朱婭，徐陽，周小林，鄭立榮

綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺設(shè)計及其能耗分析

朱婭，徐陽，周小林，鄭立榮

探討綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計問題。鑒于大規(guī)模農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有涉及區(qū)域廣，傳感器數(shù)量多和能源供應(yīng)困難等問題，低能耗物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計便提上的議事日程，綠色物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計就要求降低能耗。對綠色物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計提出一種新的拓樸結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)具有傳感器層和廣域網(wǎng)接入層兩層結(jié)構(gòu)，融合了GPRS和WLAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)場景的大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并利用主從式傳感器實(shí)現(xiàn)到基站的數(shù)據(jù)傳輸。利用OMNeT++軟件，建立一個仿真平臺來實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計，并利用該仿真平臺進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)通信能耗的分析，結(jié)果證明了與單層網(wǎng)絡(luò)相比，兩層結(jié)構(gòu)降低了能耗。這個設(shè)計為為構(gòu)建實(shí)用綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)奠定了一定基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；綠色通信；分層網(wǎng)絡(luò)；通信能耗；OMNeT++軟件

章編號：1007-757X(2016)09-0067-04

0 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的號召下，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)得到了廣泛的重視。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有設(shè)計區(qū)域廣，傳感器多，而能源供應(yīng)相對不足的現(xiàn)象，因此降低網(wǎng)絡(luò)中的通信能耗成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究的熱點(diǎn)之一。

近年來，綠色通信的概念已經(jīng)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。綠色通信是指高效率、低功耗、可回收的通信方式，其具體含義即是在通信網(wǎng)絡(luò)的全生命周期內(nèi)，遵循減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環(huán)（Recycle）的3個原則[1]。隨著現(xiàn)代信息化通信在各類行業(yè)產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的逐步深入，綠色通信概念收到越來越多學(xué)者的重視。

綠色通信在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上有著特別重要意義。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)能夠?qū)⑷魏挝锲方尤氲交ヂ?lián)網(wǎng)中，進(jìn)行信息交換。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，能源供應(yīng)是急需解決的首要問題之一。不同于普通物聯(lián)網(wǎng)場景，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景需要在戶外或較惡劣環(huán)境下使用大量傳感器設(shè)備來感知周邊環(huán)境的信息。這些傳感器設(shè)備部署完成以后，就長期處于消耗能源的工作狀態(tài)，由于電網(wǎng)不可能實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng)場的覆蓋，因此能源多靠電池（含太陽能）實(shí)現(xiàn)，設(shè)備的維護(hù)和更替都很難進(jìn)行。因此，為了盡可能延長整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，并減少通信過程中的能源消耗和碳排放，是一個人們的話題，全球研究者針對節(jié)約能耗問題進(jìn)行了諸多研究。

我國現(xiàn)已成為全世界能源消耗第一大國，溫室氣體的大量排放，能源危機(jī)和氣候變暖都使得中國面臨節(jié)能減排的壓力。在電子和通信領(lǐng)域，無論是生產(chǎn)制造還是通信運(yùn)營過程中，對能源的需求都非常大。針對大規(guī)模綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)地理范圍廣，傳感器數(shù)量多，要求能量消耗低的特點(diǎn)的要求，本文提出一種分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并使用OMNeT++仿真軟件搭建物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺。通過網(wǎng)絡(luò)性能的仿真測試，結(jié)合能耗模型分析和研究網(wǎng)絡(luò)在通信過程中的能源消耗情況，從而幫助實(shí)現(xiàn)綠色物聯(lián)網(wǎng)的提前部署和規(guī)劃，并驗證分層網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能方面的效果。

1 能耗建模

在傳感器節(jié)點(diǎn)中，傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊都會消耗能量，其中，絕大多數(shù)的能量都消耗在無線通信過程中[2,3]。為了對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中的通信能耗進(jìn)行估計，本節(jié)考慮合適的能耗模型。

現(xiàn)有的研究中，按照用途將能耗模型分為3種：分析模型、仿真模型、應(yīng)用模型[4]。其中分析模型是根據(jù)物理機(jī)理的，但是參數(shù)是根據(jù)參數(shù)的測量的，準(zhǔn)確性不高，但能夠幫助理解能耗問題。仿真模型是基于仿真結(jié)果的，其中有兩個困難，首先是仿真模型與實(shí)際模型的匹配度，其次是需要大量的數(shù)據(jù)，但是一旦仿真模型比較準(zhǔn)確的話，在應(yīng)用實(shí)踐上的意義比較大。應(yīng)用模型是根據(jù)一個具體對象建立的。這種模型針對性強(qiáng)，常利用軟件方法、硬件方法和混合方法建立模型，本文下面對能耗建立的模型就是應(yīng)用型模型。本文借助OMNeT++仿真程序搭建了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景的主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)模型，因而將主要使用軟件方法對能耗進(jìn)行估算，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)能耗的定性分析。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備主要有4種工作狀態(tài)，分別為接收、發(fā)送、空閑和睡眠，每種狀態(tài)下的單位時間能耗都不同的。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理層中，記射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的平均功率為Psnd，平均接收功率為Prcv，空閑功率為Pidl，睡眠功率為Pslp。這些參數(shù)在實(shí)際場景中可以根據(jù)廠家提供的設(shè)備物理特征參數(shù)來獲得。

