森林生境因子無線傳感器網(wǎng)絡采集系統(tǒng)

李 丹，孫利新，戴 巍，王霓虹

(1.東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院，150040哈爾濱;2.哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院，150001哈爾濱)

近年來，隨著電子信息技術的提高，嵌入式技術得到了飛速發(fā)展.由于嵌入式微處理器具有體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等優(yōu)點，其應用已深入到工業(yè)、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研等多種領域.隨著嵌入式技術的不斷進步和“數(shù)字林業(yè)”概念的提出，逐漸將嵌入式技術應用于林業(yè)生產(chǎn)，推動著林業(yè)生產(chǎn)信息化的進程，加快了現(xiàn)代化林業(yè)技術的發(fā)展［1-2］.

在森林生境因子采集過程中對精確、快速、自動的測量技術的需求越來越高，而傳統(tǒng)的林業(yè)測量方式大多采用手工測量或是有線傳輸測量方式，林木生長環(huán)境地域廣闊、地形復雜，不具備現(xiàn)場布置大量的導線或電纜的實際條件，并且在線路上的傳輸信號會受到電磁干擾，造成較大的衰減，從而影響了測量數(shù)據(jù)的精度，導致了測量誤差.在此背景下急需研究低成本的林木生長環(huán)境信息采集傳感器和高可靠性的環(huán)境信息無線測控終端，并在此基礎上研究開發(fā)森林生境因子自動采集系統(tǒng)，以便及時地了解森林生長環(huán)境狀況，為林木的撫育提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為森林撫育以及經(jīng)營管理提供決策支持.

系統(tǒng)將最新的嵌入式技術與無線傳感器網(wǎng)絡技術相結合，采用無線射頻芯片nRF905和低功耗嵌入式芯片LPC2148，可以實現(xiàn)低成本、高效率地完成數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，通過設計以電池供電方式的生境因子采集電路，實現(xiàn)了整個檢測過程的無線化、自動化和可視化.

1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)是將由匯聚節(jié)點、路由傳輸節(jié)點和傳感器采集節(jié)點組成的森林生境因子無線測控終端分布在森林監(jiān)測區(qū)域，構成森林生境因子采集系統(tǒng)，通過實時采集森林環(huán)境信息，傳輸?shù)较到y(tǒng)監(jiān)測中心平臺，實時監(jiān)測森林環(huán)境因子的變化，其系統(tǒng)結構如圖1所示.其中，在指定的森林監(jiān)測區(qū)域隨機地分布大量的數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點，這些節(jié)點能夠隨時通過自組網(wǎng)的方式構成監(jiān)測網(wǎng)絡，并采用多跳方式將采集到的數(shù)據(jù)沿著相鄰的節(jié)點進行傳輸.在傳輸過程中，傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)將被其他傳輸節(jié)點處理，并傳送至最近的負責多點接收的匯聚節(jié)點，然后通過RS232串口通信將采集數(shù)據(jù)送給本地監(jiān)測中心的 PC機［3-4］，將采集數(shù)據(jù)入庫.本地監(jiān)測中心對接收的數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲，并通過WebGIS將采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)布，以實現(xiàn)隨時隨地通過Internet網(wǎng)絡對生境因子進行實時監(jiān)測.

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件結構

森林生境因子無線測控終端主要由傳感器終端節(jié)點、路由傳輸節(jié)點、匯聚節(jié)點3個部分組成.為了系統(tǒng)穩(wěn)定性與集成性，路由傳輸節(jié)點與傳感器終端節(jié)點采用集成式設計，封裝同一集成電路中，匯聚節(jié)點與本地監(jiān)測中心的PC機相連，傳感器節(jié)點由微處理器、串口通信模塊、無線通信模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊和系統(tǒng)電源模塊組成.每個終端節(jié)點通過自組網(wǎng)方式將采集的森林環(huán)境信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點傳輸至本地監(jiān)測中心，實現(xiàn)對森林溫度、森林濕度和森林光照強度的采集監(jiān)測.系統(tǒng)的采集終端節(jié)點硬件結構如圖2所示，由于系統(tǒng)工作在野外環(huán)境，所以使用前通過防護箱對節(jié)點進行封裝，節(jié)點實物和封裝如圖3所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

圖3 節(jié)點實物與節(jié)點電路封裝圖

2.2 傳感器模塊

光照強度采集模塊采用的主要元件是BH1750FVI.BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的16位數(shù)字型光照強度傳感器.它具有較高的分辨率，可以測量較大變化范圍的光照強度.

