面向精準農業的無線傳感器網絡節能策略研究

張鵬

（渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714000）

在有限的農田資源條件下，如何提高生產效率、解決經濟效益與環境效益之間的矛盾是目前亟待解決的問題。精準農業是指在農業生產過程中使用信息和控制技術，可有效地利用資源，最大限度地提高作物產量并減少對環境的影響，能高效地收集處理相關數據[1-2]，是現代農業發展自動化、智能化的重要方向。采集準確的實時信息是實現精準農業的基本條件，但實際中的農業生產過程會受到地域分散、物種多樣等諸多因素的影響，且農作物生長狀況受到多種自然條件的因素的制約，如雨量、溫度、濕度和光照等。這些原因造成精準農業的實施過程中面臨著數據采集量大、處理困難等問題，而使用有線網絡的成本較高，且不便耕作，使得精準農業的應用受到了很大制約[3-4]。

無線傳感器網絡具有成本低、監測精度高、實時性強和容量大等優點，非常適合精準農業的數據采集和分析。在MAC層和網絡層的設計中，應優先滿足定期采集傳感器數據功能和實時性的要求，而對于實時性要求不高的數據，如土壤監測數據等，只要保證相關數據具有一定的可信度和完整性即可。

無線傳感器網絡的架構需要大量的節點組成，每個節點都是一個能耗點[5]，因此如何降低能耗是節約成本的一個重要因素。通過解決信息傳輸過程中的碰撞重傳、串音等問題，采用減少空閑偵聽以及控制開銷等方法可有效降低能量消耗。提出通過調整接收靈敏度和發射傳輸功率等級，評估喚醒階段權衡所消耗的能量，通過路由策略進一步平衡所有節點的能量消耗可以達到較好的效果。

1 節能喚醒策略

節能效率的提高是通過減少物理層MAC喚醒同步信號接收器的能耗，利用路由調度使每一輪節間通信周期降到最低，保持負載均衡來實現的。一個數據周期是指現場所有節點將監測數據轉發到指定基站接收器所耗費的時間。在傳感器網絡中，節點通過各種方式被大量部署在被感知對象內部或者附近。節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中特定的信息，可以實現對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。傳感節點之間也可以相互通信，組織成網并通過多跳的方式連接至Sink節點，Sink節點收到數據后，通過網關（Gateway）完成和公用網絡的連接。整個網絡系統通過任務管理器來進行管理和控制。

盡管相鄰節點通過協同方法保證其具有統一的休眠時間表，但是節點時鐘漂移仍可能造成同步錯誤。硬件時間由時鐘變化率的積分得到，節點的時鐘可以視作一個連續的系統。無線傳感器網絡中，若有n個節點，則它們的時鐘可表示為式（1）：

上式中，Hi（t）為 t時刻節點的硬件時間，hi（t）為時刻節點i的硬件時鐘變化率，Hi（t0）為在t0初始時刻節點的硬件時間，wi（t）為時鐘系統受到的其它干擾。無線傳感器網絡節點的時鐘是由晶體震蕩脈沖來得到的。

圖1 傳統模式和多功率節能模式下節點喚醒方式比較Fig.1 The wake way compare traditional mode with multi-mode power saving mode node

圖1為節點在傳統模式和多功率節能模式下喚醒方式比較，圖1（a）為傳統模式，圖1（b）為多功率節能模式。圖1（b）中，為了減少在喚醒同步階段所消耗的能量，將來自相鄰節點的等待喚醒信號的發射狀態功率調節在高位，而喚醒信號接收狀態保持在低位的靈敏度功率等級上。將節點發送信號喚醒模式作為ping信號，將低靈敏度接受模式作為睡眠（drowsy）狀態，將這種收發多功率節能模式稱之為PD（pingdrowsy）模式。

當兩節點間發生最大相對時鐘漂移時，喚醒信號空閑偵聽接收時間為4Δ，其中，Δ為自上次同步期間以來的最大的時鐘漂移，設置Δ是為了確保其可以從下游鄰近節點捕捉到同步喚醒信號。為了不錯過ping，喚醒信號接收器必須設置足夠的提前Δ單位時間；而相對于睡眠周期較長的情況下，若Δ值設置過大，則接收器耗能明顯增加。隨后的喚醒信號接收器可能會比預定喚醒時間提前3Δ單位時間，而發送方可能會比預定喚醒時間遲醒來Δ單位時間。因此，接收器在ping來之前需要保持至多4Δ單位時間的睡眠狀態。為了保證Δ不會無限增長，在應用中需要對節點時鐘進行定期同步。

同步喚醒期間，傳統模式與P-D模式的功率消耗差ΔP可表示為式（2）：

上式中，Pt和Pr分別表示傳統模式下發送和接收階段的功耗，Pp和Pd分別表示PD模式下發送和接收階段的功耗，表示ping脈沖的持續時間。

2 PD-MAC層與網絡層設計

2.1 PD-MAC層設計

按照實現機制，MAC 協議可以分基于競爭的MAC協議和基于調度的MAC協議為兩大類[6-7]。無線傳感器網絡是通過計算和傳感設備的協作進行特定的應用，和其他共享媒體網絡類似，無線傳感器的MAC協議對保證網絡的正常十分重要。