在每個過程中，單個bit用時分別為tsnd、trcv、tidl、tslp表示其在通信過程中的發(fā)送時間、接收時間、空閑時間和睡眠時間?？偘l(fā)送bit數(shù)為N，N可以從程序中直接獲取到。那么，對于射頻模塊的發(fā)送能耗Esnd，接收能耗Ercv，空閑能耗Eidl和睡眠能耗Eslp，則有如下關(guān)系如式（1）：

傳感器的總通信能耗，可以認(rèn)為是這四種狀態(tài)的能耗相加，通信總能耗Ecmc可以表達(dá)為式（2）：

對于設(shè)備節(jié)點(diǎn)的計算能耗，文獻(xiàn)中將其分為了設(shè)備初始化能耗Eini、設(shè)備串口讀寫操作的能耗Erw和發(fā)送接收的通信計算能耗Ecom。一般來說設(shè)備在經(jīng)過初始化過程后，在很長一段時間都續(xù)航運(yùn)行，而不會頻繁重啟，因此3種能耗中，初始化能耗遠(yuǎn)小于讀寫能耗和收發(fā)能耗。所以一般可以將初始化能耗忽略處理，設(shè)備總計算能耗Ecpt為這幾種能耗之和，表達(dá)為式（3）：

本文中對于通信總能量Ecom的計算方法不同于文獻(xiàn)中Ecmc的計算方法，而兩者在概念上是一致的。文中所優(yōu)化的能耗是通信總能量 Ecom，未對設(shè)備串口讀寫操作能耗Erw進(jìn)行優(yōu)化。

這里需要引入“原子計算”的概念[5]，它是由一組計算組成的過程，其計算過程具有完整性和獨(dú)立性，即要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。原子計算是伴隨著幀進(jìn)行的，無論是幀發(fā)送前、接收后、寫入前、讀取后，都會進(jìn)行一次原子計算。因此一般來說一個完整通信過程，包含一次串口讀寫和一次發(fā)送接收，其過程中共有4次原子計算。假設(shè)原子計算的平均功率為Patm，一次計算所需的平均用時是Tatm，則有式（4）：

其中，Mread和Mwrt表示過程中設(shè)備串口讀出和寫入的幀數(shù)，Msnd和Mrcv表示設(shè)備發(fā)送和接收的幀數(shù)。由于計算能耗隨幀進(jìn)行，因此這里的幀數(shù)M和上文中的bit數(shù)N不同，需要區(qū)別定義。

綜上，設(shè)備總計算能耗為式（5）：

在實(shí)際農(nóng)業(yè)應(yīng)用場景中，傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中還會進(jìn)行周期性地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，因此其采樣能耗也是系統(tǒng)能耗中的一部分。但由于本文搭建的仿真平臺在程序上通過傳感器節(jié)點(diǎn)周期性生成數(shù)據(jù)，來模擬傳感器的采樣，因此本文中估計能耗時將忽略傳感器的采樣能耗。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和模塊實(shí)現(xiàn)

一般意義上的物聯(lián)網(wǎng)的拓樸為7層，呈串接狀態(tài)，分別為應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中，應(yīng)用層負(fù)責(zé)與其他計算機(jī)進(jìn)行通信；表示層用于定義數(shù)據(jù)格式并對其進(jìn)行加密；會話層定義了會話建立和結(jié)束的過程，同時也包括對于多個雙向消息的控制；傳輸層負(fù)責(zé)選擇是否使用差錯恢復(fù)協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層定義了端到端數(shù)據(jù)包的傳輸；數(shù)據(jù)鏈路層定義了單個鏈路上傳輸數(shù)據(jù)的方法；而物理層則是規(guī)范了傳輸介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋面積廣袤，本文采用[6]提出的一種雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 主從式異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型

