基于改進ZigBee路由算法的溫室大棚在線監測系統

滕志軍　曲兆強　張力　呂金玲　薛永久　李冠男

摘要：為實現溫室大棚的智能化和實時監測的目的，結合ZigBee技術，設計了一種基于ZigBee技術的溫室大棚遠程監測方案。由于ZigBee樹型路由算法存在路徑選擇不優的問題，進一步提出一種適用于溫室大棚實時監測系統的ZigBee路由優化算法。該算法并不特定選擇下一跳節點，而是根據一跳范圍內鄰居節點到目的節點的剩余跳數這一優先權來限制剩余跳數較多的鄰居節點作為被選節點，從而降低節點轉發跳數，提高系統的實時性。多次仿真結果表明，改進算法在節點跳數、端到端的延時及可靠性方面均有一定程度的改善。

關鍵詞：農業信息化；ZigBee技術；機會路由算法；智能溫室大棚；實時監測；節點；仿真

中圖分類號： S126；S6255文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0247-05

收稿日期：2017-04-10

基金項目：國家自然科學基金（編號：51277023）。

作者簡介：滕志軍（1973—），男，吉林吉林人，博士，教授，研究方向為無線通信技術。E-mail：753731087@qqcom。

隨著人們生活水平及生活質量的日益提高，對生產的農作物尤其是蔬菜的種類品質提出了更高的要求，因此對溫室大棚遠程監測的方法應運而生1-3]。但是，溫室大棚里栽種的大都是反季節的農作物，只有對溫室的環境進行相對嚴格的監測，才能保證農作物的品種及產量，使農作物能夠更好地適應環境生長，因此對溫室環境的監測就顯得非常重要4-7]。對溫室環境進行監測的方法有很多，如現場實時人工監測、遠程無線監測和有線自動監測等8-10]。但上述方法要么存在抗干擾性不好、功耗很大等缺點；要么存在成本高、鋪設困難等缺點，越來越不能滿足人們的需求。ZigBee技術是一種新興的短距離無線傳感網絡通信技術，因其低功耗、短距離等優點應用于各個領域。但是ZigBee路由算法在數據傳輸時未考慮鄰居節點，數據傳輸的路徑不是最優的。目前，國內外專家學者主要是對LEACH算法進行優化，很少對ZigBee樹型路由算法進行優化。因此，本研究在基于ZigBee技術的溫室大棚遠程在線監測系統的基礎上，提出了一種改進的ZigBee路由優化算法，通過降低節點的轉發跳數來延長網絡的使用壽命、提高網絡的實時性。

1系統的總體設計方案

基于ZigBee技術的溫室大棚遠程在線監測系統主要由監測終端、4G無線通信模塊及上位機軟件3部分組成，系統總體結構如圖1所示。

監測終端是系統設計的關鍵技術，主要負責溫室大棚環境數據的采集，如溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照度等，該模塊主要由溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、ARM微處理器、供電模塊及相應的接口電路組成。采集節點將采集到的溫室大棚環境參數經過ZigBee路由器無線傳輸到ZigBee協調器上，經過串行通信UART連接到ARM處理器上，環境數據用ARM處理器處理，通過高速率的4G無線模塊遠程傳輸到遠程監測中心。其中，節點的能耗問題是必須考慮的關鍵技術，為了盡可能降低節點消耗的能量，本研究主要采取2種措施：一是采用太陽能光伏板、充放電控制器、蓄電池三者相結合對系統進行供電；二是優化ZigBee路由算法，降低節點轉發跳數，不但可降低網絡的能耗，還可以提高在線監測系統的實時性。

遠程監測中心的計算機、手機或平板等智能設備，對通信

傳輸過來的不同數據進行分析存儲、處理并判斷是否超過臨界值，如果超過臨界值就啟動繼電器并進行報警，操控控制設備去調整環境參數以達到控制生長環境的目的。遠程監測中心上位機軟件采用VBNET語言程序編寫。遠程監控中心對終端設備的控制是通過配備在ZigBee終端節點的繼電器來實現的，操控控制設備適當地調整環境參數以達到讓生長環境適合農作物生長的目的。

2系統關鍵技術設計及實現

21監測終端的硬件設計

監測終端主要由ARM處理器、采集節點模塊、串口模塊、供電模塊、繼電器、4G模塊及相應的外圍電路組成（圖2）。CC2430芯片與傳感器通過串口UART連接，其電路圖如圖3所示。

22系統的供電模塊設計

溫室大棚監測終端安裝于野外，為盡量減少線路復雜程度，采用太陽能光伏板、充放電控制器、蓄電池三者相結合對系統進行供電。太陽能光伏板完成能量轉換，將光能轉換成電能，并將其存儲于蓄電池中，通過充放電控制器來避免過充電和過放電現象發生。在系統設計過程中，各芯片所需工作電壓存在差異，須針對各個模塊設計電壓轉換電路，進而保證各芯片可靠工作。

