摘  要： 針對農業(yè)生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)控的需要,，以無線射頻芯片CC2430為核心設計了基于無線傳感器網絡（WSN）的農業(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)的拓撲結構及軟硬件設計思路，采用ML-MAC數據鏈路層協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)模化農業(yè)生產中廣泛使用,。
關鍵詞： 無線傳感器網絡,；農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控；簇頭負載均衡

    無線傳感器網絡是一種新興的無線網絡技術,，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,，廣泛應用于軍事,、農業(yè)、工業(yè),、環(huán)境監(jiān)測等各個領域,。本文結合規(guī)模化農業(yè)的發(fā)展和科技興農的戰(zhàn)略國策,，在前人的基礎上改進并設計了基于無線傳感器網絡的農業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),，并將其成功運用到生產實踐中,。
    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，設計了基于WSN的農業(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]數據鏈路層協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,，大大延長了網絡生存時間,。
1 系統(tǒng)結構及拓撲
    鑒于農業(yè)環(huán)境的特殊性，采用WSN中基于簇的分層網絡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?；诖氐姆謱咏Y構具有天然的分布式處理能力,，簇頭就是分布式處理中心，每個簇成員都把數據傳給簇頭,，在簇頭里完成數據處理和融合,，然后由其他簇頭多跳轉發(fā)或直接傳給用戶節(jié)點。拓撲結構大致分為以下3層：（1）傳感器節(jié)點層,，主要功能是采集數據信息并將數據傳輸給路由節(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成，如圖2所示,。（2）路由節(jié)層點具備較強的通信能力和數據處理能力,，與傳感器節(jié)點交互信息通過多跳路由完成數據從源節(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,、維護整個網絡，并對測得數據進行分析和處理,，為人工干預提供科學依據,，遠程用戶還可以通過Internet/GPRS與管理節(jié)點進行交互，實現遠程監(jiān)控及數據共享,；通過GPRS網絡自動將報警信息發(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作,，實現了數據的采集、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,，并結合使用第二代光強數字轉換芯片TSL2561,、負載低功耗LCD顯示屏，實現了數據的采集,、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)測網絡中的任何一個節(jié)點進行交互,，時時刻刻監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)，提供直觀的現場操作能力,。
3 軟件系統(tǒng)組成及實現
      WSN的協議框架包括物理層,、數據鏈路層、網絡層,、傳輸層和應用層,。而高效率能源一直是WSN設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),，所以使用的通信協議是決定能耗的關鍵。
3.1 物理層
    物理層負責載波頻率的產生,，信號的調制解調等,，CC2430提供了對IEEE 802.15.4物理層協議的支持,，節(jié)點主要通過對CC2430的寄存器配置來實現物理層的協議功能。
3.2 數據鏈路層
    數據鏈路層負責媒體接入和差錯控制,，可以在通信網絡中確保節(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協議(Multi-Layer MAC,，ML-MAC)。通過減少空閑偵聽時間和沖突次數來減少節(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)送數據量的值最小化,，減少沖突，這樣需要重發(fā)損壞數據包的能量便可以節(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,。仿真結果表明，ML-MAC與現有的MAC協議相比能耗有了大幅度的降低,。
3.3 網絡層
    網絡層協議負責路由發(fā)現與維護,，在無線傳感器網絡中，大多數節(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)點進行路由轉發(fā),，以完成數據傳送，可以說路由算法的選擇是無線傳感器網絡設計成功與否的關鍵,。
    基于分簇的層次型無線傳感器網絡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,、數據融合簡單等優(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發(fā)其他簇頭的數據造成負載過重,、能量過早耗盡,、降低整個網絡生存時間。
    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）,，該算法結合了CHLBC[5]路由算法和CSER[6]路由算法并加以改進,，在實現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：根據傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點距離的遠近,，選舉產生非均勻分布的簇頭,，構建由簇頭組成的骨干傳輸網絡，生成從匯聚節(jié)點到簇頭的跳數場和以匯聚節(jié)點為根節(jié)點的簇間轉發(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數據量的大小,，調整簇網絡的規(guī)模,，使簇頭負載均衡。同時通過增設閾值保證節(jié)點剩余能量均衡,，即節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送數據時,，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,，則在選擇路由時應盡量避開該節(jié)點，以此來延長整個網絡的生存周期,。
    CLBCES路由算法既考慮了總的傳輸能量又考慮到了網絡中節(jié)點的剩余能量,。仿真結果表明，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,，延長了網絡生存時間,，非常適合應用于中小型WSN。
3.4 應用層
    基于網絡組建的目的,，在應用層上除了實現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)和使用相應的軟件系統(tǒng)完成人機交互,。
    隨著規(guī)模化農業(yè)生產進一步發(fā)展,，采用WSN技術建設農業(yè)環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng),，用一套網絡完成溫、濕、光等的數據采集和環(huán)境控制,，可有效提高農業(yè)集約化生產程度,，簡化系統(tǒng)復雜度，降低設備成本,，使農業(yè)環(huán)境監(jiān)測和管理更加科學,，控制更加簡單，從而達到提高經濟作物產量,、改良品種,、調節(jié)生長周期、提高經濟效益的最終目的,。該系統(tǒng)還可為珍貴植物的生長條件進行檢測,，根據分析結果農業(yè)人員就可以在人造環(huán)境下進行逼真的模擬，為高經濟價值作物的生長條件分析與人工干預等提供科學依據,。本文下一步的研究工作是根據實時監(jiān)控數據并參考最佳作物生長指標對農業(yè)環(huán)境進行自動調節(jié),，真正做到無人值守、自動管理,。
參考文獻
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