繆祎晟，吳華瑞＋，朱華吉，李飛飛

（1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097）

0 引 言

“精準農(nóng)業(yè) （precision agriculture）”技術(shù)的核心是指利用信息技術(shù)精確獲農(nóng)田的濕度、溫度、肥料、病蟲害等數(shù)據(jù)信息，以有效地監(jiān)控農(nóng)作物的生產(chǎn)管理過程，從而實現(xiàn)科學化、精細化種植，最終達到低投入高產(chǎn)出的目的［1］。遙感系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)主要側(cè)重于大尺度、宏觀上的測量監(jiān)測，而在農(nóng)業(yè)信息化的最后一公里上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （wireless sensor network，WSN）則是精準農(nóng)業(yè)在小尺度下的典型技術(shù)應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有感知、有限計算和通信能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量眾多，結(jié)合自我感知、低功耗、多跳通信、自組網(wǎng)等優(yōu)勢特點，是十分理想的環(huán)境實時感知、監(jiān)測與數(shù)據(jù)通信的技術(shù)手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)等先進技術(shù)的融合與發(fā)展，在多個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型特點是資源受限，在無人值守的大區(qū)域內(nèi)充電或更換電池的不可行性，當某節(jié)點能量耗盡而成為失效節(jié)點，有可能造成某條路徑的失效影響網(wǎng)絡(luò)性能，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗技術(shù)一直是研究的重點。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用的是電池供電，而面向大規(guī)模農(nóng)田復(fù)雜環(huán)境，能量有限的電池無法支持足夠長的時間。大面積農(nóng)田監(jiān)測傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，人工更換電池周期長、工作量大，一旦節(jié)點電池能量耗盡，網(wǎng)絡(luò)性能和覆蓋范圍將受到很大影響。網(wǎng)絡(luò)整體能量過快消耗和網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點能耗不均是造成網(wǎng)絡(luò)失效的主要原因。農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生境監(jiān)測系統(tǒng)中的部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于承擔較多采集、轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，造成節(jié)點能量迅速殆盡以至節(jié)點失效，而使網(wǎng)絡(luò)的連通性及覆蓋范圍遭受破壞，進一步對相連網(wǎng)絡(luò)局部的正常工作造成影響，損壞系統(tǒng)監(jiān)測功能。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗控制研究將對其應(yīng)用的可持續(xù)性產(chǎn)生決定性作用。

以往無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的研究多集中在能量效率的MAC協(xié)議［2－6］和網(wǎng)絡(luò)拓撲［7］方面，但這些大都是傳統(tǒng)的Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的改進，目的是為了找出最短多跳路徑，減少在數(shù)據(jù)傳輸中的能量浪費。層次化網(wǎng)絡(luò)拓撲是利用分簇機制，以隨機方式或按一定權(quán)重選擇一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點組成處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，同時根據(jù)能量權(quán)重進行網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)調(diào)整，具有較高剩余能量的節(jié)點將擁有更多的機會成為簇頭，從而使網(wǎng)絡(luò)能耗分布更加均勻，以延長網(wǎng)絡(luò)的總體生存時間。這些研究都是從網(wǎng)絡(luò)總體層面減少浪費和平均能耗的角度出發(fā)，并沒有從節(jié)點本身的能耗控制入手，目前節(jié)點能耗控制的主要手段只有通過簡單的周期性偵聽和節(jié)點睡眠減少節(jié)點能耗［8］，并沒有從節(jié)點軟硬件設(shè)計上深入挖掘節(jié)點自身的低功耗潛力。

本文針對精準農(nóng)業(yè)中農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測場景的具體需要，以簇首輪換機制網(wǎng)絡(luò)模型為整體背景，重點研究節(jié)點自身低功耗手段，按能耗狀態(tài)權(quán)重不同形成不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制，提出能耗狀態(tài)機模型，進一步降低節(jié)點能耗，從根本上提高節(jié)點的能量使用效率，延長整體監(jiān)測系統(tǒng)的生存周期，滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測長時間穩(wěn)定的運行需求。

