WSN的低功耗濕地土壤監(jiān)測系統(tǒng)設計
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了WSN的低功耗濕地土壤監(jiān)測系統(tǒng)設計范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
摘要：針對扎龍自然保護區(qū)的土壤環(huán)境監(jiān)測需求，采用CC2530PA模塊設計終端節(jié)點，基于Z－Stack協(xié)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(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)結合低功耗路由協(xié)議和實際環(huán)境監(jiān)測需求提出采集發(fā)送端低功耗節(jié)點設計的改進算法，有效地減少節(jié)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(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(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(jiān)測方法，針對扎龍濕地的重點區(qū)域實現土壤參數的監(jiān)測。無線傳感技術對比傳統(tǒng)土壤監(jiān)測手段具有低功耗、體積小、自組網等優(yōu)勢，是現代化監(jiān)測土壤環(huán)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(qū)的土壤監(jiān)測中，并采用低功耗的路由算法［3－5］搭建高效且節(jié)能的傳感網絡監(jiān)測平臺。
1體系結構及工作原理
土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由終端采集節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和上位機軟件組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。終端采集和路由節(jié)點采用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行數據的采集、處理、存儲，最終協(xié)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(tǒng)硬件設計
結合扎龍濕地土壤環(huán)境監(jiān)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(tǒng)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(xié)議棧，支持睡眠；可靠距離＞800m，自動重連距離達＞600m）。因此在400m區(qū)域內只需一個傳感節(jié)點即可滿足監(jiān)測要求。終端節(jié)點主要負責采集監(jiān)控區(qū)域的土壤環(huán)境信息和模數轉換。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(jié)點和路由節(jié)點上使用鋰電池，協(xié)調器則使用交流電源供電。
3低功耗節(jié)點軟件設計
由于終端采集節(jié)點采用鋰電池供電，隨著電量的消耗殆盡節(jié)點也會隨之失效，直接影響和決定著整個監(jiān)測系統(tǒng)的生存時間。因此節(jié)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(jié)點的低功耗設計已經得到廣泛認可，本系統(tǒng)結合低功耗路由協(xié)議和扎龍濕地實際土壤環(huán)境監(jiān)測要求提出了采集發(fā)送端低功耗節(jié)點設計的改進算法。在實際監(jiān)測中，考慮到采集的一個或多個環(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降低采集節(jié)點端的能耗。由于環(huán)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(jié)點集成有土壤溫度、土壤濕度和雨滴傳感器，且節(jié)點同時采集3個參數。由于環(huán)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(jiān)測數據，數據產生大量冗余，消耗了大量的節(jié)點能量。為了改善節(jié)點能量的浪費，本文提出了設置閾值觸發(fā)節(jié)點機制，從而有效延長的節(jié)點的生命周期。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，即測得某種環(huán)境變量的變化超過預設閾值εi時，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個傳感器，將滿足條件的環(huán)境變量測量值動態(tài)組合加入幀載荷，遍歷結束后節(jié)點傳輸數據幀。假如所有環(huán)境變量測量值未滿足條件，沒有數據加入發(fā)送幀載荷，節(jié)點則不觸發(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可根據具體情況進行設置。
3．3節(jié)點工作流程
節(jié)點工作流程圖如圖4所示。步驟1協(xié)調器負責建立網絡，完成各節(jié)點的初始化。步驟2終端節(jié)點采集濕度、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，則傳輸動態(tài)組合數據幀；如果否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟。
4測試結果與分析
測試地點選取扎龍自然保護區(qū)，測區(qū)長1200m、寬400m，布置6個傳感節(jié)點、2個路由節(jié)點和1個協(xié)調器節(jié)點，節(jié)點采用鋰電池供電，節(jié)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(jié)點和周期性采集節(jié)點進行分析。
4．1節(jié)點功耗測試
無線傳感器網絡中節(jié)點的功耗直接影響著整個網絡的生存時間。節(jié)點的射頻消耗的能量占節(jié)點消耗的大部分能量，因此在相同時間下，發(fā)送的數據幀總長度與節(jié)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(jiān)測數據為參考，對比低功耗節(jié)點與周期發(fā)送節(jié)點的發(fā)生數據幀總長度，每12h統(tǒng)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(jié)點和周期傳輸節(jié)點（2min）減少了59．4％的功耗，節(jié)能效果明顯，適合長期監(jiān)測。
4．2網絡穩(wěn)定性測試
定時發(fā)送15000個數據包，重復試驗20次，統(tǒng)計周期傳輸與低功耗節(jié)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(jié)點的平均丟包率為0．95％，周期傳輸節(jié)點的丟包率為2．8％。比較得出低功耗節(jié)點傳輸丟包率低，數據包延長小且更加穩(wěn)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(jié)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(jiān)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(jiān)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(xù)曲線，周期傳感節(jié)點以2min為周期采集數據，低功耗節(jié)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(tǒng)無線傳感網絡分析，提出了基于離散分組傳輸的節(jié)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(jié)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(jiān)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(yè)活動對濕地環(huán)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(jié)點低功耗算法改進［J］．微計算機信息，2010，（19）：111～112，51
作者：苗鳳娟 吳凌斌 陶佰睿 孫艷梅 單位：齊齊哈爾大學通信與電子工程學院