摘  要： 針對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)控的需要，以無線射頻芯片CC2430為核心設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。詳細介紹了該監(jiān)控系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計思路，采用ML-MAC數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提出基于簇頭負載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法（CLBCES），進一步降低了功耗和成本，非常適合在規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控；簇頭負載均衡

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，近年來憑借著低成本、低功耗、低復雜度的優(yōu)勢得到了迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等各個領(lǐng)域。本文結(jié)合規(guī)?；r(nóng)業(yè)的發(fā)展和科技興農(nóng)的戰(zhàn)略國策，在前人的基礎(chǔ)上改進并設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并將其成功運用到生產(chǎn)實踐中。
    本文以低成本、低功耗的無線射頻芯片CC2430[1]為核心，搭載低功耗、高精度的SHT21[2]溫濕度傳感器和TSL2561[3]光強傳感器，設(shè)計了基于WSN的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低負載、低沖突的ML-MAC[4]數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提出基于簇頭負載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法（CLBCES），進一步降低了系統(tǒng)能耗，大大延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及拓撲
    鑒于農(nóng)業(yè)環(huán)境的特殊性，采用WSN中基于簇的分層網(wǎng)絡(luò)模型來保證整套系統(tǒng)具有良好的可擴展性、魯棒性和易管理維護性，如圖1所示。基于簇的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心，每個簇成員都把數(shù)據(jù)傳給簇頭，在簇頭里完成數(shù)據(jù)處理和融合，然后由其他簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)或直接傳給用戶節(jié)點。拓撲結(jié)構(gòu)大致分為以下3層：（1）傳感器節(jié)點層，主要功能是采集數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)傳輸給路由節(jié)點（即簇頭），主要由處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。（2）路由節(jié)層點具備較強的通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，與傳感器節(jié)點交互信息通過多跳路由完成數(shù)據(jù)從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的傳送。（3）匯聚節(jié)點通過串口與計算機相連組成管理節(jié)點層。管理人員通過計算機監(jiān)控、維護整個網(wǎng)絡(luò)，并對測得數(shù)據(jù)進行分析和處理，為人工干預(yù)提供科學依據(jù)，遠程用戶還可以通過Internet/GPRS與管理節(jié)點進行交互，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享；通過GPRS網(wǎng)絡(luò)自動將報警信息發(fā)送到管理員手機上面，不會漏過任一條報警信息，隨時隨地監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)，若出現(xiàn)異常，能第一時間予以解決。

2 硬件組成
    本系統(tǒng)通過處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊和電源模塊的協(xié)作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和無線收發(fā)等功能。
      傳感器節(jié)點分布在各待測區(qū)域，考慮到性能、功耗、體積和成本等因素，選用高性能、低功耗、高靈敏度、強抗干擾性的CC2430芯片作為處理器模塊和無線通信模塊，采用最新研發(fā)的SHT21高精度溫濕傳感器，并結(jié)合使用第二代光強數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561、負載低功耗LCD顯示屏，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、無線收發(fā)和即時顯示等功能。使用2節(jié)普通AA干電池作為電源模塊，經(jīng)實驗，連續(xù)工作7天時，每個節(jié)點每天平均功耗為1.2 mW，可使用20～24個月。此外，系統(tǒng)還包含PDA無線報警模塊，可以和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點進行交互，時時刻刻監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)，提供直觀的現(xiàn)場操作能力。
3 軟件系統(tǒng)組成及實現(xiàn)
      WSN的協(xié)議框架包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。而高效率能源一直是WSN設(shè)計考慮的最重要因素，要達到節(jié)能，就要使傳感器節(jié)點最大限度地處于低能量狀態(tài)，所以使用的通信協(xié)議是決定能耗的關(guān)鍵。
3.1 物理層
    物理層負責載波頻率的產(chǎn)生，信號的調(diào)制解調(diào)等，CC2430提供了對IEEE 802.15.4物理層協(xié)議的支持，節(jié)點主要通過對CC2430的寄存器配置來實現(xiàn)物理層的協(xié)議功能。
3.2 數(shù)據(jù)鏈路層
    數(shù)據(jù)鏈路層負責媒體接入和差錯控制，可以在通信網(wǎng)絡(luò)中確保節(jié)點之間的連接并保證源節(jié)點發(fā)出的信息可完整、無誤地到達目標節(jié)點。
