摘  要： 針對農業生態環境實時監控的需要，以無線射頻芯片CC2430為核心設計了基于無線傳感器網絡（WSN）的農業生態環境監控系統。詳細介紹了該監控系統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分簇節能路由算法（CLBCES），進一步降低了功耗和成本，非常適合在規模化農業生產中廣泛使用。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；農業生態環境監控；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、低復雜度的優勢得到了迅猛發展，廣泛應用于軍事、農業、工業、環境監測等各個領域。本文結合規模化農業的發展和科技興農的戰略國策，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生態環境監控系統，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的農業生態環境監控系統。系統采用低負載、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分簇節能路由算法（CLBCES），進一步降低了系統能耗，大大延長了網絡生存時間。
1 系統結構及拓撲
    鑒于農業環境的特殊性，采用WSN中基于簇的分層網絡模型來保證整套系統具有良好的可擴展性、魯棒性和易管理維護性，如圖1所示。基于簇的分層結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或直接傳給用戶節點。拓撲結構大致分為以下3層：（1）傳感器節點層，主要功能是采集數據信息并將數據傳輸給路由節點（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）路由節層點具備較強的通信能力和數據處理能力，與傳感器節點交互信息通過多跳路由完成數據從源節點到匯聚節點的傳送。（3）匯聚節點通過串口與計算機相連組成管理節點層。管理人員通過計算機監控、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與管理節點進行交互，實現遠程監控及數據共享；通過GPRS網絡自動將報警信息發送到管理員手機上面，不會漏過任一條報警信息，隨時隨地監測環境狀態，若出現異常，能第一時間予以解決。

2 硬件組成
    本系統通過處理器模塊、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、處理和無線收發等功能。
      傳感器節點分布在各待測區域，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、無線收發和即時顯示等功能。使用2節普通AA干電池作為電源模塊，經實驗，連續工作7天時，每個節點每天平均功耗為1.2 mW，可使用20～24個月。此外，系統還包含PDA無線報警模塊，可以和監測網絡中的任何一個節點進行交互，時時刻刻監測環境狀態，提供直觀的現場操作能力。
3 軟件系統組成及實現
      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，要達到節能，就要使傳感器節點最大限度地處于低能量狀態，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點之間的連接并保證源節點發出的信息可完整、無誤地到達目標節點。
    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點的能耗。ML-MAC特有的機制也能將兩個或多個節點試圖在同一時間發送數據量的值最小化，減少沖突，這樣需要重發損壞數據包的能量便可以節省下來，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點來控制所有節點的運作，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現與維護，在無線傳感器網絡中，大多數節點無法與匯聚節點直接進行通信，因此需要利用中間節點進行路由轉發，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、數據融合簡單等優點，但由于簇頭到匯聚節點的距離一般較遠，在簇頭與匯聚節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，導致了能量消耗不均衡，靠近匯聚點的簇頭由于需要轉發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：根據傳感器節點到匯聚節點距離的遠近，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，生成從匯聚節點到簇頭的跳數場和以匯聚節點為根節點的簇間轉發路徑。從簇頭低負載的需求出發，傳感器節點在選擇簇頭時，綜合考慮距離簇頭的遠近和簇頭的中轉數據量的大小，調整簇網絡的規模，使簇頭負載均衡。同時通過增設閾值保證節點剩余能量均衡，即節點向匯聚節點發送數據時，搜索所有能夠到達匯聚節點的路徑，若路徑上節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；若路徑上節點的剩余能量都較少時，就按照MMBCR算法選擇路徑；當某節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、停止以及系統能量管理的功能外，還需要開發和使用相應的軟件系統完成人機交互。
    隨著規模化農業生產進一步發展，采用WSN技術建設農業環境自動監控系統，用一套網絡完成溫、濕、光等的數據采集和環境控制，可有效提高農業集約化生產程度，簡化系統復雜度，降低設備成本，使農業環境監測和管理更加科學，控制更加簡單，從而達到提高經濟作物產量、改良品種、調節生長周期、提高經濟效益的最終目的。該系統還可為珍貴植物的生長條件進行檢測，根據分析結果農業人員就可以在人造環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控數據并參考最佳作物生長指標對農業環境進行自動調節，真正做到無人值守、自動管理。
參考文獻
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