節能型無線傳感器網絡用于林業環境監測中的可行性分析

王帥宇　牛小民　李明輝　張崇軍　陳存廣

摘要：隨著我國社會主義現代化建設的不斷發展，我國的無線傳感器網絡技術實現了前所未有的發展，其在林業環境監測中得到了廣泛地應用。本文將基于系統架構、傳感器采樣以及系統休眠等角度對環境數據采集系統進行深入分析，探究了節能型無線傳感器網絡在林業環境監測中的應用價值，為我國林業環境監測工作提供一個參考與借鑒。

關鍵詞：節能型；無線傳感器網絡；林業環境監測；應用價值

中圖分類號： TP 393？文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（a）-0000-00

近年來，無線傳感器以其監測范圍廣、自動數據采集等優越性在林業環境監測中得到了有效的應用。通常，無線傳感器主要是采用干電池進行供電，工作時間受到限制，而受森林環境的影響，頻繁更換電池不切實際，因此，如何能夠使無線傳感器網絡實現節能化成為環境監測領域研究的一個重點[i]。

1.節能型無線傳感器網絡系統架構

無線傳感器網絡一般由一個網關以及多個傳感器子節點組成，而一個子節點硬件又包含了傳感器、通信模塊以及控制器三個部分。網關能夠對各個節點的信息如土壤濕度、光照強度等進行收集，并能夠對數據做出有效的處理、傳送到數據庫。通常，林業環境多處于偏僻區域，電源不容易到達，因此采用直流電源實施供電，僅節點采用干電池供電，網關則采用太陽能供電，其能夠延長系統的使用周期，當電量過低時，其會發出警報提示更換電源。一般情況下，林業的環境監測主要包括光照、土壤、降雨量以及二氧化碳濃度等多個方面，這些數據往往是呈現動態變化的，同時又是不可預知的，這些都會加大系統采樣的難度，因此，必須實施休眠變周期采樣，一般在相鄰邊界處設多個采樣點，其能夠最大化對環境信息進行捕捉，尤其是對于短暫的、大幅度的環境參數波動具有較高的敏感度[ii]。另外，為了降低該系統的工作負擔，延長使用期限，這些節點可以不參與網絡路由、接受無線信號，直接與基站進行聯系，基站能夠根據收到的數據對林業環境進行判斷，若有特殊情況，其會發出采樣命令，節點接受命令后將會退出休眠狀態。通常，無線傳感器網絡的能耗多是由數據采集、處理以及數據無線收發等造成的，其中尤以數據無線收發能耗最為突出，因此可實施變周期采樣的方式，其不僅能夠起到節能的效果，而且能夠確保突發事件信息的完善收集，當然在這個過程中也存在著參考采樣點選擇的問題，需進一步進行研究。

2.系統硬件組成

2.1ZigBee傳感器節點硬件組成

通常，WSN節點多采用的是微型嵌入式系統，其作為WSN硬件基礎平臺，能夠對目標進行有效的監測，其在森林環境監測的傳感器節點應用中對成本給予了高度關注，具有低功耗、安全性高的優越性。ZigBee傳感器節點主要由傳感器、處理器、無線通信以及電源供應等模塊等成，具體見圖1。為了提升系統硬件的節能性、穩定性，可采用8位ATmega128L微控制器，該控制器較傳統的8位控制器能量消耗更低、資源更加豐富，且包括內外多種中斷模式，片中包含了128KB程序存儲器Flash、4KB靜態數據存儲器以及4KB的E2PROM。

2.2ZigBee協調器節點硬件組成

ZigBee傳感器節點在整個森林環境監測系統中發揮著不可替代的作用，其能夠對無線傳感網絡進行協調，因此對協調器節點的控制器要求較高。傳統的單片機在森林監測系統中盡管能夠起到一定的控制作用，然而性能卻不夠強大，在工作的過程中容易出現效率低、耗能高的特點。而ARM不僅能耗能低、性能高，而且能夠在一定程度上降低成本，成為目前單片機的首選。本次研究采用的是ARM9處理器，其運行速度較快，具有較大的存儲空間，能夠實現與以太網的互聯。STR12FW44X6芯片為整個系統的核心。