溫濕度采集采用SHTxx系列單芯片溫濕度復合傳感器，該傳感器本身含有已校準數(shù)字信號輸出.該傳感器內(nèi)部同時包括測溫和測濕元件，具有14位的內(nèi)置A/D轉換器，和串行接口電路無縫連接.系統(tǒng)采用的是SHT11溫濕度傳感器測量森林溫濕度，SHT11通過內(nèi)部的測溫和測濕元件產(chǎn)生溫濕度信號，經(jīng)過放大，送至A/D轉換器進行模數(shù)轉換、校準和糾錯.

2.3 無線通信模塊

無線射頻收發(fā)芯片nRF905工作于433MHz的ISM頻段.該芯片內(nèi)部含有功率放大器、頻率合成器、調(diào)制器和晶體振蕩器等功能模塊.芯片的通信頻道和輸出功率可以通過編寫軟件程序自行修改，采用曼徹斯特格式進行編碼和解碼.nRF905在和微處理器進行數(shù)據(jù)傳輸式通過SPI接口實現(xiàn)，nRF905具有ShockBurstTM發(fā)送和接收兩種工作模式，以及關機和空閑兩種節(jié)能模式.

3 無線自組網(wǎng)過程

3.1 協(xié)議棧結構及功能

無線自組網(wǎng)協(xié)議棧的結構分為四層，由下至上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層［5］.協(xié)議棧的各層主要功能如下:

協(xié)議棧的最底層叫做物理層，物理層主要完成無線通信模塊與MCU之間的數(shù)據(jù)通信.無線通信模塊的硬件地址匹配、信道監(jiān)測等操作都是在這一層自動完成.本系統(tǒng)通過LPC2148芯片的GPIO口來實現(xiàn)nRF905的讀寫時序，從而實時讀取傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)鏈路層主要完成對信道的沖突檢測和數(shù)據(jù)解析，采用CSMA/CA協(xié)議實現(xiàn)信道的沖突檢測.每個傳感器節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，若檢測到信道被占用，則需要隨機等待一段時間之后再進行檢測，當檢測到信道空閑時才開始發(fā)送數(shù)據(jù)［6］.

網(wǎng)絡層主要完成無線自組網(wǎng)、路由選擇和維護等工作.通過該層協(xié)議，本系統(tǒng)可以自動完成新節(jié)點入網(wǎng)、路由選擇和路由維護等操作.

應用層主要作用是當發(fā)送數(shù)據(jù)時，會自動啟動數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層的相應協(xié)議添加節(jié)點信息和網(wǎng)絡信息，然后將這些信息分裝成幀，之后通過無線通信模塊將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去.當接收到數(shù)據(jù)后，首先對收到的數(shù)據(jù)包進行解析，然后根據(jù)數(shù)據(jù)解析的結果選擇響應方式.

3.2 CSMA/CA實現(xiàn)過程

當無線傳感器網(wǎng)絡中有多個節(jié)點要同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的可能性會增大，因此，在無線自組網(wǎng)協(xié)議站數(shù)據(jù)鏈路層中采用了CSMA/CA控制協(xié)議，以減少數(shù)據(jù)分組發(fā)送的沖突，從而提高信道利用率［7］.

通過nRF905無線通信模塊來模擬CSMA/CA協(xié)議的載波監(jiān)聽功能.當nRF905無線通信模塊處于接收模式時，首先監(jiān)聽信道是否有載波，若有則將CD引腳置高，從而有效地避免了發(fā)送方在相同頻率下可能發(fā)生的數(shù)據(jù)沖突.因此，當節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以在接收模式下通過檢測CD引腳的高低來判斷信道的忙閑狀態(tài)［8］.當CD引腳為低電平時，則說明此時信道空閑，可以發(fā)送數(shù)據(jù);反之，要先隨機退避一段時間，之后再次檢測CD引腳，直到其為低電平時才向外發(fā)送數(shù)據(jù).

3.3 自組網(wǎng)協(xié)議設計

系統(tǒng)采用多跳的無線傳輸網(wǎng)絡是通過自定義的自組網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn).在自組網(wǎng)協(xié)議中使用不易產(chǎn)生誤碼干擾字符組合0x55和0xAA來表示整個自定義數(shù)據(jù)包的前導碼.當接收到新數(shù)據(jù)包后，通過檢查結束符是否匹配前導碼來判斷接收的新數(shù)據(jù)包是否完整.無線自組網(wǎng)中傳輸?shù)膸愋椭饕?入網(wǎng)請求幀、入網(wǎng)應答幀、查詢幀、數(shù)據(jù)幀等幾種類型.其中，幀類型使用一個字節(jié)來表示的，具體情況如表1所示.