23傳感器節點軟件設計

無線傳感器網絡節點的主要功能是溫室大棚環境數據的采集和傳輸。本系統不但優化了ZigBee路由算法，同時在程序設計時采用中斷喚醒的方式來接收環境數據，盡可能地降低ZigBee節點的功耗，延長節點的使用壽命。傳感器節點軟件設計流程如圖4所示。

WTHZ]3ZigBee路由算法及優化

31樹型路由算法原理及缺陷

ZigBee定義全功能型（full function device，簡稱FFD）與簡化功能型（reduced function device，簡稱RFD）2種類型設備，其中RFD通常作為終端設備，FFD可以為協調器、路由器及終端設備。網路中的節點采用分布式地址分配機制，通過網路建立初始時的關聯過程，加入網路的節點組成一個邏輯樹，當網絡中的節點允許1個新節點通過該節點加入網絡時，兩者之間就形成了父子關系，父節點為子節點分配網絡中唯一的16位網絡地址。假設父節點最多可連接的子節點數為Cm，子節點中允許的最大路由節點數為Rm，網絡的最大深度為Lm，當加入的一個新網絡節點為對應于父節點的第n個子節點時，父節點為該子節點分配的網絡地址為：endprint

An=JB（{]HL（2]Ap+Cskin（d）×Rm+n第n個RFDAp+1=Cskip（d）×（n-1）第n個FFDHL）]JB）]。JZ）]JY]（1）

式中：Cskip表示網絡深度為d的父節點為子節點分配的地址偏移量，即

Cskip（d）=JB（{]1+Cm（Lm-d-1）Rm=1SX（]1+Cm-Rm-CmRmLm-d-11-RmSX）]其他JB）]。JZ）]JY]（2）

在路由發送數據選擇下一跳的過程中，當一個地址為A、深度為d的路由節點收到目的節點地址為d的數據幀，A節點會通過式（3）判斷該目的節點是否為其后裔節點，即

A

如果滿足式（3），則說明目的節點是該節點的后裔節點，則將該數據幀轉發到地址為N的下一跳子節點。根據下一跳子節點類型的不同，地址分配為：

JP4]n=JB（{]D該節點就是中斷子節點A+1+intSX（]D-（A+1）Cskip（d）SX）]]×Cskip（d）DW]其他JB）]。JZ）]JY]（4）

如果不滿足式（3），則說明目的節點不是該節點的后裔節點，因而其將數據幀轉發給其父節點。

32ZigBee路由算法的改進

無線介質具有損耗特點，例如，當數據通信時所選路徑中存在1條鏈路因頻繁使用導致損耗過快時，有可能造成整個網絡端到端數據傳輸的失敗。針對此問題，本研究結合機會路由算法，提出基于機會路由能量優化的樹型路由（OEZTR）算法。該算法并不特定選擇下一跳節點，而是根據一跳范圍內鄰居節點到目的節點的剩余跳數這一優先權來限制剩余跳數較多的鄰居節點作為被選節點。另外，在路徑選擇時，有可能遇到多個節點到目的節點的剩余跳數相同的情況，通過設置延時間隔t{RH（u，d）-1]·δ≤t≤RH（u，d）]·δ]}來避免沖突，其中δ為數據可靠傳輸的最小時間間隔。OEZTR算法不但繼承了ZigBee樹型路由協議沒有任何路由開銷的優點，還為網絡提供了可靠的數據包傳輸。OEZTR算法數據通信路徑如圖5所示。

本研究提出了OEZTR算法的偽代碼，該算法設計的核心

FK（W13]TPTZJ5tif]

思想是利用IEEE802154協議標準的一跳范圍內的鄰居表和鄰居表中的鄰居節點到目的節點最小的剩余跳數，把剩余跳數作為選擇優先轉發節點的條件來限制被選節點的區域，或限制下一跳節點到目的節點傳遞的方向，盡可能減少無效數據包的傳輸，以延長網絡的生命周期。若A、B、C、D節點均是某中繼節點的一跳范圍內的鄰居節點，根據延時間隔t{RH（u，d）-1]·δ≤t≤RH（u，d）]·δ]}來確定節點的優先權，若C節點的延時間隔小，到目的節點的剩余跳數最少，該節點首先接收數據包，并轉發該數據包，其余節點取消數據傳遞。

假設s、u、d分別代表源節點的地址、中繼節點的地址、目的節點的地址，RH（u）代表中繼節點u到目的節點剩余的跳數，minRH（u，d）代表中繼節點的一跳范圍內的鄰居節點到目的節點的最小剩余跳數。其OEZTR算法的偽代碼選擇路徑的過程如圖6所示。

