WSN的低功耗溼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，採用ＣＣ２５３０ＰＡ模組設計終端節點，基於Ｚ－Ｓｔａｃｋ協議棧搭建自組織感測網路，感測器選取土壤溼度感測器、溫度感測器以及雨滴感測器，組建低功耗溼地土壤監測系統。系統結合低功耗路由協議和實際環境監測需求提出採集傳送端低功耗節點設計的改進演算法，有效地減少節點的功耗、傳輸延遲和丟包率，從而延長整個網路生存時間。

　　關鍵詞：自組織網路；無線感測網路；ＣＣ２５３０；低功耗

　　０引言

　　扎龍自然保護區是同緯度地區最原始、物種最豐富的溼地自然綜合體。溼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。近年來由於人類活動的增多，對其環境有不同程度的破壞和汙染。土壤引數作為生態環境的重要的指標之一［１］，可預警環境的前期汙染，因此擬採用現代化的監測方法，針對扎龍溼地的重點區域實現土壤引數的監測。無線感測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］。本文將無線感測網路的技術應用於扎龍自然保護區的土壤監測中，並採用低功耗的路由演算法［３－５］搭建高效且節能的感測網路監測平臺。

　　１體系結構及工作原理

　　土壤環境監測系統由終端採集節點、路由節點、協調器節點和上位機軟體組成，系統結構如圖１所示。終端採集和路由節點採用ＣＣ２５３０Ｆ２５６組成控制器、ＣＣ２５９１（ＰＡ）功率放大器組成收發器，結合土壤溼度、溫度和雨滴檢測感測裝置進行資料的採集、處理、儲存，最終協調器透過串列埠ＲＳ４８５上傳至ＰＣ上位機終端。資料的解析、儲存和曲線繪製等均在上位機終端上完成。上位機設計採用Ｌａｂｖｉｅｗ實現對無線感測網路的控制及資料接收。

　　２系統硬體設計

　　結合扎龍溼地土壤環境監測要求和感測器功耗、成本、測量範圍及精度考慮，選取了土壤溼度感測器ＹＬ—６９、溫度感測器１８Ｂ２０以及雨滴感測器。系統基於ＣＣ２５３０ＰＡ模組（尺寸３．６ｃｍ×２．７ｃｍ；標準ＳＭＡ天線介面（２．４Ｇ天線）；ＰＡ使用ＣＣ２５９１，全官方設計，完全相容最新版協議棧，支援睡眠；可靠距離＞８００ｍ，自動重連距離達＞６００ｍ）。因此在４００ｍ區域內只需一個感測節點即可滿足監測要求。終端節點主要負責採集監控區域的土壤環境資訊和模數轉換。系統硬體功能如圖２所示，主要由ＭＣＵ、感測採集模組、Ａ／Ｄ轉換、訊號調理電路、無線通訊模組和電源模組等組成。綜合考慮功耗、測量範圍、測量精度和成本等問題，最終選擇土壤溼度、溫度和雨滴感測器，電源模組在採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低功耗節點軟體設計

　　由於終端採集節點採用鋰電池供電，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演算法顯得至關重要。

　　３．１基於離散組包傳輸的軟體設計

　　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溼地實際土壤環境監測要求提出了採集傳送端低功耗節點設計的改進演算法。在實際監測中，考慮到採集的一個或多個環境引數的變化可能是土壤環境受到汙染的可能性增加，所以需要對這些資料組包傳送。本文結合低功耗路由演算法和需要採集的引數提出了離散組包傳輸設計來降低採集節點端的能耗。由於環境的採集對資料的實時性要求不高，並且採集資料變化緩慢，此方法可以有效的減少資料的冗餘，從而降低能耗。