網(wǎng)絡(luò)具有二維結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備的作用，縱向?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)分成傳感器網(wǎng)絡(luò)層和廣域網(wǎng)接入層。傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)應(yīng)用，廣域網(wǎng)接入層則是提供了數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送到服務(wù)器的通道。我們稱這種結(jié)構(gòu)為主從結(jié)構(gòu)。下層的傳感器網(wǎng)絡(luò)相互可以通訊，然后集中數(shù)據(jù)信息才傳送到上層——廣域網(wǎng)接入層，這一層又根據(jù)功能分為傳輸層和綜合應(yīng)用層，綜合應(yīng)用層對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，給出決策。這種分層能夠有效的將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)按照地理位置分割成不同的子網(wǎng)。

另一個維度是對根據(jù)應(yīng)用場景的實(shí)際需求，對7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了簡化，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議整合為4層，橫向分別是應(yīng)用層、協(xié)議轉(zhuǎn)換層、鏈路層和物理層。其中鏈路層還包括了邏輯鏈路控制子層和媒體接入控制子層。而在程序?qū)崿F(xiàn)中，鏈路層和物理層合并到一個模塊中，作為兩個子模塊來定義。圖1顯示了本文中2層物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和4層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

根據(jù)這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作者開發(fā)了一個仿真平臺。在這個仿真平臺中，2層物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的傳感器層對應(yīng)傳感器，廣域網(wǎng)接入層對應(yīng)主節(jié)點(diǎn)和基站服務(wù)器，如圖2所示：

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、基站程序框圖

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層是傳感器，程序框圖如圖2（a）所示。傳感器應(yīng)用層用于周期性產(chǎn)生數(shù)據(jù)，模擬傳感器采集數(shù)據(jù)的過程。協(xié)議轉(zhuǎn)換層將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠傳輸?shù)母袷?，并通過WLAN模塊傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)。

主節(jié)點(diǎn)在雙層網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵作用，它既在傳感器網(wǎng)絡(luò)接收來自眾多傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，又作為網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)接入到廣域網(wǎng)服務(wù)器中。程序?qū)崿F(xiàn)中，本文還加入了消息分揀器模塊，以實(shí)現(xiàn)使用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。主節(jié)點(diǎn)的程序框圖如圖2（b）所示。

對于使用不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基站也進(jìn)行了分別定義，如圖2（c）所示。程序中的每個設(shè)備都包含移動管理模塊和通知板模塊。其中移動管理模塊的作用是更新各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息，并作為一個獨(dú)立設(shè)備的標(biāo)識。通知板模塊的作用相當(dāng)于一個事件提示器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生某些特定事件時，該模塊將激活與其相關(guān)的模塊。

本文在程序中使用信道管理模塊來實(shí)現(xiàn)上述模塊的通信。信道管理模塊計算出網(wǎng)絡(luò)中有效的發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)，所有設(shè)備發(fā)出的消息都交給該模塊進(jìn)行統(tǒng)一處理，其單獨(dú)占用的鏈路由一個連接來表示，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)消息在無線信道中的傳播。

3 仿真分析

用 OMNeT++ 搭建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺，根據(jù)應(yīng)用場景設(shè)定參數(shù)進(jìn)行仿真，分析網(wǎng)絡(luò)能耗情況。同時，通過比較本文提出的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和單層傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗情況來驗證雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的節(jié)能意義。

應(yīng)用場景設(shè)定為長300米，寬100米的農(nóng)業(yè)大田環(huán)境，在場景中，基站位置是已經(jīng)給定的，而主節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)分布在場地中，以模擬實(shí)際農(nóng)業(yè)場景中的分布情況。場景參數(shù)配置如表1所示：

表1 場景參數(shù)配置

當(dāng)場景中有不同數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)時，單幀報文在通信過程中所消耗的能量。這里共使用了4條數(shù)據(jù)信道，每個傳感器產(chǎn)生報文長度為2k的數(shù)據(jù)來模擬采集到的信息。圖3中“△”符號標(biāo)注的為包含不同數(shù)量傳感器節(jié)點(diǎn)的單層物聯(lián)網(wǎng)的能耗曲線，而“o”標(biāo)注的則為本文所用的雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)同一個場景中，傳感器數(shù)量不斷增加時，兩種網(wǎng)絡(luò)單幀信息通信時的能量消耗都在不斷增加。對比兩條曲線可以看到，雙層網(wǎng)絡(luò)在能源消耗方面優(yōu)于單層網(wǎng)絡(luò)，平均每幀數(shù)據(jù)都能夠節(jié)省約10%的能量。

圖3 單幀報文能耗與節(jié)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系

分層網(wǎng)絡(luò)和單層網(wǎng)絡(luò)中，單幀報文能量消耗和報文長度的關(guān)系如圖4所示：

圖4 單幀報文能耗與報文長度關(guān)系

3條實(shí)線代表不同信道數(shù)量的單層傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗曲線；3條虛線則代表本文搭建的分層網(wǎng)絡(luò)的能耗曲線。圖中，網(wǎng)絡(luò)中能夠使用的信道數(shù)量越多，其平均消耗的能耗就相對較低，這是因為通信能耗與傳輸時間有很大關(guān)系。