1 簇首輪換模型及問題描述

分簇路由協(xié)議的特點是按一定規(guī)則將傳感器節(jié)點分成不同的簇，簇內(nèi)成員節(jié)點將收集的監(jiān)控信息都上傳給簇首，簇首通過數(shù)據(jù)融合減少傳輸信息量，最后由簇首把處理后的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。很顯然，簇首的處理與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠大于其它簇內(nèi)節(jié)點，所以其能耗也遠高于其它節(jié)點，為解決簇首節(jié)點能耗過大的問題，提出了由簇首由簇內(nèi)節(jié)點輪流承擔，即簇首輪換機制。LEACH 作為經(jīng)典的分簇路由協(xié)議按完全隨機的方式選擇簇首，但沒有考慮節(jié)點能量這一重要因素，在長時間運行過程中，較易造成網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點能耗不均衡，某些節(jié)點能量迅速消耗、失效并最終影響網(wǎng)絡(luò)的整體壽命?；诖氐臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲模型如圖1所示。

圖1 基于簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲

文獻 ［1］中提出的CHCS （cluster head cycle－switching）簇首輪換算法在選舉簇首時，加入節(jié)點能量信息權(quán)重，使得最高能量節(jié)點成為簇首，最終達到各節(jié)點間能量消耗均衡分布，延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。在CHCS 算法中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作狀態(tài)被分為4種，其中Active狀態(tài)是網(wǎng)絡(luò)的工作階段，所有節(jié)點同時處于工作狀態(tài)，其間所有節(jié)點自發(fā)向簇首節(jié)點上傳數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)量大，碰撞沖突的可能性大，通信持續(xù)時間長，消耗的能量也大。因沒有對各節(jié)點不區(qū)分對待，引起傳輸信道一直被沖突占用，導(dǎo)致大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時長時監(jiān)聽信道，造成節(jié)點能量浪費。為解決此問題，本文找出問題的關(guān)鍵，從區(qū)分節(jié)點角色與任務(wù)入手，以節(jié)點剩余能量確定節(jié)點在此輪數(shù)據(jù)通信中的權(quán)重，節(jié)點按不同權(quán)重安排采集與上傳的優(yōu)先順序。本文同時還從單一節(jié)點自身狀態(tài)轉(zhuǎn)換角度出發(fā)，按能耗權(quán)重不同對各模塊之間的工作狀態(tài)進行調(diào)度優(yōu)化，減少或避免多個模塊同時工作的情況，降低節(jié)點自身能耗，從根本上延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

2 節(jié)點硬件體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點整體架構(gòu)如圖2所示，按功能不同主要可分為4個功能模塊：傳感器與接口模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源供給與管理單元模塊。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點架構(gòu)

傳感器模塊與接口適配電路負責環(huán)境變量信息的感知采集、轉(zhuǎn)換，對不同接口電路間的電平適配連接；處理器模塊負責對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理、存儲、傳輸并負責對其它模塊的工作狀態(tài)進行控制與管理；無線通信模塊將負責節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接建立、數(shù)據(jù)收發(fā)；電源供給與管理單元模塊包括提供能量存儲的電池和電壓轉(zhuǎn)換及管理的供電電路，為各模塊提供能量。

就系統(tǒng)能耗的角度而言，傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊是節(jié)點的主要耗能模塊，傳感器選型時避免選擇高能耗傳感器，可將傳感器模塊在節(jié)點中的能耗降到最低；無線通信消耗了節(jié)點的大部分能量，單位信息處理與傳輸?shù)哪芎膶Ρ瓤蓞⒁娢墨I ［9］，因此無線傳輸是能耗優(yōu)化設(shè)計中需要主要考慮的部分。

3 能耗狀態(tài)機

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中為所有的模塊均可以轉(zhuǎn)換至休眠狀態(tài)以節(jié)約能耗，可通過處理器模塊控制節(jié)點各模塊根據(jù)不同的需要分別休眠或喚醒，在滿足監(jiān)控功能的前提下降低功耗。

