農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議分析

2021-09-10 04:59:46李英華馬愛霞

無線互聯科技 2021年7期

李英華馬愛霞

摘要：為部署農田土壤和大氣層中的傳感器節點，文章提出農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議分析。搭建農田監測可視化平臺，提取無線傳感器網絡相關技術特征，構建無分層通信協議，完成農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議的設計。實驗結果表明，設計的通信協議比傳統通信協議的能量消耗均少于2.077%～10.061%不等，證明設計的通信協議能量消耗較小，能有效延長無線傳感器網絡生存周期。

關鍵詞：農田監測;無線傳感器;通信協議;無分層

0 引言

自20世紀90年代末，美國等一些發達國家就開始對無線傳感器網絡進行相關研究，并結合軍用監視設備，率先應用到了軍事領域。1993年開始，美國加州大學開展了無線綜合網絡傳感器研究，使人們意識到無線傳感器可以應用在更多領域。我國的相關研究起步較晚，但在一些科研機構的不懈努力下，在無線傳感器的定位技術、通信協議和網絡管理方面已經取得了較大進步[1]。在無線通信技術和現代電子技術不斷成熟的背景下，無線傳感器的應用范圍也在不斷擴大，尤其是我國農業發展正處在轉型的關鍵時期，在農田監測工作中融入無線傳感器網絡相關技術，能有效獲取農田環境信息，主要包括環境溫度、濕度和光照情況等因素。根據相關研究資料顯示，對農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議的能量消耗研究得不夠全面，有待深入探討。

1 設計農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議

1.1 搭建農田監測可視化平臺

搭建農田監測可視化平臺，用于部署農田土壤和大氣層中的傳感器節點，把相應的數據和信息進行儲存和可視化處理，通過數據接收模塊和數據處理模塊，搭建農田監測可視化平臺，如圖1所示。

數據接收模塊主要是利用無線傳感器串口，采集農田環境信息，并將數據信息輸入數據庫，根據農作物的歷史生長周期和所需生長條件進行對比分析，提取最適合農作物生長的溫度、濕度、光照條件和病蟲害防治信息。在儲存數據信息的同時，對采樣環境信息當天的環境溫度、濕度和光照信息進行對比，得出農田監測數據的平均值的極值，為制定農作物的最佳生長環境方案奠定數據基礎。數據管理模塊主要是根據實際情況對監測數據的圖形或者圖表進行修改，以柱狀圖、曲線圖或者餅圖等形式進行數據展示，使數據信息更加直觀、生動。數據管理能夠在數據采集的基礎上提供更加詳細的信息，比如施肥配比、節水灌溉等方面[2]。農田監測可視化平臺還必須滿足快速響應用戶需求的條件，以優質的交互界面實現對農田環境信息的監測，完成農田監測可視化平臺搭建。

1.2 提取無線傳感器網絡特征

無線傳感器具有大量特定功能的節點，涉及感知、計算和存儲等方面的功能，可以對農田等研究對象進行實時監測和采集監控區域內的環境信息，并將收集到的信息傳送給用戶。與傳統網絡相比，無線傳感器網絡具有更加智能化的特點[3]。無線傳感器網絡通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點3個部分。由于農田的監測面積通常比較大，需要在監測區域內大量部署傳感器節點，導致傳感器節點的分布也相對比較密集。傳感器節點的作用主要是感知并實時監測農田環境的變化，并將捕獲的變化信息通過可視化平臺發送到匯聚節點。匯聚節點作為無線傳感器的核心部分，其作用是保證無線傳感器網絡與互聯網之間在協調狀態下實現信息獲取等目標，其結構通常是由能量較強的傳感器節點或者具備無線網關能力的路由器組成。對來自傳感器的節點進行數據綜合處理后，接收并執行管理節點的指令，有效保證無線傳感器的穩定運行。

農田監測無線傳感器網絡中的各個節點之間以可視化平臺為中心實現相互聯系，形成自發性的節點網絡[4]。整個無線傳感器網絡的運行都是以網絡節點的鄰近關系和對應關系為依托，經過數據處理和數據融合等步驟，傳送給通信能力較強的匯聚節點。任務管理節點是包含若干臺服務器的指令管理中心，無線傳感器網絡的相應配置與管理操作都必須經由任務管理節點進行處理分析，并且傳感器節點與匯聚節點都要實時執行任務管理節點的指令。

1.3 構建無分層通信協議

要想構建無分層通信協議，既需要考慮農田監測的實際需求和網絡應用環境，還要將能量消耗和可靠性等因素充分融入通信協議中。農田監測無線傳感器節點的供電來源通常是電池供電，在運行過程中，對于已經消耗掉的能量無法進行及時補給，因此，能量消耗是實現無分層通信協議的重要影響因素[5]。為了節省無線傳感器網絡運行過程中的能量消耗，必須及時獲取能量消耗情況，根據變化情況進行能量分配。同時，無分層協議還應該具有較強的自動校正功能和容錯性，避免錯誤出現后導致整個無線傳感器網絡癱瘓，從而影響運行效率。能量消耗計算公式如下：

其中，EmoCV為能量消耗;k表示傳感器節點;Eelec表示電能;dtoCV表示節點到傳感器的距離，當k≥1時，符合無線傳感器網絡無分層通信協議能量消耗的要求范圍，完成無分層通信協議構建。

2 實驗

2.1 實驗準備

為了測試農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議的能量消耗情況，對無線傳感器網絡進行實驗，實驗參數設定如表1所示。

選取3種傳統通信協議與文中通信協議進行能量消耗對比，得出實驗結果。

2.2 實驗結果

實驗結果如表2所示。

實驗結果表明，相同的單位時間內，文中通信協議的能量消耗均少于傳統通信協議2.077%～10.061%不等，由于能量消耗越少，網絡運行周期越長，因此，文中通信協議更加適用于農田監測無線傳感器網絡。

3 結語

本文通過研究農田監測無線傳感器網絡無分層通信協議，設計出能量消耗更少的通信協議。在一定程度上推動了農田監測和無線傳感器領域的發展，為學術界開展相關研究奠定了理論基礎和實踐基礎。由于研究條件有限，文章對農田監測環境信息收集得還不夠全面，未來將不斷完善。

[參考文獻]

[1]閆文豪，韓宇星.基于農田監測的無線傳感器網絡節點定位研究[J].農機化研究，2021（6）：36-41.