WSN的低功耗湿地土壤监测系统设计

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摘要：针对扎龙自然保护区的土壤环境监测需求，采用CC2530PA模块设计终端节点，基于Z－Stack协议栈搭建自组织传感网络，传感器选取土壤湿度传感器、温度传感器以及雨滴传感器，组建低功耗湿地土壤监测系统。系统结合低功耗路由协议和实际环境监测需求提出采集发送端低功耗节点设计的改进算法，有效地减少节点的功耗、传输延迟和丢包率，从而延长整个网络生存时间。

关键词：自组织网络；无线传感网络；CC2530；低功耗

0引言

扎龙自然保护区是同纬度地区最原始、物种最丰富的湿地自然综合体。湿地内有大面积的沼泽和草甸，苇丛茂密、鱼虾众多，是水禽理想的栖息地。近年来由于人类活动的增多，对其环境有不同程度的破坏和污染。土壤参数作为生态环境的重要的指标之一［1］，可预警环境的前期污染，因此拟采用现代化的监测方法，针对扎龙湿地的重点区域实现土壤参数的监测。无线传感技术对比传统土壤监测手段具有低功耗、体积小、自组网等优势，是现代化监测土壤环境的最佳手段［2］。本文将无线传感网络的技术应用于扎龙自然保护区的土壤监测中，并采用低功耗的路由算法［3－5］搭建高效且节能的传感网络监测平台。

1体系结构及工作原理

土壤环境监测系统由终端采集节点、路由节点、协调器节点和上位机软件组成，系统结构如图1所示。终端采集和路由节点采用CC2530F256组成控制器、CC2591（PA）功率放大器组成收发器，结合土壤湿度、温度和雨滴检测传感设备进行数据的采集、处理、存储，最终协调器通过串口RS485上传至PC上位机终端。数据的解析、存储和曲线绘制等均在上位机终端上完成。上位机设计采用Labview实现对无线传感网络的控制及数据接收。

2系统硬件设计

结合扎龙湿地土壤环境监测要求和传感器功耗、成本、测量范围及精度考虑，选取了土壤湿度传感器YL—69、温度传感器18B20以及雨滴传感器。系统基于CC2530PA模块（尺寸3．6cm×2．7cm；标准SMA天线接口（2．4G天线）；PA使用CC2591，全官方设计，完全兼容最新版协议栈，支持睡眠；可靠距离＞800m，自动重连距离达＞600m）。因此在400m区域内只需一个传感节点即可满足监测要求。终端节点主要负责采集监控区域的土壤环境信息和模数转换。系统硬件功能如图2所示，主要由MCU、传感采集模块、A／D转换、信号调理电路、无线通信模块和电源模块等组成。综合考虑功耗、测量范围、测量精度和成本等问题，最终选择土壤湿度、温度和雨滴传感器，电源模块在采集节点和路由节点上使用锂电池，协调器则使用交流电源供电。

3低功耗节点软件设计

由于终端采集节点采用锂电池供电，随着电量的消耗殆尽节点也会随之失效，直接影响和决定着整个监测系统的生存时间。因此节点的低功耗路由算法显得至关重要。

3．1基于离散组包传输的软件设计

节点的低功耗设计已经得到广泛认可，本系统结合低功耗路由协议和扎龙湿地实际土壤环境监测要求提出了采集发送端低功耗节点设计的改进算法。在实际监测中，考虑到采集的一个或多个环境参数的变化可能是土壤环境受到污染的可能性增加，所以需要对这些数据组包发送。本文结合低功耗路由算法和需要采集的参数提出了离散组包传输设计来降低采集节点端的能耗。由于环境的采集对数据的实时性要求不高，并且采集数据变化缓慢，此方法可以有效的减少数据的冗余，从而降低能耗。

