WSN的低功耗濕地土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：針對(duì)扎龍自然保護(hù)區(qū)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，采用CC2530PA模塊設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)，基于Z－Stack協(xié)議棧搭建自組織傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器選取土壤濕度傳感器、溫度傳感器以及雨滴傳感器，組建低功耗濕地土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合低功耗路由協(xié)議和實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)需求提出采集發(fā)送端低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)算法，有效地減少節(jié)點(diǎn)的功耗、傳輸延遲和丟包率，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
關(guān)鍵詞：自組織網(wǎng)絡(luò)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2530；低功耗
0引言
扎龍自然保護(hù)區(qū)是同緯度地區(qū)最原始、物種最豐富的濕地自然綜合體。濕地內(nèi)有大面積的沼澤和草甸，葦叢茂密、魚蝦眾多，是水禽理想的棲息地。近年來由于人類活動(dòng)的增多，對(duì)其環(huán)境有不同程度的破壞和污染。土壤參數(shù)作為生態(tài)環(huán)境的重要的指標(biāo)之一［1］，可預(yù)警環(huán)境的前期污染，因此擬采用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)方法，針對(duì)扎龍濕地的重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)土壤參數(shù)的監(jiān)測(cè)。無線傳感技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)土壤監(jiān)測(cè)手段具有低功耗、體積小、自組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境的最佳手段［2］。本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)應(yīng)用于扎龍自然保護(hù)區(qū)的土壤監(jiān)測(cè)中，并采用低功耗的路由算法［3－5］搭建高效且節(jié)能的傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
1體系結(jié)構(gòu)及工作原理
土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。終端采集和路由節(jié)點(diǎn)采用CC2530F256組成控制器、CC2591（PA）功率放大器組成收發(fā)器，結(jié)合土壤濕度、溫度和雨滴檢測(cè)傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)，最終協(xié)調(diào)器通過串口RS485上傳至PC上位機(jī)終端。數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)和曲線繪制等均在上位機(jī)終端上完成。上位機(jī)設(shè)計(jì)采用Labview實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制及數(shù)據(jù)接收。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
結(jié)合扎龍濕地土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)要求和傳感器功耗、成本、測(cè)量范圍及精度考慮，選取了土壤濕度傳感器YL—69、溫度傳感器18B20以及雨滴傳感器。系統(tǒng)基于CC2530PA模塊（尺寸3．6cm×2．7cm；標(biāo)準(zhǔn)SMA天線接口（2．4G天線）；PA使用CC2591，全官方設(shè)計(jì)，完全兼容最新版協(xié)議棧，支持睡眠；可靠距離＞800m，自動(dòng)重連距離達(dá)＞600m）。因此在400m區(qū)域內(nèi)只需一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)即可滿足監(jiān)測(cè)要求。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域的土壤環(huán)境信息和模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件功能如圖2所示，主要由MCU、傳感采集模塊、A／D轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理電路、無線通信模塊和電源模塊等組成。綜合考慮功耗、測(cè)量范圍、測(cè)量精度和成本等問題，最終選擇土壤濕度、溫度和雨滴傳感器，電源模塊在采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)上使用鋰電池，協(xié)調(diào)器則使用交流電源供電。
3低功耗節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
由于終端采集節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，隨著電量的消耗殆盡節(jié)點(diǎn)也會(huì)隨之失效，直接影響和決定著整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的生存時(shí)間。因此節(jié)點(diǎn)的低功耗路由算法顯得至關(guān)重要。
3．1基于離散組包傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，本系統(tǒng)結(jié)合低功耗路由協(xié)議和扎龍濕地實(shí)際土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)要求提出了采集發(fā)送端低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)算法。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，考慮到采集的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境參數(shù)的變化可能是土壤環(huán)境受到污染的可能性增加，所以需要對(duì)這些數(shù)據(jù)組包發(fā)送。本文結(jié)合低功耗路由算法和需要采集的參數(shù)提出了離散組包傳輸設(shè)計(jì)來降低采集節(jié)點(diǎn)端的能耗。由于環(huán)境的采集對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，并且采集數(shù)據(jù)變化緩慢，此方法可以有效的減少數(shù)據(jù)的冗余，從而降低能耗。