表1 幀類型格式

節(jié)點信息主要包括網(wǎng)絡 ID、節(jié)點地址、網(wǎng)絡級別以及當前節(jié)點電池電量等.每一個匯聚節(jié)點通過各自的網(wǎng)絡 ID來進行區(qū)分，并且各自都可以組建一個新的網(wǎng)絡.當節(jié)點要向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，會在數(shù)據(jù)幀中通過攜帶自己的節(jié)點號來作為數(shù)據(jù)標識.節(jié)點的網(wǎng)絡級別由上一級節(jié)點動態(tài)分配，每個傳感器節(jié)點都實時監(jiān)測電池當前電量，并將電量信息封裝在數(shù)據(jù)幀中向外發(fā)送.

路由信息主要包括目的節(jié)點地址，下一跳節(jié)點地址，當前跳數(shù)以及在傳輸過程中所經(jīng)過的中間節(jié)點地址.當每個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，先用自身的節(jié)點地址和接收到該數(shù)據(jù)包中目的地址進行比較，然后確定將數(shù)據(jù)接收或者進行轉發(fā).本系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡是基于多跳模式的，而每個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)可能要通過一個或多個中間節(jié)點來轉發(fā)才能到達目的節(jié)點，所以要利用中間節(jié)點地址來記錄已經(jīng)過的節(jié)點，并根據(jù)當前跳數(shù)來確定下一跳地址.

在傳輸過程中檢測接收的數(shù)據(jù)包是否發(fā)生錯誤是通過校驗碼實現(xiàn)的.當接收方接收到數(shù)據(jù)包之后，首先對數(shù)據(jù)包中攜帶的數(shù)據(jù)進行計算，然后與其攜帶的校驗碼進行比較，若一致則處理該數(shù)據(jù)，否則將直接丟棄該數(shù)據(jù)包.

3.4 自組網(wǎng)流程

首先由傳感器節(jié)點通過廣播方式主動申請加入網(wǎng)絡，然后由匯聚節(jié)點負責組建新的網(wǎng)絡.當系統(tǒng)上電初始化后，匯聚節(jié)點將自動進入接收狀態(tài)，以等待接收網(wǎng)絡內(nèi)其他傳感器節(jié)點的入網(wǎng)請求.當傳感器節(jié)點上電之后會主動向外廣播入網(wǎng)請求幀，并與距離最近已入網(wǎng)的節(jié)點進行通信，逐跳將入網(wǎng)請求幀傳至匯聚節(jié)點，等待匯聚節(jié)點入網(wǎng)應答.其中，已入網(wǎng)成功的節(jié)點可以接收并轉發(fā)其他未入網(wǎng)節(jié)點的入網(wǎng)請求幀.所以，整個無線傳感器網(wǎng)絡的組建工作是從匯聚節(jié)點開始，由傳感器節(jié)點發(fā)起，逐級向下延伸的.

當有新節(jié)點要加入已經(jīng)組建成功的網(wǎng)絡時，無線自組織網(wǎng)絡會自動接收新節(jié)點的入網(wǎng)請求，并將其信息添加到匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡信息表中.當一個新節(jié)點要申請入網(wǎng)時，首先要以廣播形式向外發(fā)送入網(wǎng)請求幀，然后自動進入接收狀態(tài)，等待相鄰已入網(wǎng)節(jié)點的應答.在其通訊范圍內(nèi)的其他節(jié)點都會接收到該廣播信息.

3.5 通信協(xié)議設計

無線傳感器網(wǎng)絡的大部分功耗被無線通信模塊占據(jù)，因此需要選擇一種合適的通信協(xié)議及其路由算法、時間同步算法和睡眠模式調(diào)度策略，來達到降低網(wǎng)絡功耗和傳輸延遲的目的，進而優(yōu)化資源配置［9-10］.系統(tǒng)采用的通信協(xié)議在傳統(tǒng)的洪流水協(xié)議之上做了部分改進:在傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包內(nèi)加入了自動編號機制，每當發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之后編號自動增1，同時建立編號登記表.當匯聚節(jié)點收到新的數(shù)據(jù)包之后首先檢查自身的編號登記表，如果已經(jīng)收到過該數(shù)據(jù)包則不進行轉發(fā)，否則先進行登記后再進行轉發(fā).這種機制不僅降低了測量面積大，監(jiān)測節(jié)點過多造成的網(wǎng)絡阻塞，還在一定程度上抑制了廣播風暴，通暢了網(wǎng)絡傳輸.

3.6 時間同步設計

在匯聚節(jié)點正確收到數(shù)據(jù)之后，以廣播方式向網(wǎng)絡中各個路由節(jié)點發(fā)送時間同步應答信號.每個路由節(jié)點收到信息后進行解析，然后根據(jù)解析內(nèi)容調(diào)整傳感器節(jié)點的定時器，以便進行時間同步，隨后每個節(jié)點進入休眠模式以節(jié)省能耗［11］.從而保證了各個路由節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的時間同步，有效的抑制了間隙時間的疊加，從而降低了網(wǎng)絡丟包率.

