WSN的低功耗濕地土壤監測系統設計論文

　　摘要：針對扎龍自然保護區的土壤環(huán)境監測需求，采用ＣＣ２５３０ＰＡ模塊設計終端節點(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測系統。系統結合低功耗路由協(xié)議和實(shí)際環(huán)境監測需求提出采集發(fā)送端低功耗節點(diǎn)設計的改進(jìn)算法，有效地減少節點(diǎn)的功耗、傳輸延遲和丟包率，從而延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間。

　　關(guān)鍵詞：自組織網(wǎng)絡(luò )；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )；ＣＣ２５３０；低功耗

　　０引言

　　扎龍自然保護區是同緯度地區最原始、物種最豐富的濕地自然綜合體。濕地內有大面積的沼澤和草甸，葦叢茂密、魚(yú)蝦眾多，是水禽理想的棲息地。近年來(lái)由于人類(lèi)活動(dòng)的增多，對其環(huán)境有不同程度的破壞和污染。土壤參數作為生態(tài)環(huán)境的重要的指標之一［１］，可預警環(huán)境的前期污染，因此擬采用現代化的監測方法，針對扎龍濕地的重點(diǎn)區域實(shí)現土壤參數的監測。無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)對比傳統土壤監測手段具有低功耗、體積小、自組網(wǎng)等優(yōu)勢，是現代化監測土壤環(huán)境的最佳手段［２］。本文將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)應用于扎龍自然保護區的土壤監測中，并采用低功耗的路由算法［３－５］搭建高效且節能的傳感網(wǎng)絡(luò )監測平臺。

　　１體系結構及工作原理

　　土壤環(huán)境監測系統由終端采集節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)和上位機軟件組成，系統結構如圖１所示。終端采集和路由節點(diǎn)采用ＣＣ２５３０Ｆ２５６組成控制器、ＣＣ２５９１（ＰＡ）功率放大器組成收發(fā)器，結合土壤濕度、溫度和雨滴檢測傳感設備進(jìn)行數據的采集、處理、存儲，最終協(xié)調器通過(guò)串口ＲＳ４８５上傳至ＰＣ上位機終端。數據的解析、存儲和曲線(xiàn)繪制等均在上位機終端上完成。上位機設計采用Ｌａｂｖｉｅｗ實(shí)現對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的控制及數據接收。

　　２系統硬件設計

　　結合扎龍濕地土壤環(huán)境監測要求和傳感器功耗、成本、測量范圍及精度考慮，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。系統基于ＣＣ２５３０ＰＡ模塊（尺寸３．６ｃｍ×２．７ｃｍ；標準ＳＭＡ天線(xiàn)接口（２．４Ｇ天線(xiàn)）；ＰＡ使用ＣＣ２５９１，全官方設計，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＞６００ｍ）。因此在４００ｍ區域內只需一個(gè)傳感節點(diǎn)即可滿(mǎn)足監測要求。終端節點(diǎn)主要負責采集監控區域的土壤環(huán)境信息和模數轉換。系統硬件功能如圖２所示，主要由ＭＣＵ、傳感采集模塊、Ａ／Ｄ轉換、信號調理電路、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊等組成。綜合考慮功耗、測量范圍、測量精度和成本等問(wèn)題，最終選擇土壤濕度、溫度和雨滴傳感器，電源模塊在采集節點(diǎn)和路由節點(diǎn)上使用鋰電池，協(xié)調器則使用交流電源供電。

　　３低功耗節點(diǎn)軟件設計

　　由于終端采集節點(diǎn)采用鋰電池供電，隨著(zhù)電量的消耗殆盡節點(diǎn)也會(huì )隨之失效，直接影響和決定著(zhù)整個(gè)監測系統的生存時(shí)間。因此節點(diǎn)的低功耗路由算法顯得至關(guān)重要。

　�。常�１基于離散組包傳輸的軟件設計

　　節點(diǎn)的低功耗設計已經(jīng)得到廣泛認可，本系統結合低功耗路由協(xié)議和扎龍濕地實(shí)際土壤環(huán)境監測要求提出了采集發(fā)送端低功耗節點(diǎn)設計的改進(jìn)算法。在實(shí)際監測中，考慮到采集的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境參數的變化可能是土壤環(huán)境受到污染的可能性增加，所以需要對這些數據組包發(fā)送。本文結合低功耗路由算法和需要采集的參數提出了離散組包傳輸設計來(lái)降低采集節點(diǎn)端的能耗。由于環(huán)境的采集對數據的實(shí)時(shí)性要求不高，并且采集數據變化緩慢，此方法可以有效的減少數據的冗余，從而降低能耗。

