《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于WSN的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第6期
孫 濤,林 亮,祁蕾茜
(桂林理工大學(xué) 理學(xué)院,廣西 桂林541004)
摘要: 針對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要,以無線射頻芯片CC2430為核心設(shè)計(jì)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(xì)介紹了該監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)思路,采用ML-MAC數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提出基于簇頭負(fù)載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法(CLBCES),進(jìn)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。
Abstract:
Key words :

摘  要: 針對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要,以無線射頻芯片CC2430為核心設(shè)計(jì)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(xì)介紹了該監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)思路,采用ML-MAC數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議并提出基于簇頭負(fù)載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法(CLBCES),進(jìn)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(fù)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(fù)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(gè)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(jìn)并設(shè)計(jì)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(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)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(qiáng)傳感器,設(shè)計(jì)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(fù)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(fù)載均衡的WSN分簇節(jié)能路由算法(CLBCES),進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能耗,大大延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及拓?fù)?/strong>
    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(kuò)展性、魯棒性和易管理維護(hù)性,如圖1所示?;诖氐姆謱咏Y(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(gè)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(diǎn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致分為以下3層:(1)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(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(diǎn)具備較強(qiáng)的通信能力和數(shù)據(jù)處理能力,與傳感器節(jié)點(diǎn)交互信息通過多跳路由完成數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的傳送。(3)匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口與計(jì)算機(jī)相連組成管理節(jié)點(diǎn)層。管理人員通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控、維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò),并對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,為人工干預(yù)提供科學(xué)依據(jù),遠(yuǎn)程用戶還可以通過Internet/GPRS與管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)共享;通過GPRS網(wǎng)絡(luò)自動將報(bào)警信息發(fā)送到管理員手機(jī)上面,不會漏過任一條報(bào)警信息,隨時(shí)隨地監(jiān)測環(huán)境狀態(tài),若出現(xiàn)異常,能第一時(shí)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(shí)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561、負(fù)載低功耗LCD顯示屏,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、無線收發(fā)和即時(shí)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(shí)驗(yàn),連續(xù)工作7天時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天平均功耗為1.2 mW,可使用20~24個(gè)月。此外,系統(tǒng)還包含PDA無線報(bào)警模塊,可以和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互,時(shí)時(shí)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(shí)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(jì)考慮的最重要因素,要達(dá)到節(jié)能,就要使傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)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(diǎn)主要通過對CC2430的寄存器配置來實(shí)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(fù)責(zé)媒體接入和差錯(cuò)控制,可以在通信網(wǎng)絡(luò)中確保節(jié)點(diǎn)之間的連接并保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可完整、無誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
    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(fù)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(shí)間和沖突次數(shù)來減少節(jié)點(diǎn)的能耗。ML-MAC特有的機(jī)制也能將兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖在同一時(shí)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(diǎn)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(shí)ML-MAC又是一個(gè)自我組建的MAC層協(xié)議,它不需要一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)來控制所有節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作,進(jìn)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(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù),在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法與匯聚節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信,因此需要利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jì)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(jìn)行平衡分配,具有拓?fù)涔芾矸奖恪⒛芰坷酶咝?、?shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點(diǎn),但由于簇頭到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離一般較遠(yuǎn),在簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)之間采用多跳通信方式,按照從簇頭到匯聚點(diǎn)的路徑多跳轉(zhuǎn)發(fā),導(dǎo)致了能量消耗不均衡,靠近匯聚點(diǎn)的簇頭由于需要轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭的數(shù)據(jù)造成負(fù)載過重、能量過早耗盡、降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
    為此本文提出基于簇頭負(fù)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(jìn),在實(shí)現(xiàn)簇頭負(fù)載均衡的同時(shí)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(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)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(diǎn)到簇頭的跳數(shù)場和以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的簇間轉(zhuǎn)發(fā)路徑。從簇頭低負(fù)載的需求出發(fā),傳感器節(jié)點(diǎn)在選擇簇頭時(shí),綜合考慮距離簇頭的遠(yuǎn)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(fù)載均衡。同時(shí)通過增設(shè)閾值保證節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡,即節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),搜索所有能夠到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑,若路徑上節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的剩余能量都較少時(shí),就按照MMBCR算法選擇路徑;當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于該閾值時(shí),則在選擇路由時(shí)應(yīng)盡量避開該節(jié)點(diǎn),以此來延長整個(gè)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(jī)交互。
    隨著規(guī)?;r(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)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(fù)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(xué),控制更加簡單,從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量、改良品種、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目的。該系統(tǒng)還可為珍貴植物的生長條件進(jìn)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(jìn)行逼真的模擬,為高經(jīng)濟(jì)價(jià)值作物的生長條件分析與人工干預(yù)等提供科學(xué)依據(jù)。本文下一步的研究工作是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并參考最佳作物生長指標(biāo)對農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié),真正做到無人值守、自動管理。
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