農業物聯網ZigBee路由節點北斗定位研究

池 濤,汪 磊*,陳 明,李丙春,孜克爾·阿不都熱合曼,王文龍

（1上海海洋大學信息學院，上海 201306；2喀什大學計算機科學與技術學院，喀什 844006）

我國的新疆維吾爾自治區是一個典型的農業區，一直面臨著地理環境復雜，電信基礎條件差，網絡設施不完善等問題，這些問題直接影響著西部農業經濟的發展。隨著無線傳感器網絡技術在農業生產中的發展，如何在西部農業灌區中布設低成本、高效率的物聯網已成為目前研究熱點。

基于無線傳感器網絡在農業中的應用已進行了深入的研究，針對不同的農業環境設計了多套基于Zigbee無線傳感網絡農業監測系統，對不同應用場合下產生的節點定位問題進行分析并解決。其中趙昭等［1］針對現有定位算法中RSSI測距易受外界環境干擾等問題，通過修正RSSI測距中節點之間的距離，選取信標節點，采用加權質心算法定位，提高定位精度；羅清華等［2］為解決現有Bounding-box算法中，定位精度無法隨距離估計精度的提高而提高等問題，拋棄傳統采用正方形重疊區區域中心作為定位結果的方法，提出了一種采用圓形通信區域模型定位算法；劉鋒等［3］針對傳統DV-hop算法中通過單個錨節點估計平均跳距產生的誤差，對未知節點的跳距進行加權，提高了網絡定位精度；除此之外，還可通過設置閾值和優化機制或者基于多條的方式對定位方法進行優化［4-11］。但現有監測系統和位置信息定位算法均是在小面積、無外界干擾的實驗室或溫室環境中進行應用，且應用場景對網絡錨節點密度要求高，提高了硬件成本，并不適用于廣闊的西部農業灌區。

本研究針對西部農業灌區應用場景，采用Zigbee與北斗定位技術相結合方案，設計一套基于Zigbee技術與北斗定位技術相結合的無線傳感器網絡監測系統，實現網絡對監測區域環境參數的采集，以期達到農民對灌區信息變化的實時監控，均衡網絡負載能力，提高網絡壽命。

1 改進型Zigbee算法

如圖1所示，西部農業灌區內通過Zigbee自組網特性將監測區域分為若干個邏輯簇，IEEE 802.15.4標準按功能將物理節點分為兩類，一類是全功能設備（FFD）。另一類是精簡功能設備（RFD），FFD擔任網絡中路由節點和協調器節點，RFD擔任網絡中終端節點。終端節點不具有路由功能，只能將信息給協調器路由節點或協調器節點，每個簇內由路由節點作為父節點，多個終端節點作為子節點。

圖1 Zigbee網絡布點Fig.1 Zigbee network distribution

1.1 路由

在中大型網絡管理中，分簇網絡簇頭能量消耗快于其余節點，在簇頭節點能量耗盡時容易導致網絡癱瘓，縮短網絡壽命。為解決這種問題，延長網絡壽命，本研究在國內已有的路由研究基礎上選取一種簇樹路由和AODVjr路由相結合的路由算法CLZBR，將網絡分為多個邏輯簇。簇內采用樹路由算法，減少冗余分組，降低能量消耗，通過設置備用節點解決簇頭能量耗盡時導致的網絡癱瘓問題，維持網絡穩定性；簇與簇之間采用AODVjr路由算法傳遞數據，通過路由發現最佳路徑。

1.2 定位

網絡中節點地理位置信息在農業環境監測中具有重要意義，也是目前國內外研究熱點之一。在西部農業灌區中，因地理環境復雜性和網絡節點密度等原因，在實際定位過程中采用常見的基于加權的三邊定位算法對網絡節點進行定位，但在網絡中仍然存在著邊緣節點位置信息定位缺失問題。

