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境監測需求，采用ＣＣ２５３０ＰＡ模塊設計終端節點，基于Ｚ－Ｓｔａｃｋ協議棧搭建自組織傳感網絡，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議和實際環境監測需求提出采集發送端低功耗節點設計的改進算法，有效地減少節點的功耗、傳輸延遲和丟包率，從而延長整個網絡生存時間。
關鍵詞：自組織網絡；無線傳感網絡；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、魚蝦眾多，是水禽理想的棲息地。近年來由于人類活動的增多，對其環境有不同程度的破壞和污染。土壤參數作為生態環境的重要的指標之一［１］，可預警環境的前期污染，因此擬采用現代化的監測方法，針對扎龍濕地的重點區域實現土壤參數的監測。無線傳感技術對比傳統土壤監測手段具有低功耗、體積小、自組網等優勢，是現代化監測土壤環境的最佳手段［２］。本文將無線傳感網絡的技術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絡監測平臺。
１體系結構及工作原理
土壤環境監測系統由終端采集節點、路由節點、協調器節點和上位機軟件組成，系統結構如圖１所示。終端采集和路由節點采用ＣＣ２５３０Ｆ２５６組成控制器、ＣＣ２５９１（ＰＡ）功率放大器組成收發器，結合土壤濕度、溫度和雨滴檢測傳感設備進行數據的采集、處理、存儲，最終協調器通過串口ＲＳ４８５上傳至ＰＣ上位機終端。數據的解析、存儲和曲線繪制等均在上位機終端上完成。上位機設計采用Ｌａｂｖｉｅｗ實現對無線傳感網絡的控制及數據接收。
２系統硬件設計
結合扎龍濕地土壤環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天線接口（２．４Ｇ天線）；ＰＡ使用ＣＣ２５９１，全官方設計，完全兼容最新版協議棧，支持睡眠；可靠距離＞８００ｍ，自動重連距離達＞６００ｍ）。因此在４００ｍ區域內只需一個傳感節點即可滿足監測要求。終端節點主要負責采集監控區域的土壤環境信息和模數轉換。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、無線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和路由節點上使用鋰電池，協調器則使用交流電源供電。
３低功耗節點軟件設計
由于終端采集節點采用鋰電池供電，隨著電量的消耗殆盡節點也會隨之失效，直接影響和決定著整個監測系統的生存時間。因此節點的低功耗路由算法顯得至關重要。
３．１基于離散組包傳輸的軟件設計
節點的低功耗設計已經得到廣泛認可，本系統結合低功耗路由協議和扎龍濕地實際土壤環境監測要求提出了采集發送端低功耗節點設計的改進算法。在實際監測中，考慮到采集的一個或多個環境參數的變化可能是土壤環境受到污染的可能性增加，所以需要對這些數據組包發送。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降低采集節點端的能耗。由于環境的采集對數據的實時性要求不高，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。
３．２基于離散組包傳輸的軟件設計
傳感器節點集成有土壤溫度、土壤濕度和雨滴傳感器，且節點同時采集３個參數。由于環境參數的變化緩慢，所以測量值的波動變化比較平緩，因此如果周期地上傳監測數據，數據產生大量冗余，消耗了大量的`節點能量。為了改善節點能量的浪費，本文提出了設置閾值觸發節點機制，從而有效延長的節點的生命周期。假設當前已測得環境變量ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）值為Ｄｉ（ｔ＋１），上一次所測該環境變量值為Ｄｉ（ｔ），測量周期為Ｔ，εｉ為預設閾值，當｜Ｄｉ（ｔ＋１）－Ｄｉ（ｔ）｜＞εｉ時，即測得某種環境變量的變化超過預設閾值εｉ時，將測得該環境變量值Ｄｉ（ｔ＋１）加入發送幀載荷中。當遍歷ｎ個傳感器，將滿足條件的環境變量測量值動態組合加入幀載荷，遍歷結束后節點傳輸數據幀。假如所有環境變量測量值未滿足條件，沒有數據加入發送幀載荷，節點則不觸發射頻模塊，不發送數據。即根據環境變化以緊湊的方式自適應發送變化量較大的值。其中，εｉ值和采樣間隔Ｔ可根據具體情況進行設置。
３．３節點工作流程
節點工作流程圖如圖４所示。步驟１協調器負責建立網絡，完成各節點的初始化。步驟２終端節點采集濕度、溫度和雨滴信息。步驟３判定環境變量是否超過環境閾值εｉ，如果是，則將將測量值Ｄｉ（ｔ＋１）送入發送幀載荷；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，則傳輸動態組合數據幀；如果否，則繼續執行步驟。
４測試結果與分析
測試地點選取扎龍自然保護區，測區長１２００ｍ、寬４００ｍ，布置６個傳感節點、２個路由節點和１個協調器節點，節點采用鋰電池供電，節點部署圖如圖５所示。同時采用標準測試儀與采集結果進行對比測試，并且對比采用低功耗傳感節點和周期性采集節點進行分析。
４．１節點功耗測試
無線傳感器網絡中節點的功耗直接影響著整個網絡的生存時間。節點的射頻消耗的能量占節點消耗的大部分能量，因此在相同時間下，發送的數據幀總長度與節點能耗成正比例關系。分析時間設定為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，對比低功耗節點與周期發送節點的發生數據幀總長度，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和周期傳輸節點（２ｍｉｎ）減少了５９．４％的功耗，節能效果明顯，適合長期監測。
４．２網絡穩定性測試
定時發送１５０００個數據包，重復試驗２０次，統計周期傳輸與低功耗節點的丟包率。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，分析計算出低功耗節點的平均丟包率為０．９５％，周期傳輸節點的丟包率為２．８％。比較得出低功耗節點傳輸丟包率低，數據包延長小且更加穩定，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的功耗、減少數據包的時延和延長整個無線傳感網絡的工作時間。
４．３監測數據精度測試
測試從２０１４年６月２６日８時至２０１４年６月２７日８時為期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，周期傳感節點以２ｍｉｎ為周期采集數據，低功耗節點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，理論測試和實際測試數據基本吻合。５結論與討論本文通過對傳統無線傳感網絡分析，提出了基于離散分組傳輸的節點低功耗算法。通過實踐測試和分析可知，低功耗算法有效地減少了節點功耗、提高傳輸數據效率并且降低了數據的冗余量，進而延長了整個網絡上生存時間，為建立長期監測網絡提供了可行性和便利性。
參考文獻
［１］閆長平，馬延吉．人類產業活動對濕地環境的影響研究進展［Ｊ］．濕地科學，２０１０，（１）：９８～１０４
［2］王麗娟，劉玉珍．無線傳感網絡節點低功耗算法改進［Ｊ］．微計算機信息，２０１０，（１９）：１１１～１１２，５１
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