3．2基于離散組包傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)集成有土壤溫度、土壤濕度和雨滴傳感器，且節(jié)點(diǎn)同時(shí)采集3個(gè)參數(shù)。由于環(huán)境參數(shù)的變化緩慢，所以測(cè)量值的波動(dòng)變化比較平緩，因此如果周期地上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量冗余，消耗了大量的節(jié)點(diǎn)能量。為了改善節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)，本文提出了設(shè)置閾值觸發(fā)節(jié)點(diǎn)機(jī)制，從而有效延長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)的生命周期。假設(shè)當(dāng)前已測(cè)得環(huán)境變量i（i＝1，2，3，…，n）值為Di（t＋1），上一次所測(cè)該環(huán)境變量值為Di（t），測(cè)量周期為T，εi為預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)｜Di（t＋1）－Di（t）｜＞εi時(shí)，即測(cè)得某種環(huán)境變量的變化超過預(yù)設(shè)閾值εi時(shí)，將測(cè)得該環(huán)境變量值Di（t＋1）加入發(fā)送幀載荷中。當(dāng)遍歷n個(gè)傳感器，將滿足條件的環(huán)境變量測(cè)量值動(dòng)態(tài)組合加入幀載荷，遍歷結(jié)束后節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀。假如所有環(huán)境變量測(cè)量值未滿足條件，沒有數(shù)據(jù)加入發(fā)送幀載荷，節(jié)點(diǎn)則不觸發(fā)射頻模塊，不發(fā)送數(shù)據(jù)。即根據(jù)環(huán)境變化以緊湊的方式自適應(yīng)發(fā)送變化量較大的值。其中，εi值和采樣間隔T可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置。
3．3節(jié)點(diǎn)工作流程
節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖4所示。步驟1協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，完成各節(jié)點(diǎn)的初始化。步驟2終端節(jié)點(diǎn)采集濕度、溫度和雨滴信息。步驟3判定環(huán)境變量是否超過環(huán)境閾值εi，如果是，則將將測(cè)量值Di（t＋1）送入發(fā)送幀載荷；否則重新等待數(shù)據(jù)判定。步驟4判定是否遍歷所有傳感器，如果是，則傳輸動(dòng)態(tài)組合數(shù)據(jù)幀；如果否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟。
4測(cè)試結(jié)果與分析
測(cè)試地點(diǎn)選取扎龍自然保護(hù)區(qū)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)1200m、寬400m，布置6個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)、2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，節(jié)點(diǎn)部署圖如圖5所示。同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀與采集結(jié)果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，并且對(duì)比采用低功耗傳感節(jié)點(diǎn)和周期性采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。
4．1節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的功耗直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。節(jié)點(diǎn)的射頻消耗的能量占節(jié)點(diǎn)消耗的大部分能量，因此在相同時(shí)間下，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)能耗成正比例關(guān)系。分析時(shí)間設(shè)定為2014年6月26日至2014年7月25日為期30天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為參考，對(duì)比低功耗節(jié)點(diǎn)與周期發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)生數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度，每12h統(tǒng)計(jì)一次，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)顯示采用離散組包算法的低功耗節(jié)點(diǎn)和周期傳輸節(jié)點(diǎn)（2min）減少了59．4％的功耗，節(jié)能效果明顯，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
4．2網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測(cè)試
定時(shí)發(fā)送15000個(gè)數(shù)據(jù)包，重復(fù)試驗(yàn)20次，統(tǒng)計(jì)周期傳輸與低功耗節(jié)點(diǎn)的丟包率。圖7、圖8分別為丟包率測(cè)試和數(shù)據(jù)包延遲對(duì)比。對(duì)比圖7、圖8顯示的性能曲線，分析計(jì)算出低功耗節(jié)點(diǎn)的平均丟包率為0．95％，周期傳輸節(jié)點(diǎn)的丟包率為2．8％。比較得出低功耗節(jié)點(diǎn)傳輸丟包率低，數(shù)據(jù)包延長(zhǎng)小且更加穩(wěn)定，離散組包傳輸大大減少了數(shù)據(jù)量的冗余。本文提出的算法能夠明顯降低傳感節(jié)點(diǎn)的功耗、減少數(shù)據(jù)包的時(shí)延和延長(zhǎng)整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。
4．3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度測(cè)試
測(cè)試從2014年6月26日8時(shí)至2014年6月27日8時(shí)為期2天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為參考，采集數(shù)據(jù)有土壤濕度和溫度2種。測(cè)試儀的數(shù)據(jù)輸出為連續(xù)曲線，周期傳感節(jié)點(diǎn)以2min為周期采集數(shù)據(jù)，低功耗節(jié)點(diǎn)采用自適應(yīng)離散組包傳輸。圖9、圖10為土壤溫度和濕度采集數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖9、圖10可見，理論測(cè)試和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合。5結(jié)論與討論本文通過對(duì)傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)分析，提出了基于離散分組傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)低功耗算法。通過實(shí)踐測(cè)試和分析可知，低功耗算法有效地減少了節(jié)點(diǎn)功耗、提高傳輸數(shù)據(jù)效率并且降低了數(shù)據(jù)的冗余量，進(jìn)而延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上生存時(shí)間，為建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供了可行性和便利性。
參考文獻(xiàn)
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作者：苗鳳娟 吳凌斌 陶佰睿 孫艷梅 單位：齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院