單bit數(shù)據(jù)的能耗曲線，如圖5所示：

圖5 單bit數(shù)據(jù)能耗與報文長度關(guān)系

由于網(wǎng)絡(luò)中一些固定的能耗，當(dāng)報文長度在較短范圍內(nèi)增加時，每bit分?jǐn)偟哪芎妮^小。當(dāng)報文長度大于16k時，其單bit的通信能耗增加。同時在分層網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)信道數(shù)量比較多時，即使后期報文長度增加，其單bit傳輸?shù)哪芎囊糙呌谄椒€(wěn)。

在信道數(shù)量相同的情況下，從圖5中可以看到，分層網(wǎng)絡(luò)的能量消耗明顯小于單層傳感器網(wǎng)絡(luò)，說明這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于節(jié)能減排有著一定的作用和意義。

同時，在搭建大規(guī)模農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的部署階段，參考仿真平臺得到的能耗變化與場景中節(jié)點(diǎn)數(shù)量和報文長度的關(guān)系曲線，還能夠提前根據(jù)場景需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃，以減少網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和能量的浪費(fèi)。

4 總結(jié)

針對綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景的特別和需求，本文借助OMNeT++網(wǎng)絡(luò)仿真程序，提出并搭建了一種基于主從式傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)?，融入分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)，并建立了仿真平臺。結(jié)合現(xiàn)有的能耗建模方法和農(nóng)業(yè)場景的實(shí)際情況，本文對物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺的仿真結(jié)果進(jìn)行研究，重點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的通信能耗進(jìn)行計算和分析。分析結(jié)果顯示，本文所提出的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺不僅幫助了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在綠色通信層面的提前規(guī)劃部署，而且與作為對照組所搭建的相同傳感器數(shù)量和相同網(wǎng)絡(luò)條件的單層網(wǎng)絡(luò)做比較，驗證了分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在通信過程中能耗較低的特點(diǎn)，解決了搭建以節(jié)能減排為核心的綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時的設(shè)計問題。

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圖8 系統(tǒng)實(shí)施

3 總結(jié)

本文設(shè)計了一種用于電力變電站直流系統(tǒng)或通信基站直流系統(tǒng)的在線管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心為安裝在直流系統(tǒng)的蓄電池組在線健康管理裝置，配合后臺管理平臺及移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估，完成蓄電池的遠(yuǎn)程在線式充放電。由于采用在線工作方式，可有效避免離線充放電由于接線、人員監(jiān)管、放電負(fù)載等原因造成的設(shè)備損壞和意外事故，并可大大降低直流系統(tǒng)維護(hù)的工作量和人員成本，提高資產(chǎn)使用壽命。系統(tǒng)在變電站內(nèi)的安裝應(yīng)用，進(jìn)一步驗證了本文對系統(tǒng)設(shè)備及管理平臺的研究結(jié)果。

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（收稿日期：2016.04.26）

Design of Simulation Platform for Green Agricultural IoT and Its Energy Analysis

Zhu Ya, Xu Yang, Zhou Xiaolin, Zheng Lirong
(School of Information, Fudan University, Shanghai 200433, China)

This paper deals with the problem of design of green agricultural Internet of Things IoT. The large-scale agricultural IoT holds the features of wide area, a great amount of sensors and lack of power support. The key point of green agricultural IoT is to reduce the power consumption. This paper presents a new topological structure for the green agricultural IoT which has two layers, of sensor layer and LAN access layer, combines GPRS and WLAN network protocols to realize a wide coverage, and applies master-slave structure to transmit data from sensor to base station. Based on OMNeT++ a simulation platform is built to illustrate the validation of the design. By analysis of simulation result, the two-layer network decreases the power consumption, and provides a foundation for the establish of real green agricultural IoT.

Agricultural Internet of Things; Green Communication; Hierarchy Network; Master-slave Sensor Network; Communication Energy Consumption; OMNeT++

TN 92

A

2016.06.13）

國家科技支撐計劃項目（2015BAD17B00）； 國家自然科學(xué)基金項目（61571135）

朱 婭（1991-），女，復(fù)旦大學(xué)，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，無線通信等，上海 200433徐 陽（1990-），女，復(fù)旦大學(xué)，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，無線定位等，上海 200433周小林（1973-），男，復(fù)旦大學(xué)，副教授，博士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，F(xiàn)SO，迭代接收機(jī)等，上海 200433鄭立榮（1969-），男，復(fù)旦大學(xué)，教授，博士，研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計，上海 200433