本文提出一種基于簇首輪換優(yōu)化算法CHCS的節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制PCWSM （power consumption weighted state machine）。該轉(zhuǎn)換機制側(cè)重于基于能量權(quán)重的節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換，有效減少各模塊的工作時間，從而減少節(jié)點的整體能耗尤其是低能量節(jié)點的能量消耗。

首先按照CHCS算法［1］，各節(jié)點輪流向區(qū)域內(nèi)廣播能量自身狀態(tài)信息，在所有節(jié)點廣播后，節(jié)點向區(qū)域內(nèi)剩余能量期望最大的節(jié)點發(fā)送投票信息 （Vote－msg），獲得最多投票信息的節(jié)點廣播ClusterHead－msg消息，宣布成為簇首節(jié)點，接收到該消息的節(jié)點回復(fù)應(yīng)答消息加入該簇。

本文在此基礎(chǔ)上，探索可應(yīng)用于大規(guī)模農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能耗狀態(tài)機EWSM （energy－consumption weighted state machine），突出單個節(jié)點自身各功能模塊基于能耗加權(quán)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，降低低能節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽與等待時間，盡可能避免節(jié)點內(nèi)各模塊同時工作的情況，從根本上降低節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)整體能耗。

定義1 節(jié)點能量權(quán)重。根據(jù)節(jié)點接收到的Vote－msg以及簇首節(jié)點的max （Vote－msg）相除，結(jié)果進行歸一化作為其自身的能量權(quán)重Ew

根據(jù)節(jié)點能量權(quán)重不同，節(jié)點按如下規(guī)則進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

規(guī)則1：Ew＝1 即為能量權(quán)重最大，為簇首節(jié)點；Ew∈ （0.5，1），為能量優(yōu)勢節(jié)點，可充當路由節(jié)點，承擔對其它節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能；Ew∈ （0，0.5］，能量不足節(jié)點，僅作為采集節(jié)點，不承擔對其它節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。

規(guī)則2：網(wǎng)絡(luò)建立后，所有節(jié)點按不同優(yōu)先級采集、上傳數(shù)據(jù)，無子節(jié)點的路由節(jié)點首先上傳數(shù)據(jù)，隨后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，其余路由節(jié)點正常工作；所有采集節(jié)點采取先睡眠再定時喚醒上傳策略，睡眠時間為其中，Tmax為預(yù)設(shè)的最長數(shù)據(jù)上傳等待時間。

規(guī)則3：當節(jié)點轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽時，處理器模塊進入睡眠狀態(tài)，激活無線通訊模塊接受模式監(jiān)聽信道上是否有節(jié)點要進行數(shù)據(jù)上傳。

規(guī)則4：引入狀態(tài)向量表征節(jié)點各模塊的工作狀態(tài)。向量表示為 ［s，p，w，Role］，其中s代表傳感器模塊的工作狀態(tài)，p代表處理器模塊的工作狀態(tài)，w 代表無線通訊模塊的工作狀態(tài)，R 表示節(jié)點在整體網(wǎng)絡(luò)中所扮演的角色。

s／p：0－模塊休眠，1－模塊工作；

w：00－模塊休眠，01－信道監(jiān)聽，11－通訊模式，發(fā)送或接收；

Role：H－簇首節(jié)點，R－路由節(jié)點，A－采集節(jié)點，X－狀態(tài)待定。

能耗狀態(tài)機PCWSM 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3 PCWSM 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

4 能耗性能評估

仿真方案結(jié)構(gòu)及參數(shù)參照文獻 ［3］進行設(shè)置，監(jiān)測區(qū)域為100m×100m，隨機部署100個節(jié)點。用MATLAB對網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點能耗情況進行仿真評估，所有節(jié)點的初始能量值為200J。