FK（W14]TPTZJ6tif]

圖6顯示，源節點s向目的節點D發送數據，首先，一跳范圍內鄰居表中的鄰居節點A、B、C、L節點接收源節點s廣播的數據包，按照ZigBee樹型結構計算上述4個節點到目的節點的最小剩余跳數，即RH（A，D）=4，RH（B，D）=4，RH（C，D）=3，RH（L，D）=3，tA∈3·δ，4·δ]，tB∈3·δ，4·δ]，tC∈2·δ，3·δ]，tD∈2·δ，3·δ]，根據剩余跳數可知，C和L節點具有優先權，而A和B節點取消數據包的傳遞，如果不把最小剩余跳數這一條件作為選擇轉發節點的優先權，C節點和L節點由于到目的節點的剩余跳數最少，因此最先接收到數據包，而B節點由于不知道C和L節點已經轉發數據包，當t超過預設值時，B節點再次重新廣播數據包，這樣會造成傳遞不必要的數據包；其次，C和L節點開始轉發數據包，G和H節點因到目的節點的最小剩余跳數少，獲得優先權；最后，通過G和H節點將數據包轉發給目的節點D。從OEZTR算法的過程中可以看出，上述數據的轉發由2條路徑同時進行，而EZTR算法只有1條路徑，而它們到目的節點的剩余跳數是相同的。因此，OEZTR算法在沒有增加任何路由開銷的情況下，采用多條路徑或者1條路徑有多個候選節點進行數據傳輸，這可避免只有1條路徑的特定節點而有可能遇到傳輸中斷的問題，大大增加了數據分組的遞交率。

33能耗模型

當傳輸距離為d，A節點發送l bit數據包到B節點的能量消耗見式（6）：

JP4]ETx（l，d）=ETx-elec（l）+ETx-amp（l，d）=JB（{]lEelec+lεfsd2KG3]d

式中：ETx-elec（l）為發送I bit數據包電路所消耗的能量，ETx-amp（l，d）為傳輸距離d，發送l bit數據包的功率放大器所需的能耗，Eelec為發送和接收1 bit數據包的能量消耗，do為傳輸距離的閾值。

節點接收l bit數據包的能量消耗見式（7）：

ERx（l）=ERx-elec（l）=lEelec。JZ）]JY]（7）

式中：ERx-elec（l）代表接收lbit數據包電路消耗的能量。

節點進行數據處理和融合的能量消耗見式（8）：

EDA（l）=lEDA。JZ）]JY]（8）

式中：EDA代表數據融合所消耗的能量。

34仿真結果與分析

為了驗證OEZTR算法的性能，本研究采用開源的NS2軟件進行模擬仿真，對經典的ZigBee路由算法（ZBR算法）和本研究優化的ZigBee路由算法（OEZTR算法）進行性能對比分析，試驗獨立運行80次，分別獲得路由算法的平均分組遞交率和平均跳數，10～100個節點隨機分布在100 m×100 m的區域內，Cm=4，Rm=4，Lm=6。

從圖7、圖8可以看出，OEZTR算法在平均跳數和節點端到端的時延方面優于ZigBee經典的路由算法，主要是本研究改進的路由算法并不特定選擇下一跳節點，而是根據一跳范圍內鄰居節點到目的節點的剩余跳數這一優先權來限制剩余跳數較多的鄰居節點作為被選節點，減少節點的轉發跳數，降低ZigBee網絡的總能耗，從而提高溫室大棚遠程在線監測系統的實時性。

4系統測試及分析

為了驗證本研究提出的ZigBee路由優化算法（OEZTR算法）的可行性，將改進的路由算法應用到溫室大棚在線監測系統中。ZigBee節點的組網方式為樹型網絡，遠程監測中心上位機軟件采用VBNET語言編寫而成，系統的測試界面如圖9所示。系統各個節點（終端節點、路由節點及協調器節點）均采用電池供電，通過設置對比測試試驗，即ZigBee節點采用經典路由算法與節點采用OEZTR算法，結果表明，節點的電池壽命在同等條件下可延長5 d左右。

5結束語

為了實現溫室大棚的信息化和智能化，本研究設計了一種基于ZigBee技術的溫室大棚遠程監測系統，利用短距離、低功耗的ZigBee技術，利用機會路由算法改進的ZigBee路由協議，實現對溫室大棚的各種環境參數（如溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等環境參數）進行實時監控和智能控制，使溫室大棚反季節農作物處于最佳的生長環境，有利于反季節農作物的優質高產。下一階段的工作是盡可能地優化ZigBee路由協議，以更好地滿足溫室大棚遠程監測系統對實時性要求高的特點。

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