杜永文，練云翔，朱曉陽(yáng)

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)［1］作為計(jì)算、通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有強(qiáng)大的感知能力、計(jì)算能力和通信能力。將先進(jìn)的科技手段融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，這已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然發(fā)展趨勢(shì)。利用WSNs 技術(shù)進(jìn)行信息采集與管理［2～4］，是目前農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上的WSNs 是一種特定的WSNs，這種特定的WSNs 不同于隨機(jī)分布WSNs，它通常部署在可以觸及的區(qū)域，在固定位置上人工部署傳感器節(jié)點(diǎn)［5］。它采用固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)形成特定的路由，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)特定的路由把感知的數(shù)據(jù)收集起來(lái)。針對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了特定WSNs 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由、傳感器節(jié)點(diǎn)、控制端和農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的控制策略。為解決因節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的路由鏈路中斷問(wèn)題，研究了特定WSNs 的路由恢復(fù)算法。這種特定WSNs 的路由恢復(fù)算法使用Tiny-OS［6，7］系統(tǒng)的仿真器TOSSIM［8］進(jìn)行了仿真。對(duì)這種路由恢復(fù)算法和動(dòng)態(tài)源路由(dynamic source routing，DSR)協(xié)議［9，10］的仿真結(jié)果表明:這種路由恢復(fù)算法可以實(shí)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)損壞的情況下自動(dòng)恢復(fù)路由，而且與具有同樣路由恢復(fù)功能的DSR 協(xié)議相比傳輸?shù)陌?，可以有效降低?jié)點(diǎn)能耗。

1 總體設(shè)計(jì)

基于WSNs 的灌溉系統(tǒng)包括WSNs、控制端和灌溉系統(tǒng)等三個(gè)部分組成。WSNs 由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。

2 WSNs 設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

如圖1，傳感器節(jié)點(diǎn)由CC2530 無(wú)線控制器、電池、JWSL—6空氣溫濕度傳感器、GY—2561 光強(qiáng)傳感器、YL—69 土壤濕度傳感器構(gòu)成。

CC2530 無(wú)線控制器內(nèi)包含性能優(yōu)良的低功耗8051 微控制器內(nèi)核、適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器和A/D 轉(zhuǎn)換器。JWSL—6 空氣溫濕度傳感器用來(lái)測(cè)量空氣中的溫度和濕度。GY—2561 光強(qiáng)傳感器用來(lái)感知光照強(qiáng)度。YL—69 土壤濕度傳感器負(fù)責(zé)感知土壤濕度，通過(guò)模擬信號(hào)輸出土壤濕度的精確值。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖Fig 1 Design diagram of sensor node

2.2 WSNs 的部署和拓?fù)湓O(shè)計(jì)

為了覆蓋整個(gè)灌溉區(qū)域，并減少重復(fù)覆蓋的情況，傳感器節(jié)點(diǎn)使用人工放置的方式覆蓋灌溉區(qū)域。如圖2，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署在灌溉區(qū)域，每4 個(gè)感知節(jié)點(diǎn)劃分為一簇，簇的中心位置放置路由節(jié)點(diǎn)。

圖2 部署和拓?fù)鋱DFig 2 Deployment and topology diagram

2.3 WSNs 的路由設(shè)計(jì)

由于路由節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑比路由節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離小得多，所以，必須通過(guò)多跳的方式把環(huán)境信息傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。如圖3，路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)好的路由把環(huán)境信息傳輸給下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，這樣傳輸下去直到環(huán)境信息到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)為止。

圖3 路由設(shè)計(jì)圖Fig 3 Routing design diagram

2.4 WSNs 的路由恢復(fù)算法

2.4.1 路由節(jié)點(diǎn)的路由表設(shè)計(jì)

每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)維護(hù)著一個(gè)路由表，它記錄了本路由節(jié)點(diǎn)所在路由中的上一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)地址、下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)地址和下下個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的地址。

2.4.2 路由恢復(fù)算法的研究

為了解決路由節(jié)點(diǎn)損壞后路由中斷的問(wèn)題，提出了異常節(jié)點(diǎn)路由恢復(fù)(faulty node routing recovery，F(xiàn)NRR)算法。FNRR 算法運(yùn)行在每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)中，它可以在一個(gè)已建立路由的WSNs 中恢復(fù)損壞的路由。在WSNs 部署后，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)都保存了下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的地址。

當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到上一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后會(huì)保存上一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的地址，接著會(huì)回復(fù)上一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)一個(gè)回復(fù)包，回復(fù)包中包含下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的地址信息，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到周?chē)鷤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后，會(huì)傳輸數(shù)據(jù)給下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，并等待下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)返回的回復(fù)包。如果收到回復(fù)包，就把包內(nèi)的下下個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的地址保存。如果等待一段時(shí)間沒(méi)有接收到回復(fù)包，就重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到第三次沒(méi)有收到回復(fù)包時(shí)，就把路由表中的下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)地址位置的內(nèi)容修改為下下個(gè)路由節(jié)點(diǎn)地址位置的值，然后清空路由表的下下個(gè)路由節(jié)點(diǎn)地址位置的內(nèi)容。