    WSN中主要有沖突、傳輸、控制消息和空閑偵聽四種能源消耗，其中空閑偵聽占所有能耗的30%以上。本文采用低負載和低沖突的多層MAC協(xié)議(Multi-Layer MAC，ML-MAC)。通過減少空閑偵聽時間和沖突次數(shù)來減少節(jié)點的能耗。ML-MAC特有的機制也能將兩個或多個節(jié)點試圖在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)量的值最小化，減少沖突，這樣需要重發(fā)損壞數(shù)據(jù)包的能量便可以節(jié)省下來，這較S-MAC和T-MAC能耗大大降低。ML-MAC是基于分布競爭上的MAC層協(xié)議，節(jié)點通過無線電信號電平尋找下一跳，從而避免了T-MAC的早睡問題。同時ML-MAC又是一個自我組建的MAC層協(xié)議，它不需要一個中心節(jié)點來控制所有節(jié)點的運作，進一步降低了能耗。仿真結(jié)果表明，ML-MAC與現(xiàn)有的MAC協(xié)議相比能耗有了大幅度的降低。
3.3 網(wǎng)絡(luò)層
    網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議負責路由發(fā)現(xiàn)與維護，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)節(jié)點無法與匯聚節(jié)點直接進行通信，因此需要利用中間節(jié)點進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以完成數(shù)據(jù)傳送，可以說路由算法的選擇是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。
    基于分簇的層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型雖然可對資源進行平衡分配，具有拓撲管理方便、能量利用高效、數(shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點，但由于簇頭到匯聚節(jié)點的距離一般較遠，在簇頭與匯聚節(jié)點之間采用多跳通信方式，按照從簇頭到匯聚點的路徑多跳轉(zhuǎn)發(fā)，導致了能量消耗不均衡，靠近匯聚點的簇頭由于需要轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭的數(shù)據(jù)造成負載過重、能量過早耗盡、降低整個網(wǎng)絡(luò)生存時間。
    為此本文提出基于簇頭負載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法（CLBCES），該算法結(jié)合了CHLBC[5]路由算法和CSER[6]路由算法并加以改進，在實現(xiàn)簇頭負載均衡的同時降低了存儲開銷和控制消息開銷。
    CLBCES路由算法主要思想：根據(jù)傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點距離的遠近，選舉產(chǎn)生非均勻分布的簇頭，構(gòu)建由簇頭組成的骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，生成從匯聚節(jié)點到簇頭的跳數(shù)場和以匯聚節(jié)點為根節(jié)點的簇間轉(zhuǎn)發(fā)路徑。從簇頭低負載的需求出發(fā)，傳感器節(jié)點在選擇簇頭時，綜合考慮距離簇頭的遠近和簇頭的中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)量的大小，調(diào)整簇網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，使簇頭負載均衡。同時通過增設(shè)閾值保證節(jié)點剩余能量均衡，即節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，搜索所有能夠到達匯聚節(jié)點的路徑，若路徑上節(jié)點的剩余能量都很充足，則按照MTPR算法選擇能耗之和最小的路徑；若路徑上節(jié)點的剩余能量都較少時，就按照MMBCR算法選擇路徑；當某節(jié)點的剩余能量小于該閾值時，則在選擇路由時應(yīng)盡量避開該節(jié)點，以此來延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
    CLBCES路由算法既考慮了總的傳輸能量又考慮到了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的剩余能量。仿真結(jié)果表明，該路由算法有效地解決了多跳通信方式下簇頭能耗不均衡的問題，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，非常適合應(yīng)用于中小型WSN。
3.4 應(yīng)用層
    基于網(wǎng)絡(luò)組建的目的，在應(yīng)用層上除了實現(xiàn)對硬件和其他組件的初始化、啟動、停止以及系統(tǒng)能量管理的功能外，還需要開發(fā)和使用相應(yīng)的軟件系統(tǒng)完成人機交互。
    隨著規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)進一步發(fā)展，采用WSN技術(shù)建設(shè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)，用一套網(wǎng)絡(luò)完成溫、濕、光等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，可有效提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度，簡化系統(tǒng)復雜度，降低設(shè)備成本，使農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和管理更加科學，控制更加簡單，從而達到提高經(jīng)濟作物產(chǎn)量、改良品種、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的最終目的。該系統(tǒng)還可為珍貴植物的生長條件進行檢測，根據(jù)分析結(jié)果農(nóng)業(yè)人員就可以在人造環(huán)境下進行逼真的模擬，為高經(jīng)濟價值作物的生長條件分析與人工干預(yù)等提供科學依據(jù)。本文下一步的研究工作是根據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)并參考最佳作物生長指標對農(nóng)業(yè)環(huán)境進行自動調(diào)節(jié)，真正做到無人值守、自動管理。
參考文獻
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