綠色農業物聯網仿真平臺設計及其能耗分析

朱婭，徐陽，周小林，鄭立榮

綠色農業物聯網仿真平臺設計及其能耗分析

朱婭，徐陽，周小林，鄭立榮

探討綠色農業物聯網的設計問題。鑒于大規模農業物聯網具有涉及區域廣，傳感器數量多和能源供應困難等問題，低能耗物聯網的設計便提上的議事日程，綠色物聯網設計就要求降低能耗。對綠色物聯網設計提出一種新的拓樸結構，網絡具有傳感器層和廣域網接入層兩層結構，融合了GPRS和WLAN網絡協議，能夠實現農業場景的大范圍網絡覆蓋，并利用主從式傳感器實現到基站的數據傳輸。利用OMNeT++軟件，建立一個仿真平臺來實現這種設計，并利用該仿真平臺進行了網絡通信能耗的分析，結果證明了與單層網絡相比，兩層結構降低了能耗。這個設計為為構建實用綠色農業物聯網奠定了一定基礎。

農業物聯網；綠色通信；分層網絡；通信能耗；OMNeT++軟件

章編號：1007-757X(2016)09-0067-04

0 引言

在“互聯網+”經濟發展模式的號召下，農業物聯網得到了廣泛的重視。農業物聯網具有設計區域廣，傳感器多，而能源供應相對不足的現象，因此降低網絡中的通信能耗成為農業物聯網研究的熱點之一。

近年來，綠色通信的概念已經逐漸成為學術界的研究熱點之一。綠色通信是指高效率、低功耗、可回收的通信方式，其具體含義即是在通信網絡的全生命周期內，遵循減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環（Recycle）的3個原則[1]。隨著現代信息化通信在各類行業產業和應用領域的逐步深入，綠色通信概念收到越來越多學者的重視。

綠色通信在農業物聯網應用上有著特別重要意義。物聯網(Internet of Things)能夠將任何物品接入到互聯網中，進行信息交換。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是物聯網的基礎。對于無線傳感器網絡來說，能源供應是急需解決的首要問題之一。不同于普通物聯網場景，農業物聯網場景需要在戶外或較惡劣環境下使用大量傳感器設備來感知周邊環境的信息。這些傳感器設備部署完成以后，就長期處于消耗能源的工作狀態，由于電網不可能實現大面積農場的覆蓋，因此能源多靠電池（含太陽能）實現，設備的維護和更替都很難進行。因此，為了盡可能延長整個物聯網網絡的生存周期，并減少通信過程中的能源消耗和碳排放，是一個人們的話題，全球研究者針對節約能耗問題進行了諸多研究。

我國現已成為全世界能源消耗第一大國，溫室氣體的大量排放，能源危機和氣候變暖都使得中國面臨節能減排的壓力。在電子和通信領域，無論是生產制造還是通信運營過程中，對能源的需求都非常大。針對大規模綠色農業物聯網地理范圍廣，傳感器數量多，要求能量消耗低的特點的要求，本文提出一種分層式網絡結構，并使用OMNeT++仿真軟件搭建物聯網仿真平臺。通過網絡性能的仿真測試，結合能耗模型分析和研究網絡在通信過程中的能源消耗情況，從而幫助實現綠色物聯網的提前部署和規劃，并驗證分層網絡在節能方面的效果。

1 能耗建模

在傳感器節點中，傳感器模塊、數據處理模塊和無線通信模塊都會消耗能量，其中，絕大多數的能量都消耗在無線通信過程中[2,3]。為了對農業物聯網平臺中的通信能耗進行估計，本節考慮合適的能耗模型。

現有的研究中，按照用途將能耗模型分為3種：分析模型、仿真模型、應用模型[4]。其中分析模型是根據物理機理的，但是參數是根據參數的測量的，準確性不高，但能夠幫助理解能耗問題。仿真模型是基于仿真結果的，其中有兩個困難，首先是仿真模型與實際模型的匹配度，其次是需要大量的數據，但是一旦仿真模型比較準確的話，在應用實踐上的意義比較大。應用模型是根據一個具體對象建立的。這種模型針對性強，常利用軟件方法、硬件方法和混合方法建立模型，本文下面對能耗建立的模型就是應用型模型。本文借助OMNeT++仿真程序搭建了應用于農業物聯網場景的主從式異構物聯網模型，因而將主要使用軟件方法對能耗進行估算，實現對網絡能耗的定性分析。