1.2.1 邊界盒算法

為解決傳統網絡中特殊節點定位問題，常采用傳統的邊界盒算法進行邊緣節點定位。如圖2所示，邊界盒算法中終端節點在接受到通信范圍內路由節點發出的定位請求后，已知通信范圍內有2個路由器節點（A、B），則終端節點位置處于節點A的通訊范圍圓的外接矩形與節點B的通訊范圍圓的外接矩形的相交部分CDEF內，將矩形區域的中心點O作為最終定位結果。在實際測量定位中，傳統邊界盒算法定位精度不高，且適用范圍有限，需對邊界盒算法進行改進，增加算法實用性，提高算法精度。

1.2.2 改進型邊界盒算法

西部農業灌區受獨特的地理環境影響，導致網絡中節點密度不足，錨節點分布稀疏，多數邊緣節點無法使用上述定位方法進行定位，造成節點位置信息缺失，產生網絡定位盲區。

（1）如圖3a所示，終端節點的通信半徑內能夠接收到3個已知位置路由器A、B、C節點。此時分別以A、B、C點為圓心，以d1、d2、d3為半徑的圓不能同時相交于一塊區域內，因此傳統的基于加權的三邊定位算法不能對終端節點進行定位。

（2）如圖3b所示，終端節點與兩個已知坐標位置的路由器節點A、B通信。終端節點通信范圍內只能接受到兩個路由器節點，終端節點位于以路由器節點為圓心，以路由器節點到終端節點距離為半徑的兩圓相交部位。此時只能確定終端節點處于兩圓相交區域內，無法準確判斷節點實際位置。

圖2 邊界盒算法Fig.2 Bounding box algorithm

圖3 實際定位中常見的兩種問題Fig.3 Two common problem s in actual location

為解決上述實際監測系統中遇到的定位問題，通過改進邊界盒定位算法對終端節點位置定位。當圓A與圓B相交一塊區域，圓C與圓A不相交，此時無法使用加權三邊定位算法進行定位，需通過改進型邊界盒算法進行定位。如圖4所示，圓C的內切矩形與圓A、圓B的外切矩形相交于區域DEFIHG中；若RSSIA＜RSSIB，將終端節點估計位置縮小到區域EFIH中，取EFIH的中心為估計的節點位置；反之取DEHG的中心為估計的節點位置。

當終端節點的通訊半徑內接收到兩個路由器節點A、B時，可以直接采用常規的邊界盒算法對節點位置進行估算。雖然邊界盒算法可以估算出節點位置坐標，且算法計算量簡單，但是定位誤差與節點能量損耗較大，不利于廣泛使用。為了能得出更精確的位置坐標信息，在經過邊界盒算法初步對節點坐標區域進行確定后，通過圖5方式對節點坐標相交區域進一步進行縮小，減少定位誤差。如圖5所示，將兩路由器節點A、B通信圓相交部分縮小到四邊形CDEF中，取四邊形的質心O作為終端節點估計位置。當路由器節點A離終端節點較近時，O點位置偏向A點，反之，O點位置偏向B點。

1.2.3 基于鄰居終端節點的定位優化

為縮減終端節點估計區域范圍，提高定位精度，通過終端節點通信范圍內其他的節點對節點位置進行再次縮減。如圖4、5所示，通過改進型邊界盒算法估算出終端節點O的邊界區域ABCD，終端節點Q的邊界區域為EFGH，終端節點O向其通信范圍內其他節點廣播它的邊界區域信息，當終端節點Q接收到O的邊界區域信息后，向外廣播自己的邊界區域信息。如圖6所示，分別以終端節點Q的邊界點E、F、G、H點為圓心，以節點通信范圍為半徑做圓，分別與邊界區域ABCD相交于I、J、K、L點，則取IJKL區域中心點為終端節點O的估計點。

2 系統描述

2.1 Zigbee網絡系統

根據西部農業灌區地理環境，設計了一套基于Zigbee結合北斗技術的農業監測系統，整個系統由Zigbee網絡與上位機（控制中心）組成，最底層為終端節點，向上依次為路由節點，協調器節點和上位機（控制中心），具體結構如圖7所示。