4 系統(tǒng)軟件設計

傳感器節(jié)點的軟件設計采用模塊化設計方式［12-13］，由節(jié)點初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)校驗模塊和數(shù)字顯示模塊等組成.系統(tǒng)的總體軟件結構如圖4所示，傳感器節(jié)點每經(jīng)過自定義的時間頻率進行采樣，系統(tǒng)默認采集時間是30 min，在每次完成數(shù)據(jù)信息采集后，立即關閉采集節(jié)點電源，從而減少了功耗，并同時設置一個定時器，在定時時間內(nèi)向匯聚節(jié)點發(fā)送采集的信息數(shù)據(jù)［14-15］.當收到匯聚節(jié)點發(fā)來的同步信號后，傳感器節(jié)點將會進入休眠狀態(tài)，直到定時時間到后才開始新一輪的數(shù)據(jù)采集.

圖4 系統(tǒng)總體軟件結構

實時監(jiān)測界面使用Fusion Widgets實時監(jiān)控圖表形式面向用戶，分別展示溫度、濕度、光照強度3個生境因子的實時監(jiān)測數(shù)值.歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以列表形式按時間段選擇顯示采集時間、溫度、濕度、光照強度4個信息值.實時監(jiān)測界面如圖5所示，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)界面如圖6所示.

系統(tǒng)以ArcGIS Server 9.3為GIS二次開發(fā)環(huán)境，通過 WebGIS平臺實現(xiàn)展現(xiàn)監(jiān)測點信息.WebGIS實現(xiàn)過程中使用Arcgis api for flex進行開發(fā).通過BlazeDS技術從java端獲取數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點監(jiān)測信息，包括監(jiān)測點是否異常工作，采集時間、溫度、濕度、光照強度等信息.WebGIS展現(xiàn)監(jiān)測點信息界面如圖7所示.

圖5 實時監(jiān)測界面

圖6 歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)界面

圖7 WebGⅠS展現(xiàn)監(jiān)測點信息

5 實驗及結果分析

5.1 節(jié)點通信距離測試

通過測試不同通信距離條件下的誤幀率大小的方式來測試系統(tǒng)的整體通信質(zhì)量.測試前先將nRF905的發(fā)射頻率設置為433 MHz，工作電壓為直流5 V，傳輸速率和發(fā)射功率分別設置為9 600 bps和10 dBm，其測試結果如表2所示.

表2 通信距離與誤幀率記錄結果

從表2可以看出，在50 m測量范圍之內(nèi)誤幀率變化不大，一旦超出50 m，誤幀率顯著上升，所以各個節(jié)點應當布置在通信半徑小于50 m的范圍之內(nèi)為最佳選擇.

5.2 網(wǎng)絡丟包率測試

實驗中布置了9個傳感器節(jié)點、4個路由傳輸節(jié)點和1個匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點放置于本地監(jiān)測站內(nèi)，路由節(jié)點處于傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間，負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)［16］.每隔10 min傳感器節(jié)點采集一次數(shù)據(jù)，發(fā)送一次數(shù)據(jù)后等待時間同步信號進入休眠模式.連續(xù)監(jiān)測10 d，經(jīng)測試，整個網(wǎng)絡的平均丟包率為0.66%，因此該系統(tǒng)通信可靠，網(wǎng)絡丟包測試結果如表3所示.

表3 網(wǎng)絡丟包率測試結果

6 結語

森林生境因子自動采集系統(tǒng)通過由SHT11溫濕度傳感器和BH175DFVI光強傳感器組成的傳感器節(jié)點獲取森林溫度、濕度和光照強度，通過路由節(jié)點轉發(fā)，由匯聚節(jié)點匯總數(shù)據(jù)，并通過RS232串口通信將監(jiān)測點數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測站PC，實現(xiàn)生境因子的實時在線監(jiān)測.研究并實現(xiàn)了基于nRF905模塊的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)與通訊設計，并通過供電電路設計實現(xiàn)低功耗傳輸，整個傳輸過程使用無線傳輸方式，擴大了傳輸范圍.最后進行了完整的測試實驗，測試結果表明測量結果可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了設計要求.克服了傳統(tǒng)森林信息調(diào)查過程中森林生境因子獲取手段單一、動態(tài)變化不及時、數(shù)據(jù)精度低等缺點，通過軟件處理提高了生境因子的采集速度和測量精度，并運用數(shù)據(jù)庫技術將大量數(shù)據(jù)存儲，從而提高了該系統(tǒng)的實際應用價值.

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