無線傳感器網絡中的設備主要有4種工作狀態，分別為接收、發送、空閑和睡眠，每種狀態下的單位時間能耗都不同的。在網絡設備的物理層中，記射頻模塊發送數據的平均功率為Psnd，平均接收功率為Prcv，空閑功率為Pidl，睡眠功率為Pslp。這些參數在實際場景中可以根據廠家提供的設備物理特征參數來獲得。

在每個過程中，單個bit用時分別為tsnd、trcv、tidl、tslp表示其在通信過程中的發送時間、接收時間、空閑時間和睡眠時間。總發送bit數為N，N可以從程序中直接獲取到。那么，對于射頻模塊的發送能耗Esnd，接收能耗Ercv，空閑能耗Eidl和睡眠能耗Eslp，則有如下關系如式（1）：

傳感器的總通信能耗，可以認為是這四種狀態的能耗相加，通信總能耗Ecmc可以表達為式（2）：

對于設備節點的計算能耗，文獻中將其分為了設備初始化能耗Eini、設備串口讀寫操作的能耗Erw和發送接收的通信計算能耗Ecom。一般來說設備在經過初始化過程后，在很長一段時間都續航運行，而不會頻繁重啟，因此3種能耗中，初始化能耗遠小于讀寫能耗和收發能耗。所以一般可以將初始化能耗忽略處理，設備總計算能耗Ecpt為這幾種能耗之和，表達為式（3）：

本文中對于通信總能量Ecom的計算方法不同于文獻中Ecmc的計算方法，而兩者在概念上是一致的。文中所優化的能耗是通信總能量 Ecom，未對設備串口讀寫操作能耗Erw進行優化。

這里需要引入“原子計算”的概念[5]，它是由一組計算組成的過程，其計算過程具有完整性和獨立性，即要么全部執行，要么全部不執行。原子計算是伴隨著幀進行的，無論是幀發送前、接收后、寫入前、讀取后，都會進行一次原子計算。因此一般來說一個完整通信過程，包含一次串口讀寫和一次發送接收，其過程中共有4次原子計算。假設原子計算的平均功率為Patm，一次計算所需的平均用時是Tatm，則有式（4）：

其中，Mread和Mwrt表示過程中設備串口讀出和寫入的幀數，Msnd和Mrcv表示設備發送和接收的幀數。由于計算能耗隨幀進行，因此這里的幀數M和上文中的bit數N不同，需要區別定義。

綜上，設備總計算能耗為式（5）：

在實際農業應用場景中，傳感器節點在網絡中還會進行周期性地采集環境數據，因此其采樣能耗也是系統能耗中的一部分。但由于本文搭建的仿真平臺在程序上通過傳感器節點周期性生成數據，來模擬傳感器的采樣，因此本文中估計能耗時將忽略傳感器的采樣能耗。

2 系統架構和模塊實現

一般意義上的物聯網的拓樸為7層，呈串接狀態，分別為應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，其中，應用層負責與其他計算機進行通信；表示層用于定義數據格式并對其進行加密；會話層定義了會話建立和結束的過程，同時也包括對于多個雙向消息的控制；傳輸層負責選擇是否使用差錯恢復協議；網絡層定義了端到端數據包的傳輸；數據鏈路層定義了單個鏈路上傳輸數據的方法；而物理層則是規范了傳輸介質的標準。

鑒于農業物聯網覆蓋面積廣袤，本文采用[6]提出的一種雙層網絡結構，如圖1所示：

圖1 主從式異構物聯網架構模型

網絡具有二維結構。根據設備的作用，縱向將網絡分成傳感器網絡層和廣域網接入層。傳感器網絡的作用是實現物聯網的基礎應用，廣域網接入層則是提供了數據從節點發送到服務器的通道。我們稱這種結構為主從結構。下層的傳感器網絡相互可以通訊，然后集中數據信息才傳送到上層——廣域網接入層，這一層又根據功能分為傳輸層和綜合應用層，綜合應用層對數據信息進行分析，給出決策。這種分層能夠有效的將大量的傳感器節點按照地理位置分割成不同的子網。