3．2基于离散组包传输的软件设计

传感器节点集成有土壤温度、土壤湿度和雨滴传感器，且节点同时采集3个参数。由于环境参数的变化缓慢，所以测量值的波动变化比较平缓，因此如果周期地上传监测数据，数据产生大量冗余，消耗了大量的节点能量。为了改善节点能量的浪费，本文提出了设置阈值触发节点机制，从而有效延长的节点的生命周期。假设当前已测得环境变量i（i＝1，2，3，…，n）值为Di（t＋1），上一次所测该环境变量值为Di（t），测量周期为T，εi为预设阈值，当｜Di（t＋1）－Di（t）｜＞εi时，即测得某种环境变量的变化超过预设阈值εi时，将测得该环境变量值Di（t＋1）加入发送帧载荷中。当遍历n个传感器，将满足条件的环境变量测量值动态组合加入帧载荷，遍历结束后节点传输数据帧。假如所有环境变量测量值未满足条件，没有数据加入发送帧载荷，节点则不触发射频模块，不发送数据。即根据环境变化以紧凑的方式自适应发送变化量较大的值。其中，εi值和采样间隔T可根据具体情况进行设置。

3．3节点工作流程

节点工作流程图如图4所示。步骤1协调器负责建立网络，完成各节点的初始化。步骤2终端节点采集湿度、温度和雨滴信息。步骤3判定环境变量是否超过环境阈值εi，如果是，则将将测量值Di（t＋1）送入发送帧载荷；否则重新等待数据判定。步骤4判定是否遍历所有传感器，如果是，则传输动态组合数据帧；如果否，则继续执行步骤。

4测试结果与分析

测试地点选取扎龙自然保护区，测区长1200m、宽400m，布置6个传感节点、2个路由节点和1个协调器节点，节点采用锂电池供电，节点部署图如图5所示。同时采用标准测试仪与采集结果进行对比测试，并且对比采用低功耗传感节点和周期性采集节点进行分析。

4．1节点功耗测试

无线传感器网络中节点的功耗直接影响着整个网络的生存时间。节点的射频消耗的能量占节点消耗的大部分能量，因此在相同时间下，发送的数据帧总长度与节点能耗成正比例关系。分析时间设定为2014年6月26日至2014年7月25日为期30天的监测数据为参考，对比低功耗节点与周期发送节点的发生数据帧总长度，每12h统计一次，测试结果如图6所示。对比测试数据显示采用离散组包算法的低功耗节点和周期传输节点（2min）减少了59．4％的功耗，节能效果明显，适合长期监测。

4．2网络稳定性测试

定时发送15000个数据包，重复试验20次，统计周期传输与低功耗节点的丢包率。图7、图8分别为丢包率测试和数据包延迟对比。对比图7、图8显示的性能曲线，分析计算出低功耗节点的平均丢包率为0．95％，周期传输节点的丢包率为2．8％。比较得出低功耗节点传输丢包率低，数据包延长小且更加稳定，离散组包传输大大减少了数据量的冗余。本文提出的算法能够明显降低传感节点的功耗、减少数据包的时延和延长整个无线传感网络的工作时间。

4．3监测数据精度测试

测试从2014年6月26日8时至2014年6月27日8时为期2天的监测数据为参考，采集数据有土壤湿度和温度2种。测试仪的数据输出为连续曲线，周期传感节点以2min为周期采集数据，低功耗节点采用自适应离散组包传输。图9、图10为土壤温度和湿度采集数据对比。由图9、图10可见，理论测试和实际测试数据基本吻合。5结论与讨论本文通过对传统无线传感网络分析，提出了基于离散分组传输的节点低功耗算法。通过实践测试和分析可知，低功耗算法有效地减少了节点功耗、提高传输数据效率并且降低了数据的冗余量，进而延长了整个网络上生存时间，为建立长期监测网络提供了可行性和便利性。

参考文献

［1］闫长平，马延吉．人类产业活动对湿地环境的影响研究进展［J］．湿地科学，2010，（1）：98～104

［2］王丽娟，刘玉珍．无线传感网络节点低功耗算法改进［J］．微计算机信息，2010，（19）：111～112，51

作者：苗凤娟 吴凌斌 陶佰睿 孙艳梅 单位：齐齐哈尔大学通信与电子工程学院