圖7 農業監測系統Fig.7 Agriculturalmonitoring system

（1）終端節點：屬于半功能設備（RFD），主要功能為測控應用，傳輸數據量較少，能量功耗最低，經Zigbee協議棧實現與路由節點及協調器節點之間組網，通過各種傳感器收集周圍環境參數，傳遞給鄰近路由節點。

（2）路由器節點：屬于全功能設備（FFD），處于常開狀態，傳輸數據量較多，能量功耗較高；該節點上配置北斗模塊，用于自身坐標的絕對定位，對終端節點坐標定位起到輔助作用，將終端節點采集環境參數信息傳遞給協調器節點，當協調器節點能量消耗過多停止工作時自動升級為協調器節點。

（3）協調器節點：屬于全功能設備（FFD），用于建立網絡并對網絡進行管理維護，包括節點的加入和退出，為加入的節點分配網絡地址，將路由節點中信息通過Internet傳遞給上位機，當協調器節點能量消耗過多時由其余路由節點自動升級為協調器節點。

（4）上位機：即監控中心，顯示網絡中傳感器收集的溫度、濕度、光照等環境參數，網絡節點坐標位置，節點剩余能量等信息，通過觀察狀態變化進行合理調整，發出控制命令。

2.2 硬件設計

CC2530實現了IEEE 802.15.4的無線傳感器網絡協議，具有高性能、低功耗的增強型8051微控制器，專門讀取RSSI值的寄存器，高級加密標準（AES）協處理器，8 kB的RAM及其強大的支持功能和外設（8路輸入8—14位ADC，1個通用的16位和2個8位定時器）以及能夠適應2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發器。

（1）終端節點：以CC2530芯片為處理器，外接低功耗射頻前端CC2591芯片，用以放大RF模塊接受和發射功率；采用DS18B20溫度傳感器和BH1750FVI光照傳感器進行溫度和光照數據采集。

（2）路由器節點：在終端節點硬件結構基礎上外接低功耗射頻前端CC2591芯片，放大RF模塊接受和發射功率，擴大網絡覆蓋面積，提高網絡工作效率。

（3）協調器節點：采用CC2530F256芯片為核心，256 kB可編程flash，設有LED指示燈、串口模塊、WAN口、LAN口、LCD等模塊。

2.3 軟件設計

2.3.1 終端節點軟件設計

終端節點是個半功能節點，外接多種傳感器模塊，可通過傳感器進行溫度、濕度和光照等環境參數采集；軟件設計流程如下：1）上電后完成節點外圍電路和Zigbee堆棧初始化；2）信道查詢，選擇合適網絡等待加入，向網絡中協調器節點發出請求申請，等待協調器節點發出響應；3）加入網絡后，通過ADC采集環境參數；4）將采集的環境參數向協調器節點連續傳遞幾次后自動進入休眠，等待協調器節點發出請求時再次激活。

2.3.2 協調器節點軟件設計

協調器負責網絡的建立，掃描入網請求，軟件設計流程如下：1）上電后完成Zigbee協調器節點外圍電路及協議棧初始化；2）建立網絡；3）信道查詢，選擇合適信道進行能量檢測避免可能性干擾，等待終端節點和路由節點的入網申請；4）終端節點和路由節點加入網絡后，將節點上傳感器采集的溫濕度等參數數據；5）與上位機進行串口通信，將環境參數數據傳遞給上位機，同時接受用戶通過上位機輸入控制命令。

2.3.3 北斗模塊數據處理

北斗模塊在電源導通的狀態下會源源不斷地把接收到的和計算的導航信息通過串口傳遞給CC2530數據處理模塊，再通過篩選將信息傳遞給控制平臺，所有的信息以“$”（0x24）開始，后面緊跟消息名，之后是不定數目的參數或數據，最后一個參數是可選的校驗和。所要獲得的信息主要為時間、緯度、經度等數據，采用 BDGGA消息格式，具體格式為 BDGGA，time，Lat，N，Lon，E，FS，NoSV，HDOP，msl，M，Altrel，M，DIffAge，DiffStation*cs。北斗信息處理流程如圖8所示。