另一個維度是對根據應用場景的實際需求，對7層網絡協議進行了簡化，將網絡協議整合為4層，橫向分別是應用層、協議轉換層、鏈路層和物理層。其中鏈路層還包括了邏輯鏈路控制子層和媒體接入控制子層。而在程序實現中，鏈路層和物理層合并到一個模塊中，作為兩個子模塊來定義。圖1顯示了本文中2層物聯網結構和4層網絡體系結構的關系。

根據這個網絡結構，作者開發了一個仿真平臺。在這個仿真平臺中，2層物聯網結構中的傳感器層對應傳感器，廣域網接入層對應主節點和基站服務器，如圖2所示：

圖2 傳感器節點、主節點、基站程序框圖

物聯網網絡結構的底層是傳感器，程序框圖如圖2（a）所示。傳感器應用層用于周期性產生數據，模擬傳感器采集數據的過程。協議轉換層將數據轉換為能夠傳輸的格式，并通過WLAN模塊傳輸到主節點。

主節點在雙層網絡中起到關鍵作用，它既在傳感器網絡接收來自眾多傳感器節點的數據，又作為網關將數據接入到廣域網服務器中。程序實現中，本文還加入了消息分揀器模塊，以實現使用不同的網絡協議來進行數據轉發。主節點的程序框圖如圖2（b）所示。

對于使用不同網絡協議的基站也進行了分別定義，如圖2（c）所示。程序中的每個設備都包含移動管理模塊和通知板模塊。其中移動管理模塊的作用是更新各個設備節點的坐標位置信息，并作為一個獨立設備的標識。通知板模塊的作用相當于一個事件提示器，當網絡發生某些特定事件時，該模塊將激活與其相關的模塊。

本文在程序中使用信道管理模塊來實現上述模塊的通信。信道管理模塊計算出網絡中有效的發送和接收節點，所有設備發出的消息都交給該模塊進行統一處理，其單獨占用的鏈路由一個連接來表示，以此實現數據消息在無線信道中的傳播。

3 仿真分析

用 OMNeT++ 搭建農業物聯網仿真平臺，根據應用場景設定參數進行仿真，分析網絡能耗情況。同時，通過比較本文提出的分層網絡結構和單層傳感器網絡的能量消耗情況來驗證雙層網絡結構的節能意義。

應用場景設定為長300米，寬100米的農業大田環境，在場景中，基站位置是已經給定的，而主節點、傳感器節點位置隨機分布在場地中，以模擬實際農業場景中的分布情況。場景參數配置如表1所示：

表1 場景參數配置

當場景中有不同數量的傳感器節點時，單幀報文在通信過程中所消耗的能量。這里共使用了4條數據信道，每個傳感器產生報文長度為2k的數據來模擬采集到的信息。圖3中“△”符號標注的為包含不同數量傳感器節點的單層物聯網的能耗曲線，而“o”標注的則為本文所用的雙層網絡結構。

當同一個場景中，傳感器數量不斷增加時，兩種網絡單幀信息通信時的能量消耗都在不斷增加。對比兩條曲線可以看到，雙層網絡在能源消耗方面優于單層網絡，平均每幀數據都能夠節省約10%的能量。

圖3 單幀報文能耗與節點數量關系

分層網絡和單層網絡中，單幀報文能量消耗和報文長度的關系如圖4所示：

圖4 單幀報文能耗與報文長度關系

3條實線代表不同信道數量的單層傳感器網絡的能耗曲線；3條虛線則代表本文搭建的分層網絡的能耗曲線。圖中，網絡中能夠使用的信道數量越多，其平均消耗的能耗就相對較低，這是因為通信能耗與傳輸時間有很大關系。

單bit數據的能耗曲線，如圖5所示：

圖5 單bit數據能耗與報文長度關系

由于網絡中一些固定的能耗，當報文長度在較短范圍內增加時，每bit分攤的能耗較小。當報文長度大于16k時，其單bit的通信能耗增加。同時在分層網絡中，當信道數量比較多時，即使后期報文長度增加，其單bit傳輸的能耗也趨于平穩。

