森林生境因子無線傳感器網絡采集系統

李 丹，孫利新，戴 巍，王霓虹

(1.東北林業大學信息與計算機工程學院，150040哈爾濱;2.哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院，150001哈爾濱)

近年來，隨著電子信息技術的提高，嵌入式技術得到了飛速發展.由于嵌入式微處理器具有體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等優點，其應用已深入到工業、林業、農業、科研等多種領域.隨著嵌入式技術的不斷進步和“數字林業”概念的提出，逐漸將嵌入式技術應用于林業生產，推動著林業生產信息化的進程，加快了現代化林業技術的發展［1-2］.

在森林生境因子采集過程中對精確、快速、自動的測量技術的需求越來越高，而傳統的林業測量方式大多采用手工測量或是有線傳輸測量方式，林木生長環境地域廣闊、地形復雜，不具備現場布置大量的導線或電纜的實際條件，并且在線路上的傳輸信號會受到電磁干擾，造成較大的衰減，從而影響了測量數據的精度，導致了測量誤差.在此背景下急需研究低成本的林木生長環境信息采集傳感器和高可靠性的環境信息無線測控終端，并在此基礎上研究開發森林生境因子自動采集系統，以便及時地了解森林生長環境狀況，為林木的撫育提供可靠的數據支持，為森林撫育以及經營管理提供決策支持.

系統將最新的嵌入式技術與無線傳感器網絡技術相結合，采用無線射頻芯片nRF905和低功耗嵌入式芯片LPC2148，可以實現低成本、高效率地完成數據的采集和無線傳輸，通過設計以電池供電方式的生境因子采集電路，實現了整個檢測過程的無線化、自動化和可視化.

1 系統總體結構

系統是將由匯聚節點、路由傳輸節點和傳感器采集節點組成的森林生境因子無線測控終端分布在森林監測區域，構成森林生境因子采集系統，通過實時采集森林環境信息，傳輸到系統監測中心平臺，實時監測森林環境因子的變化，其系統結構如圖1所示.其中，在指定的森林監測區域隨機地分布大量的數據采集傳感器節點，這些節點能夠隨時通過自組網的方式構成監測網絡，并采用多跳方式將采集到的數據沿著相鄰的節點進行傳輸.在傳輸過程中，傳感器節點所采集的數據將被其他傳輸節點處理，并傳送至最近的負責多點接收的匯聚節點，然后通過RS232串口通信將采集數據送給本地監測中心的 PC機［3-4］，將采集數據入庫.本地監測中心對接收的數據進行分析、處理和存儲，并通過WebGIS將采集數據統一發布，以實現隨時隨地通過Internet網絡對生境因子進行實時監測.

圖1 系統總體結構

2 監測傳感器網絡節點硬件設計

2.1 系統硬件結構

森林生境因子無線測控終端主要由傳感器終端節點、路由傳輸節點、匯聚節點3個部分組成.為了系統穩定性與集成性，路由傳輸節點與傳感器終端節點采用集成式設計，封裝同一集成電路中，匯聚節點與本地監測中心的PC機相連，傳感器節點由微處理器、串口通信模塊、無線通信模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊和系統電源模塊組成.每個終端節點通過自組網方式將采集的森林環境信息發送至匯聚節點，再由匯聚節點傳輸至本地監測中心，實現對森林溫度、森林濕度和森林光照強度的采集監測.系統的采集終端節點硬件結構如圖2所示，由于系統工作在野外環境，所以使用前通過防護箱對節點進行封裝，節點實物和封裝如圖3所示.

圖2 系統硬件結構框圖

圖3 節點實物與節點電路封裝圖

2.2 傳感器模塊

光照強度采集模塊采用的主要元件是BH1750FVI.BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的16位數字型光照強度傳感器.它具有較高的分辨率，可以測量較大變化范圍的光照強度.

溫濕度采集采用SHTxx系列單芯片溫濕度復合傳感器，該傳感器本身含有已校準數字信號輸出.該傳感器內部同時包括測溫和測濕元件，具有14位的內置A/D轉換器，和串行接口電路無縫連接.系統采用的是SHT11溫濕度傳感器測量森林溫濕度，SHT11通過內部的測溫和測濕元件產生溫濕度信號，經過放大，送至A/D轉換器進行模數轉換、校準和糾錯.

2.3 無線通信模塊

無線射頻收發芯片nRF905工作于433MHz的ISM頻段.該芯片內部含有功率放大器、頻率合成器、調制器和晶體振蕩器等功能模塊.芯片的通信頻道和輸出功率可以通過編寫軟件程序自行修改，采用曼徹斯特格式進行編碼和解碼.nRF905在和微處理器進行數據傳輸式通過SPI接口實現，nRF905具有ShockBurstTM發送和接收兩種工作模式，以及關機和空閑兩種節能模式.