FNRR 算法描述表述如下:

定時(shí)發(fā)送線程

{ if(此節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)而不是匯聚節(jié)點(diǎn))

{ if(累計(jì)沒(méi)有收到回復(fù)包的計(jì)數(shù)＜3)

{ 累計(jì)沒(méi)有收到回復(fù)包的計(jì)數(shù)加1;

}

else

{ 路由表的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址位置存放路由表的下下個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址;

路由表的下下個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址位置清空;

累計(jì)沒(méi)有收到回復(fù)包的計(jì)數(shù)清零;

}

}

發(fā)送包給下一個(gè)節(jié)點(diǎn);

}

接收數(shù)據(jù)線程

{ if(包的類(lèi)型是發(fā)送包)

{ 包的源地址保存在路由表的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址位置中;

向上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送回復(fù)包，回復(fù)包包含了下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址;

}

else if(包的類(lèi)型是回復(fù)包)

{ 把下下個(gè)節(jié)點(diǎn)地址保存在路由表的下下個(gè)節(jié)點(diǎn)地址位置中;

累計(jì)沒(méi)有收到回復(fù)包的計(jì)數(shù)清零;

}

}

如圖4，當(dāng)有路由節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)上的FNRR 算法會(huì)讓路由節(jié)點(diǎn)不再與下一個(gè)損壞的路由節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，而是與損壞的路由節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

圖4 路由恢復(fù)示意圖Fig 4 Diagram of routing recovery

3 控制端設(shè)計(jì)

3.1 控制端硬件設(shè)計(jì)

如圖5，控制端由CC2530 無(wú)線控制器、S3C2440 處理器、驅(qū)動(dòng)電路、觸摸屏、電源組成?？刂贫说奶幚砥鞑捎萌枪镜腟3C2440 處理器?？刂贫说臒o(wú)線數(shù)據(jù)接收和發(fā)送使用CC2530 無(wú)線控制器上的RF 收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。觸摸屏采用帶觸摸屏接口的4.3 寸LCD/STN 液晶屏。

圖5 控制端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Hardware structure diagram of controller end

3.2 控制端軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制端軟件環(huán)境

控制端上安裝內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux—2.6.30.4 的嵌入式Linux 系統(tǒng)。在嵌入式Linux 系統(tǒng)中安裝了Qtopia 軟件平臺(tái)，可以運(yùn)行QT 圖形界面程序。使用者可以通過(guò)觸摸屏操作軟件，用觸屏的方式進(jìn)行人機(jī)交互。

3.2.2 控制端軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)控制端軟件在控制端的觸摸屏上顯示感知區(qū)域的環(huán)境情況、路由節(jié)點(diǎn)的工作情況等?？刂贫塑浖?huì)把這些信息保存在控制端的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。控制端軟件會(huì)根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)和灌溉策略自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。

3.2.3 灌溉策略

當(dāng)控制端發(fā)現(xiàn)灌溉區(qū)域的土壤濕度低于設(shè)定的閾值時(shí)開(kāi)啟灌溉系統(tǒng)。當(dāng)土壤濕度高于設(shè)定的閾值時(shí)或當(dāng)光強(qiáng)度弱、空氣溫度低、空氣濕度高時(shí)關(guān)閉或不啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

4 仿真結(jié)果與分析

本論文提出的FNRR 算法為了與DSR 進(jìn)行對(duì)比，對(duì)WSNs 的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了仿真。仿真采用的是TinyOS 操作系統(tǒng)上的仿真器TOSSIM。TinyOS 是針對(duì)WSNs 開(kāi)發(fā)的一套操作系統(tǒng)。TOSSIM 是TinyOS 操作系統(tǒng)上的仿真器，它可以模擬傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行nesC 程序。

仿真過(guò)程:將FNRR 算法寫(xiě)入路由節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)4，6，8，10 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的WSNs 進(jìn)行仿真。每次仿真都讓一個(gè)節(jié)點(diǎn)停止通信，然后讓剩余節(jié)點(diǎn)通過(guò)算法恢復(fù)路由。用DSR 協(xié)議也在4，6，8，10 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的WSNs 中進(jìn)行同樣的仿真，然后在從建立路由到恢復(fù)路由的過(guò)程中對(duì)這兩種算法傳輸?shù)陌鼣?shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6 所示。

圖6 包數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖Fig 6 Statistical graph of packages number

從仿真結(jié)果中可以看出:在WSNs 中使用FNRR 算法可以在路由節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)讓其他路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新的路由繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，保持WSNs 的正常工作，并且FNRR 算法在通信使用的包數(shù)量上比DSR 算法更少，這樣節(jié)省了通信消耗的能量。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了特定WSNs 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由、傳感器節(jié)點(diǎn)、控制端和農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的控制策略。提出了一種特定WSNs 的路由恢復(fù)算法，并對(duì)這種路由恢復(fù)算法進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明:這種路由恢復(fù)算法傳輸?shù)陌鼣?shù)量比動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議更少，可以有效降低節(jié)點(diǎn)的能耗。

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