在信道數量相同的情況下，從圖5中可以看到，分層網絡的能量消耗明顯小于單層傳感器網絡，說明這樣的網絡結構對于節能減排有著一定的作用和意義。

同時，在搭建大規模農業物聯網的部署階段，參考仿真平臺得到的能耗變化與場景中節點數量和報文長度的關系曲線，還能夠提前根據場景需求進行網絡節點的規劃，以減少網絡中的設備和能量的浪費。

4 總結

針對綠色農業物聯網場景的特別和需求，本文借助OMNeT++網絡仿真程序，提出并搭建了一種基于主從式傳感器網絡的農業物聯網拓撲，融入分層網絡設計技術，并建立了仿真平臺。結合現有的能耗建模方法和農業場景的實際情況，本文對物聯網仿真平臺的仿真結果進行研究，重點對網絡的通信能耗進行計算和分析。分析結果顯示，本文所提出的農業物聯網仿真平臺不僅幫助了農業物聯網在綠色通信層面的提前規劃部署，而且與作為對照組所搭建的相同傳感器數量和相同網絡條件的單層網絡做比較，驗證了分層網絡結構在通信過程中能耗較低的特點，解決了搭建以節能減排為核心的綠色農業物聯網時的設計問題。

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[3] Yang Tingting, Zheng Zhongming, Liang Hao, et al. Green Energy and Content-Aware Data Transmissions in Maritime Wireless Communication Networks[J]. Intelligent Transportation Systems IEEE Transactions on, 2015, 16(2): 751-762.

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[6] 徐陽, 張永剛, 周小林, 等. 基于OMNet++的主從式異構物聯網仿真平臺的研究[J]. 微型電腦應用, 2014, 10: 4-7.

圖8 系統實施

3 總結

本文設計了一種用于電力變電站直流系統或通信基站直流系統的在線管理系統。系統的核心為安裝在直流系統的蓄電池組在線健康管理裝置，配合后臺管理平臺及移動互聯網應用，可實現直流系統的健康狀態評估，完成蓄電池的遠程在線式充放電。由于采用在線工作方式，可有效避免離線充放電由于接線、人員監管、放電負載等原因造成的設備損壞和意外事故，并可大大降低直流系統維護的工作量和人員成本，提高資產使用壽命。系統在變電站內的安裝應用，進一步驗證了本文對系統設備及管理平臺的研究結果。

參考文獻

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（收稿日期：2016.04.26）

Design of Simulation Platform for Green Agricultural IoT and Its Energy Analysis

Zhu Ya, Xu Yang, Zhou Xiaolin, Zheng Lirong
(School of Information, Fudan University, Shanghai 200433, China)

This paper deals with the problem of design of green agricultural Internet of Things IoT. The large-scale agricultural IoT holds the features of wide area, a great amount of sensors and lack of power support. The key point of green agricultural IoT is to reduce the power consumption. This paper presents a new topological structure for the green agricultural IoT which has two layers, of sensor layer and LAN access layer, combines GPRS and WLAN network protocols to realize a wide coverage, and applies master-slave structure to transmit data from sensor to base station. Based on OMNeT++ a simulation platform is built to illustrate the validation of the design. By analysis of simulation result, the two-layer network decreases the power consumption, and provides a foundation for the establish of real green agricultural IoT.

Agricultural Internet of Things; Green Communication; Hierarchy Network; Master-slave Sensor Network; Communication Energy Consumption; OMNeT++

TN 92

A

2016.06.13）

國家科技支撐計劃項目（2015BAD17B00）； 國家自然科學基金項目（61571135）

朱 婭（1991-），女，復旦大學，碩士研究生，研究方向：物聯網，無線通信等，上海 200433徐 陽（1990-），女，復旦大學，碩士研究生，研究方向：物聯網，無線定位等，上海 200433周小林（1973-），男，復旦大學，副教授，博士，研究方向：物聯網，FSO，迭代接收機等，上海 200433鄭立榮（1969-），男，復旦大學，教授，博士，研究方向：電子系統設計，上海 200433