節(jié)點在各狀態(tài)下的平均能耗及各狀態(tài)在一次上傳周期中所占的比重見表1。

從表1中可以看出，節(jié)點在不同狀態(tài)下的能耗區(qū)別，節(jié)點處理器模塊的功耗最小，工作時間也較短；傳感器模塊功耗中等，工作時間最短；無線通訊模塊的功耗最大，工作時間也最長。而且可以看到，簇首節(jié)點的工作時間幾乎占滿整個上傳周期，路由節(jié)點的工作平均時間約為簇首節(jié)點的一半，傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳時間很短，說明PCWSM 算法有效降低了低能量節(jié)點的關(guān)鍵能耗。但還應(yīng)該看到，對于傳感節(jié)點，組網(wǎng)的通信時間已大于數(shù)據(jù)上傳通信時間，即意味著對于低能量節(jié)點，算法開銷已成為其能耗的主要部分，這也是后續(xù)研究中需要解決的主要問題。根據(jù)節(jié)點各狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)，結(jié)合PCWSM 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以得到，PCWSM 算法的優(yōu)勢在于：①將能量權(quán)重相對較低的節(jié)點置于工作時間短、能量消耗少的狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑上，最大程度上避免低能量節(jié)點的等待時間，減緩其能量消耗；②有效利用各模塊的休眠機制，對模塊間進行基于能耗的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制，減少節(jié)點在等待、監(jiān)聽、工作等各狀態(tài)下的不必要能量浪費；③按照能量權(quán)重倒序安排上傳優(yōu)先級，保證低能量節(jié)點最少的能量消耗。相對傳統(tǒng)的簇首輪換機制大大減少了節(jié)點中傳感器模塊和處理器模塊的工作時間，對于采集節(jié)點還減少了對網(wǎng)絡(luò)信道的監(jiān)聽等待時間，按照能量權(quán)重進行上傳時間點的順序安排，基本上避免了節(jié)點共同搶占網(wǎng)絡(luò)信道資源，提高了簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸效率。通過以上幾個方面，PCWSM 通過多種有效方式明顯降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗。在同樣的初始狀態(tài)下，PCWSM 和CHCS算法節(jié)點平均能量的變化趨勢對比如圖4所示。

表1 節(jié)點各狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)

圖4 節(jié)點平均能量變化對比

從圖4中可以直觀地看出，采用PCWSM 機制的總體網(wǎng)絡(luò)壽命大約為單純使用CHCS的兩倍。這是因為CHCS算法在優(yōu)化過程中將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點視為一個整體，只有休眠和工作兩種狀態(tài)，在工作狀態(tài)下認為節(jié)點各部分均正常工作，功耗為節(jié)點最大功耗，能量浪費巨大。引入能耗狀態(tài)機PCWSM 后，節(jié)點各模塊根據(jù)當前節(jié)點能量權(quán)重的不同按預(yù)定規(guī)則進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使得任一時刻均有一個或多個模塊處于休眠狀態(tài)，從而使節(jié)點能耗大大降低。

此外從表1中節(jié)點各狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于作為傳感節(jié)點的低能量節(jié)點數(shù)據(jù)上傳時間很短，PCWSM 有效減少了低能量節(jié)點的監(jiān)聽等待時間。但同時可以看出，對于低能量節(jié)點，簇形成階段的算法通信開銷已成為主要能耗部分，下一步需要深入研究的重點即在于，減少節(jié)點算法中對其它節(jié)點狀態(tài)的需求，降低成簇階段的網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通信數(shù)量與時長，進一步降低網(wǎng)絡(luò)功耗。

5 結(jié)束語

在農(nóng)業(yè)大田的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如何根據(jù)節(jié)點能量權(quán)重調(diào)整節(jié)點工作狀態(tài)是有待進一步研究的重點。本文在基于CHCS簇首輪換算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源容量有限這一典型約束，結(jié)合農(nóng)田應(yīng)用中傳感器節(jié)點無需不間斷采集數(shù)據(jù)的實際情況，提出一種基于功耗感知的狀態(tài)機轉(zhuǎn)換機制PCWSM，按照節(jié)點不同的能量權(quán)重，由處理器模塊控制節(jié)點各部分進行對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從降低節(jié)點自身的功耗角度從根本上降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗，并優(yōu)先保證能量相對不足節(jié)點的低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

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