：111-114.

[6]王春雷，柴喬林，王華，等.基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由算法[J].計算機(jī)應(yīng)用，2007，27(02)：342-345.