3.自適應動態路由的設計

3.1自適應動態路由特點

通常，無線傳感器網絡主要采用網絡分簇以及樹形網絡兩種模式，這兩種分層模式能夠實現對整個網絡的有效分簇，且能夠在一定程度上保障分簇的魯棒性。然而從算法來說，其計算較為復雜，收斂速度有待提升，且大部分網絡路由在設計中未體現休眠原則。自適應動態路由不僅能夠滿足休眠需求，而且能夠降低能耗，然而其也存在信息包丟失的可能性，僅適用于網絡規模較小狀態下的計算，若網路規模較大，設置多數目節點日內以造成數據丟失，使實時監控喪失了本身的意義與價值。本次研究中提出了動態分簇的算法，其一方面考慮到了節點的實際需求，另一方面也體現了節點的能量原則。另外，為了降低網絡動態路由造成的能耗，此類環境監測一般將最重要的指標作為考慮對象，對于無關緊要的指標進行忽略，其能夠達到節能的目的。在數據傳輸階段中，自適應動態路由能夠擺脫系統休眠限制，進行數據的有效的傳輸，一般由簇成員直接傳遞簇頭，收集整理后實現對數據的融合，然后再將信息傳遞到中央節點。自適應動態路由系統與休眠系統相結合，再加上分簇算法的引入，能夠在一定程度上降低自主成簇的概率，提升分簇效率[iii]。在簇內實現通訊，其距離明顯小于節點與網關之間的距離，且無需通過節點進行數據傳輸，能夠降低無線通信數據傳輸量，使傳輸過程中所造成的能量損耗大大降低，增強數據之間的融合效率，整個系統節能效應體現的尤為明顯。

3.2實證研究

為了研究節能型無線傳感器網絡在林業環境監測中的節能效果，選取了林業場地作為試驗地，并將未使用節能方法的常規網絡監測作為對照，對這兩者的實際節點壽命進行比較[iv]。兩種監測方式均采用同一型號干電池實施供電。可以發現，采用節能型無線傳感器網絡的節點電池壽命較長，幾乎可以達到3個月左右，而未采用節能方法的節點壽命僅為20d左右，兩者呈現出明顯的差異。這說明，在采用了節能型無線傳感器網絡后，系統的能耗能夠得到大幅度降低，在一定程度上延長電池的使用壽命，具有較高的應用價值。另外，在1.5km半徑區域內布置多個傳感器節點，并對其進行現場實時監測，所采集的數據由各監測點匯入控制中心，實驗檢測數據如表1所示，共呈現了5個監測點每2h的匯總記錄，并對濕度、溫度、厭惡指數、光照度、土壤水分以及土質酸堿度等指標進行統計，可以發現該地區的環境基本處于穩定狀態。

結束語

通過本次研究可以發現，采用自適應采樣方法能夠在一定程度上促進網絡節能，且對突發事件具有較高的敏感性，而動態路由算法能夠在實現休眠的同時使分簇效率得到提升，其在無線傳感器網絡中的融入能夠實現節能降耗的目的，使系統的生命周期得到延長，具有一定的可行性與穩定性，其在林業環境監測中有著較高的應用價值，值得參考借鑒。

參考文獻

[1]蔣小川. 節能型無線傳感器網絡在森林環境監測中的應用[J]. 南京林業大學學報：自然科學版， 2014， 38（4）：14-18.

[2]張曉武， 齊建東， 黃心淵. 無線傳感網在森林微氣象監測中的應用研究[J]. 北京林業大學學報， 2014， 36（1）：83-87.

[3]李文彬， 龐帥， 闞江明. 森林監測無線傳感器網絡自供電技術研究進展[J]. 森林工程， 2015， 31（5）：56-61.