3 無線自組網過程

3.1 協議棧結構及功能

無線自組網協議棧的結構分為四層，由下至上分別為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層［5］.協議棧的各層主要功能如下:

協議棧的最底層叫做物理層，物理層主要完成無線通信模塊與MCU之間的數據通信.無線通信模塊的硬件地址匹配、信道監測等操作都是在這一層自動完成.本系統通過LPC2148芯片的GPIO口來實現nRF905的讀寫時序，從而實時讀取傳感器節點采集的數據.

數據鏈路層主要完成對信道的沖突檢測和數據解析，采用CSMA/CA協議實現信道的沖突檢測.每個傳感器節點在發送數據之前，若檢測到信道被占用，則需要隨機等待一段時間之后再進行檢測，當檢測到信道空閑時才開始發送數據［6］.

網絡層主要完成無線自組網、路由選擇和維護等工作.通過該層協議，本系統可以自動完成新節點入網、路由選擇和路由維護等操作.

應用層主要作用是當發送數據時，會自動啟動數據鏈路層和網絡層的相應協議添加節點信息和網絡信息，然后將這些信息分裝成幀，之后通過無線通信模塊將封裝好的數據發送出去.當接收到數據后，首先對收到的數據包進行解析，然后根據數據解析的結果選擇響應方式.

3.2 CSMA/CA實現過程

當無線傳感器網絡中有多個節點要同時發送數據時，發生數據沖突的可能性會增大，因此，在無線自組網協議站數據鏈路層中采用了CSMA/CA控制協議，以減少數據分組發送的沖突，從而提高信道利用率［7］.

通過nRF905無線通信模塊來模擬CSMA/CA協議的載波監聽功能.當nRF905無線通信模塊處于接收模式時，首先監聽信道是否有載波，若有則將CD引腳置高，從而有效地避免了發送方在相同頻率下可能發生的數據沖突.因此，當節點要發送數據時，可以在接收模式下通過檢測CD引腳的高低來判斷信道的忙閑狀態［8］.當CD引腳為低電平時，則說明此時信道空閑，可以發送數據;反之，要先隨機退避一段時間，之后再次檢測CD引腳，直到其為低電平時才向外發送數據.

3.3 自組網協議設計

系統采用多跳的無線傳輸網絡是通過自定義的自組網協議實現.在自組網協議中使用不易產生誤碼干擾字符組合0x55和0xAA來表示整個自定義數據包的前導碼.當接收到新數據包后，通過檢查結束符是否匹配前導碼來判斷接收的新數據包是否完整.無線自組網中傳輸的幀類型主要包括:入網請求幀、入網應答幀、查詢幀、數據幀等幾種類型.其中，幀類型使用一個字節來表示的，具體情況如表1所示.

表1 幀類型格式

節點信息主要包括網絡 ID、節點地址、網絡級別以及當前節點電池電量等.每一個匯聚節點通過各自的網絡 ID來進行區分，并且各自都可以組建一個新的網絡.當節點要向外發送數據時，會在數據幀中通過攜帶自己的節點號來作為數據標識.節點的網絡級別由上一級節點動態分配，每個傳感器節點都實時監測電池當前電量，并將電量信息封裝在數據幀中向外發送.

路由信息主要包括目的節點地址，下一跳節點地址，當前跳數以及在傳輸過程中所經過的中間節點地址.當每個節點接收到數據包后，先用自身的節點地址和接收到該數據包中目的地址進行比較，然后確定將數據接收或者進行轉發.本系統采用的無線傳感器網絡是基于多跳模式的，而每個節點傳輸數據可能要通過一個或多個中間節點來轉發才能到達目的節點，所以要利用中間節點地址來記錄已經過的節點，并根據當前跳數來確定下一跳地址.

在傳輸過程中檢測接收的數據包是否發生錯誤是通過校驗碼實現的.當接收方接收到數據包之后，首先對數據包中攜帶的數據進行計算，然后與其攜帶的校驗碼進行比較，若一致則處理該數據，否則將直接丟棄該數據包.

3.4 自組網流程

首先由傳感器節點通過廣播方式主動申請加入網絡，然后由匯聚節點負責組建新的網絡.當系統上電初始化后，匯聚節點將自動進入接收狀態，以等待接收網絡內其他傳感器節點的入網請求.當傳感器節點上電之后會主動向外廣播入網請求幀，并與距離最近已入網的節點進行通信，逐跳將入網請求幀傳至匯聚節點，等待匯聚節點入網應答.其中，已入網成功的節點可以接收并轉發其他未入網節點的入網請求幀.所以，整個無線傳感器網絡的組建工作是從匯聚節點開始，由傳感器節點發起，逐級向下延伸的.

當有新節點要加入已經組建成功的網絡時，無線自組織網絡會自動接收新節點的入網請求，并將其信息添加到匯聚節點的網絡信息表中.當一個新節點要申請入網時，首先要以廣播形式向外發送入網請求幀，然后自動進入接收狀態，等待相鄰已入網節點的應答.在其通訊范圍內的其他節點都會接收到該廣播信息.