在每輪路由開始設置時，將日程和初始時鐘復位信息傳輸到現場所有節點。節點廣播收到信息后進入睡眠狀態，同時設定計時器以便在新的預定時間再次進行通信。由于時鐘漂移，其中一個節點通信時需要空閑偵聽4△單位時間。數據接收器負責發ping信號給所有發射器，為了防止數據丟失將最多進行兩次重傳。將具有PD（ping-drowsy）特征的MAC協議稱為PD-MAC。圖2為PD-MAC時序圖，是一個接收器與兩個上游發射器情況下的對于MAC協議事件時間幀表，若兩個發射器第一次均傳輸失敗，則第二次重新發送數據。

圖2 PD-MAC時序圖Fig.2 PD-MAC timing diagram

2.2 網絡層設計

網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務使傳輸層不需要了解網絡中的數據傳輸和交換技術。通過負載平衡和避免各節點多次傳輸的方法實現節能目的。只有當一個節點已經從它的上游節點接收到所有數據后才向下游節點轉發，這樣就可以避免多次發送。在每一輪中，節點的數據轉發到sink節點，可以進一步實現平衡能耗的穩定傳輸和提高節點網絡故障的容錯性。通過適當的調度可以避免現場傳感器之間的互相干擾。節點將數據傳送到距sink節點更近的節點，若這樣的接受節點存在多個，則選擇剩余能量最大的一個節點，重復上述步驟，直至數據傳遞到目的節點。這樣可以平衡整個傳感器區域的能量消耗。

此外，節點轉發的數據傳輸順序是根據路線確定的。路由確定節點轉發數據順序，必須對各節點運行進行調度，以確定各個事件的精確時刻，如節點進入休眠的時刻、喚醒的時刻等。形成對應的時間表，以確保數據收集發生時用盡可能少的ping。為此，所有的發送器到接收器被分組，并通過接收器的ping喚醒。若出現信號傳輸失敗，在當前的調度算法下允許再次重傳，在滿足數據傳送率要求的前提下可以進行調整。對路由和信息調度先進行計算，然后被分配到現場節點。

3 仿真結果及分析

在TOSSIM（TinyOS simultor）平臺上進行仿真，選擇SMAC與PD-MAC進行性能比較，SMAC協議是一種典型的基于競爭的無線傳感器網絡MAC協議，該協議在IEEE802.11的基礎上引入了低占空比的周期性偵聽和休眠機制，大大地降低了能耗。通過合理調度安排確保無競爭，模擬發送器和接收器的行為。表1為仿真測試主要參數表。

表1 仿真測試主要參數Tab.1 Main sim ulation test parameters

將測量區域劃分成方形，規格為100×100單位長度。為了節省能源，只有相鄰節點能夠直接彼此進行通信。基站位于拐角處，每個位置都有一個傳輸范圍，可以覆蓋所有節點。不同的基站輪流采集數據，從而使能量消耗是平衡的[8-9]。該策略具有一定的容錯和應變能力，而無需添額外設備。該網絡是點對點和基礎設施網絡結構的混合，由于能量消耗與節點的數量是線性關系，因此網絡模型是可擴展的。

圖3 不同模式下100個節點的能耗比較Fig.3 Comparison of energy consumptionof 100 nodesin differentmodes

圖3為區域中100個節點在傳統模式、PD模式下的能量消耗情況比較。對于多PD模式的情況下，節點能耗較低，靠近匯聚節點的節點比其它節點具有更大的便利。可以看出，PD模式的負荷能耗平衡最好，當負載均衡應用在路由層，調度層就能有效實現。

圖4為不同模式10輪數能耗均衡比較，顯示了輪數從1到10時最大能量耗盡節點和最小能量耗盡節點的傳統模式與PD模式能耗量差比較，可以看出多發射功率和多靈敏度接收的PD模式具有更好的能量消耗平衡能力。

4 結 論

無線傳感器網絡技術是精準農業的發展方向，研究降低其能耗的方法對解決傳感器節點的體積過大和成本過高，擴大無線傳感器網絡在設施農業領域的應用具有重要的實用價值。設計了無線傳感器網絡PD-MAC層和網絡層，提出了PD節能喚醒策略用于減少節點本地時鐘產生較大漂移時的喚醒同步階段的能耗。在TOSSIM中進行了傳統模式與PD模式的仿真對照，結果表明所提出的策略具有能耗分布好、節點能耗低和能耗均衡優的特點，達到了較好的節能效果。

圖4 不同模式10輪數能耗均衡比較Fig.4 Energy balance compares of different modes in 10 rounds

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