　�。常�２基于離散組包傳輸的軟件設計

　　傳感器節點(diǎn)集成有土壤溫度、土壤濕度和雨滴傳感器，且節點(diǎn)同時(shí)采集３個(gè)參數。由于環(huán)境參數的變化緩慢，所以測量值的波動(dòng)變化比較平緩，因此如果周期地上傳監測數據，數據產(chǎn)生大量冗余，消耗了大量的節點(diǎn)能量。為了改善節點(diǎn)能量的浪費，本文提出了設置閾值觸發(fā)節點(diǎn)機制，從而有效延長(cháng)的節點(diǎn)的生命周期。假設當前已測得環(huán)境變量ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）值為Ｄｉ（ｔ＋１），上一次所測該環(huán)境變量值為Ｄｉ（ｔ），測量周期為Ｔ，εｉ為預設閾值，當｜Ｄｉ（ｔ＋１）－Ｄｉ（ｔ）｜＞εｉ時(shí)，即測得某種環(huán)境變量的變化超過(guò)預設閾值εｉ時(shí)，將測得該環(huán)境變量值Ｄｉ（ｔ＋１）加入發(fā)送幀載荷中。當遍歷ｎ個(gè)傳感器，將滿(mǎn)足條件的環(huán)境變量測量值動(dòng)態(tài)組合加入幀載荷，遍歷結束后節點(diǎn)傳輸數據幀。假如所有環(huán)境變量測量值未滿(mǎn)足條件，沒(méi)有數據加入發(fā)送幀載荷，節點(diǎn)則不觸發(fā)射頻模塊，不發(fā)送數據。即根據環(huán)境變化以緊湊的方式自適應發(fā)送變化量較大的值。其中，εｉ值和采樣間隔Ｔ可根據具體情況進(jìn)行設置。

　�。常�３節點(diǎn)工作流程

　　節點(diǎn)工作流程圖如圖４所示。步驟１協(xié)調器負責建立網(wǎng)絡(luò )，完成各節點(diǎn)的初始化。步驟２終端節點(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(guò)環(huán)境閾值εｉ，如果是，則將將測量值Ｄｉ（ｔ＋１）送入發(fā)送幀載荷；否則重新等待數據判定。步驟４判定是否遍歷所有傳感器，如果是，則傳輸動(dòng)態(tài)組合數據幀；如果否，則繼續執行步驟。

　　４測試結果與分析

　　測試地點(diǎn)選取扎龍自然保護區，測區長(cháng)１２００ｍ、寬４００ｍ，布置６個(gè)傳感節點(diǎn)、２個(gè)路由節點(diǎn)和１個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)，節點(diǎn)采用鋰電池供電，節點(diǎn)部署圖如圖５所示。同時(shí)采用標準測試儀與采集結果進(jìn)行對比測試，并且對比采用低功耗傳感節點(diǎn)和周期性采集節點(diǎn)進(jìn)行分析。

　�。矗�１節點(diǎn)功耗測試

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的功耗直接影響著(zhù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間。節點(diǎn)的射頻消耗的能量占節點(diǎn)消耗的大部分能量，因此在相同時(shí)間下，發(fā)送的數據幀總長(cháng)度與節點(diǎn)能耗成正比例關(guān)系。分析時(shí)間設定為２０１４年６月２６日至２０１４年７月２５日為期３０天的監測數據為參考，對比低功耗節點(diǎn)與周期發(fā)送節點(diǎn)的發(fā)生數據幀總長(cháng)度，每１２ｈ統計一次，測試結果如圖６所示。對比測試數據顯示采用離散組包算法的低功耗節點(diǎn)和周期傳輸節點(diǎn)（２ｍｉｎ）減少了５９．４％的功耗，節能效果明顯，適合長(cháng)期監測。

　�。矗�２網(wǎng)絡(luò )穩定性測試

　　定時(shí)發(fā)送１５０００個(gè)數據包，重復試驗２０次，統計周期傳輸與低功耗節點(diǎn)的丟包率。圖７、圖８分別為丟包率測試和數據包延遲對比。對比圖７、圖８顯示的性能曲線(xiàn)，分析計算出低功耗節點(diǎn)的平均丟包率為０．９５％，周期傳輸節點(diǎn)的丟包率為２．８％。比較得出低功耗節點(diǎn)傳輸丟包率低，數據包延長(cháng)小且更加穩定，離散組包傳輸大大減少了數據量的冗余。本文提出的算法能夠明顯降低傳感節點(diǎn)的功耗、減少數據包的時(shí)延和延長(cháng)整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間。

　�。矗�３監測數據精度測試

　　測試從２０１４年６月２６日８時(shí)至２０１４年６月２７日８時(shí)為期２天的監測數據為參考，采集數據有土壤濕度和溫度２種。測試儀的數據輸出為連續曲線(xiàn)，周期傳感節點(diǎn)以２ｍｉｎ為周期采集數據，低功耗節點(diǎn)采用自適應離散組包傳輸。圖９、圖１０為土壤溫度和濕度采集數據對比。由圖９、圖１０可見(jiàn)，理論測試和實(shí)際測試數據基本吻合。５結論與討論本文通過(guò)對傳統無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )分析，提出了基于離散分組傳輸的節點(diǎn)低功耗算法。通過(guò)實(shí)踐測試和分析可知，低功耗算法有效地減少了節點(diǎn)功耗、提高傳輸數據效率并且降低了數據的冗余量，進(jìn)而延長(cháng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )上生存時(shí)間，為建立長(cháng)期監測網(wǎng)絡(luò )提供了可行性和便利性。

　　參考文獻

　�。郏保蓍Z長(cháng)平，馬延吉．人類(lèi)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)對濕地環(huán)境的影響研究進(jìn)展［Ｊ］．濕地科學(xué)，２０１０，（１）：９８～１０４

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