　　３．２基於離散組包傳輸的軟體設計

　　感測器節點整合有土壤溫度、土壤溼度和雨滴感測器，且節點同時採集３個引數。由於環境引數的變化緩慢，所以測量值的波動變化比較平緩，因此如果週期地上傳監測資料，資料產生大量冗餘，消耗了大量的節點能量。為了改善節點能量的浪費，本文提出了設定閾值觸發節點機制，從而有效延長的節點的生命週期。假設當前已測得環境變數ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）值為Ｄｉ（ｔ＋１），上一次所測該環境變數值為Ｄｉ（ｔ），測量週期為Ｔ，εｉ為預設閾值，當｜Ｄｉ（ｔ＋１）－Ｄｉ（ｔ）｜＞εｉ時，即測得某種環境變數的變化超過預設閾值εｉ時，將測得該環境變數值Ｄｉ（ｔ＋１）加入傳送幀載荷中。當遍歷ｎ個感測器，將滿足條件的環境變數測量值動態組合加入幀載荷，遍歷結束後節點傳輸資料幀。假如所有環境變數測量值未滿足條件，沒有資料加入傳送幀載荷，節點則不觸發射頻模組，不傳送資料。即根據環境變化以緊湊的方式自適應傳送變化量較大的值。其中，εｉ值和取樣間隔Ｔ可根據具體情況進行設定。

　　３．３節點工作流程

　　節點工作流程圖如圖４所示。步驟１協調器負責建立網路，完成各節點的初始化。步驟２終端節點採集溼度、溫度和雨滴資訊。步驟３判定環境變數是否超過環境閾值εｉ，如果是，則將將測量值Ｄｉ（ｔ＋１）送入傳送幀載荷；否則重新等待資料判定。步驟４判定是否遍歷所有感測器，如果是，則傳輸動態組合資料幀；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，佈置６個感測節點、２個路由節點和１個協調器節點，節點採用鋰電池供電，節點部署圖如圖５所示。同時採用標準測試儀與採集結果進行對比測試，並且對比採用低功耗感測節點和週期性採集節點進行分析。

　　４．１節點功耗測試

　　無線感測器網路中節點的功耗直接影響著整個網路的生存時間。節點的射頻消耗的能量佔節點消耗的大部分能量，因此在相同時間下，傳送的資料幀總長度與節點能耗成正比例關係。分析時間設定為２０１４年６月２６日至２０１４年７月２５日為期３０天的監測資料為參考，對比低功耗節點與週期傳送節點的發生資料幀總長度，每１２ｈ統計一次，測試結果如圖６所示。對比測試資料顯示採用離散組包演算法的低功耗節點和週期傳輸節點（２ｍｉｎ）減少了５９．４％的功耗，節能效果明顯，適合長期監測。

　　４．２網路穩定性測試

　　定時傳送１５０００個數據包，重複試驗２０次，統計週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資料包延遲對比。對比圖７、圖８顯示的效能曲線，分析計算出低功耗節點的平均丟包率為０．９５％，週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，資料包延長小且更加穩定，離散組包傳輸大大減少了資料量的冗餘。本文提出的演算法能夠明顯降低感測節點的功耗、減少資料包的時延和延長整個無線感測網路的工作時間。

　　４．３監測資料精度測試

　　測試從２０１４年６月２６日８時至２０１４年６月２７日８時為期２天的監測資料為參考，採集資料有土壤溼度和溫度２種。測試儀的資料輸出為連續曲線，週期感測節點以２ｍｉｎ為週期採集資料，低功耗節點採用自適應離散組包傳輸。圖９、圖１０為土壤溫度和溼度採集資料對比。由圖９、圖１０可見，理論測試和實際測試資料基本吻合。５結論與討論本文透過對傳統無線感測網路分析，提出了基於離散分組傳輸的節點低功耗演算法。透過實踐測試和分析可知，低功耗演算法有效地減少了節點功耗、提高傳輸資料效率並且降低了資料的冗餘量，進而延長了整個網路上生存時間，為建立長期監測網路提供了可行性和便利性。

　　參考文獻

　　［１］閆長平，馬延吉．人類產業活動對溼地環境的影響研究進展［Ｊ］．溼地科學，２０１０，（１）：９８～１０４

　　［2］王麗娟，劉玉珍．無線感測網路節點低功耗演算法改進［Ｊ］．微計算機資訊，２０１０，（１９）：１１１～１１２，５１