圖8 北斗信息處理流程圖Fig.8 BeiDou information processing flow chart

3 試驗設計

3.1 試驗環境

選取3塊200 m×200 m的灌溉區域，將終端節點和路由節點隨機分布在2塊區域中，節點通信半徑為100 m，每個區域內有5個已知位置的路由器節點，20個需要待測的終端節點。在區域1內調節路由器節點與終端節點位置，滿足終端節點的通信半徑內至少有3個路由器節點。在區域2、3內調節路由器節點與終端節點位置，滿足終端節點的通信半徑內有兩個路由器節點。

3.2 評價標準

為驗證改進型邊界盒算法在節點稀疏的西部農業灌區中是否適用，采用平均定位誤差率作為此算法的評價指標，其定位誤差為定位算法測量的位置與節點實際位置的距離與節點通信半徑之比，如式（1）所示：

其中(xi，y)i表示終端節點測量位置，（x，y）表示終端節點實際位置，R表示節點通信半徑，N表示N個節點。

3.3 試驗結果

圖9、10、11分別表示3個網絡區域中分別采用基于加權三點定位算法、改進型邊界盒定位算法及傳統邊界盒定位算法時終端節點的實際坐標與測量坐標，其中網絡節點通信半徑為100 m，圖 9、10、11中 A、B、C、D、E點表示路由器節點，Fi節點表示第i個終端節點實際位置，fi節點表示第i個終端節點的測量位置。

圖9 區域1節點坐標圖Fig.9 The node coordinates of regional 1

圖10 區域2節點坐標圖Fig.10 The node coordinates of regional2

圖11 區域3節點坐標圖Fig.11 The node coordinates of regional 3

根據式（1）進行計算，基于加權的三邊定位算法的節點誤差率為10.5%；邊界盒算法的節點定位誤差率為18.5%；改進型邊界盒算法的節點誤差率為15.5%，比基于加權的三邊定位算法的節點誤差率高出48%，比邊界盒算法的節點誤差率下降了16%。試驗結果證明，3種定位算法并不適用于對位置信息精度較高的小面積農區內，但針對某些對位置精度要求不高的廣闊西部農業灌區可以使用。通過加權三邊定位算法與改進型邊界盒算法相結合，應用于西部農業灌區中網絡節點的監測，既減少了硬件成本，又可以提高網絡覆蓋率，解決邊緣節點信息的缺失問題。

4 結論與討論

本研究設計的以物聯網技術為核心的西部農業灌區即時監測系統是將物聯網與終端管理結合起來，利用Zigbee技術與北斗定位技術結合完成整個系統設計。針對農業灌區中節點密度不足導致的邊緣節點位置信息缺失的實際難題，基于已有的邊界盒算法基礎上提出了一種改進型邊界盒算法，在Matlab仿真環境和西部農業實際灌區中對多種定位算法進行驗證。通過Matlab對加權三邊定位算法、邊界盒算法及改進型邊界盒算法進行仿真，仿真結果證明改進型邊界盒算法解決了基于加權的三邊定位算法及其他定位算法中邊界節點位置信息缺失問題，節點誤差率比基于加權的三邊定位算法高48%，相比于傳統的邊界盒算法的節點誤差率下降了16%；在實驗室已有農業灌區監測系統上對改進型邊界盒算法進行實地驗證，驗證效果顯示相比于傳統的邊界盒算法有所改善，雖然無法使節點誤差率降低10%以上，但適用于面積廣闊的對節點位置信息精度不高的西部農業灌區。

目前，西部農業正處于處于從粗放型農業種植到精細化農業生產轉換的重要時期，如何解決農業物聯網在西部農業灌區的實際應用難題仍然是實現數字精準農業的重要障礙。盡管本研究的即時監測系統與改進型邊界盒算法在實際應用中取得預期效果，但仍然是對我國西部農業物聯網研究的繼承與發展。

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