3.5 通信協議設計

無線傳感器網絡的大部分功耗被無線通信模塊占據，因此需要選擇一種合適的通信協議及其路由算法、時間同步算法和睡眠模式調度策略，來達到降低網絡功耗和傳輸延遲的目的，進而優化資源配置［9-10］.系統采用的通信協議在傳統的洪流水協議之上做了部分改進:在傳感器節點發送的數據包內加入了自動編號機制，每當發送一個數據包之后編號自動增1，同時建立編號登記表.當匯聚節點收到新的數據包之后首先檢查自身的編號登記表，如果已經收到過該數據包則不進行轉發，否則先進行登記后再進行轉發.這種機制不僅降低了測量面積大，監測節點過多造成的網絡阻塞，還在一定程度上抑制了廣播風暴，通暢了網絡傳輸.

3.6 時間同步設計

在匯聚節點正確收到數據之后，以廣播方式向網絡中各個路由節點發送時間同步應答信號.每個路由節點收到信息后進行解析，然后根據解析內容調整傳感器節點的定時器，以便進行時間同步，隨后每個節點進入休眠模式以節省能耗［11］.從而保證了各個路由節點與匯聚節點之間的時間同步，有效的抑制了間隙時間的疊加，從而降低了網絡丟包率.

4 系統軟件設計

傳感器節點的軟件設計采用模塊化設計方式［12-13］，由節點初始化模塊、數據采集模塊、無線傳輸模塊、數據處理模塊、數據校驗模塊和數字顯示模塊等組成.系統的總體軟件結構如圖4所示，傳感器節點每經過自定義的時間頻率進行采樣，系統默認采集時間是30 min，在每次完成數據信息采集后，立即關閉采集節點電源，從而減少了功耗，并同時設置一個定時器，在定時時間內向匯聚節點發送采集的信息數據［14-15］.當收到匯聚節點發來的同步信號后，傳感器節點將會進入休眠狀態，直到定時時間到后才開始新一輪的數據采集.

圖4 系統總體軟件結構

實時監測界面使用Fusion Widgets實時監控圖表形式面向用戶，分別展示溫度、濕度、光照強度3個生境因子的實時監測數值.歷史監測數據以列表形式按時間段選擇顯示采集時間、溫度、濕度、光照強度4個信息值.實時監測界面如圖5所示，歷史監測數據界面如圖6所示.

系統以ArcGIS Server 9.3為GIS二次開發環境，通過 WebGIS平臺實現展現監測點信息.WebGIS實現過程中使用Arcgis api for flex進行開發.通過BlazeDS技術從java端獲取數據庫中的節點監測信息，包括監測點是否異常工作，采集時間、溫度、濕度、光照強度等信息.WebGIS展現監測點信息界面如圖7所示.

圖5 實時監測界面

圖6 歷史監測數據界面

圖7 WebGⅠS展現監測點信息

5 實驗及結果分析

5.1 節點通信距離測試

通過測試不同通信距離條件下的誤幀率大小的方式來測試系統的整體通信質量.測試前先將nRF905的發射頻率設置為433 MHz，工作電壓為直流5 V，傳輸速率和發射功率分別設置為9 600 bps和10 dBm，其測試結果如表2所示.

表2 通信距離與誤幀率記錄結果

從表2可以看出，在50 m測量范圍之內誤幀率變化不大，一旦超出50 m，誤幀率顯著上升，所以各個節點應當布置在通信半徑小于50 m的范圍之內為最佳選擇.

5.2 網絡丟包率測試

實驗中布置了9個傳感器節點、4個路由傳輸節點和1個匯聚節點，匯聚節點放置于本地監測站內，路由節點處于傳感器節點和匯聚節點之間，負責數據的轉發［16］.每隔10 min傳感器節點采集一次數據，發送一次數據后等待時間同步信號進入休眠模式.連續監測10 d，經測試，整個網絡的平均丟包率為0.66%，因此該系統通信可靠，網絡丟包測試結果如表3所示.

表3 網絡丟包率測試結果

6 結語

森林生境因子自動采集系統通過由SHT11溫濕度傳感器和BH175DFVI光強傳感器組成的傳感器節點獲取森林溫度、濕度和光照強度，通過路由節點轉發，由匯聚節點匯總數據，并通過RS232串口通信將監測點數據傳輸至監測站PC，實現生境因子的實時在線監測.研究并實現了基于nRF905模塊的無線傳感器網絡組網與通訊設計，并通過供電電路設計實現低功耗傳輸，整個傳輸過程使用無線傳輸方式，擴大了傳輸范圍.最后進行了完整的測試實驗，測試結果表明測量結果可靠，系統運行穩定，達到了設計要求.克服了傳統森林信息調查過程中森林生境因子獲取手段單一、動態變化不及時、數據精度低等缺點，通過軟件處理提高了生境因子的采集速度和測量精度，并運用數據庫技術將大量數據存儲，從而提高了該系統的實際應用價值.

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