農業機械遠程電子監測技術研究
——基于分簇無線傳感器網絡路由算法

朱壯普,吳 勇

(1.山西職業技術學院 計算機工程系,太原 030006;2.山西大學 軟件學院,太原 030006)

0 引言

時間同步是需要協同工作的傳感器網絡系統中的一個關鍵機制, 為大多數無線傳感器網絡的應用所必需。由于無線傳感器網絡具有自組織性、多跳性、動態拓撲性和資源受限性等特點,且因受節點能量、計算能力、通信帶寬及存儲容量的限制,使得設計能滿足不同無線傳感器網絡應用的時間同步技術十分重要。本研究擬將分簇無線傳感網絡引入到農機遠程電子監測系統上,通過路由算法的優化,提高監測系統的同步通信能力,從而實時地對農機作業情況和環境參數進行監測,以提高農機的智能化和自動化水平。

1 基于無線傳感網絡的農機遠程電子監測系統

為了實現農機的遠程監控,需要在農機上安裝較多的設備,這些設備可以通過現場總線進行連接。現場總線CAN通信效率高,速度快,操作簡單,是一種具有國際標準的現場總線。在遠程電子監測時,可以將監測數據以CAN總線的形式進行傳輸,然后再通過無線傳送設備傳送到遠程客戶端,上位機可以實時對機車運行信息進行監測和存儲,為實現田間作業機車精準作業提供了依據。

由于田間機車的設備相對來說比較復雜,還要考慮到實時性、操作的難易程度,為提高農機的作業效率,采用遠程監測和控制的方式。在進行遠程電子監測時,利用GPRS發布打開攝像頭命令后,設備開始打開攝像頭并且獲取攝像頭設備信息和緩沖區,通過數據處理對采集到的圖像進行處理后,關閉攝像頭設備,如圖1所示。

圖1 農機遠程電子監測系統監控流程Fig.1 The monitoring process of remote monitoring system for agricultural machinery

農機作業時,首先利用各種傳感器對環境和溫度等信息進行采集,也可將實時作業情況信息傳送到大屏幕上,使農機運行信息實現實時顯示、自動跟蹤及傳輸數據等,達到多農機協同一體化管理的目的。

2 基于分簇結構的無線傳感器網絡及其路由算法

無線傳感網絡是一種適應性比較強的通信網絡,通過傳感器節點達成自組織的形式網絡,可以采集、處理和傳達網絡覆蓋范圍內的各種數據信息,最后將有用的關鍵信息發送給觀察者,框架如圖2所示。無線傳感網絡融合了當前各種先進的技術,包括現代通信技術、微電子技術、自動化系統等,將邏輯信息和客觀物體融合在一起,被廣泛地應用在環境的監測和預報、農業、交通等領域。

圖2 基于無線傳感網絡的農機監測系統框架Fig.2 The framework of agricultural machinery monitoring system based on Wireless Sensor Network

圖3為傳統算法的節點分布示意圖。

圖3 基于傳統算法的節點分布示意圖Fig.3 The sketch digram of node distribution based on traditional algorithm

這種無線傳感網絡是常用的一種類型,網絡中傳感器節點分為普通節點和參考節點。其中,普通節點的通信都是以參考節點開始的,通過和參考節點的距離來確定通信的層次,但其同步性較差,不利于信息的實時傳遞。

基于分簇算法的節點分布示意圖如圖4所示。在該網絡結構中無線傳感器節點被分為很多簇,并劃分了簇首和簇節點,簇首和參考節點可以增大網絡的發送功率,使其通信范圍增大、網絡總的跳數減少。同傳統的無線傳感網絡相比較,距參考節點比較遠的節點,其跳數也有所降低,從而降低了通信過程的同步誤差,提高了網絡通信的實時性。

圖4 基于分簇算法的節點分布示意圖Fig.4 The sketch of node distribution based on clustering algorithm

假設有兩個節點分別為x和y,實時時間為t,傳感器節點x內部振蕩器的實時時間為Cx(t),可以通過節點x來推算節點y的時間,從而達到同步通信的目的。其推算方程為

(1)

其中,α為初始的實時時刻,β為相對頻率,且有

(2)

根據式(1)和式(2)可得

CA(t)=φ+Δ·CB(t)

(3)

其中,Δ為兩個實時時刻的相對時鐘漂移比值,φ為兩節點的相對誤差。當節點時刻為0時,參考節點時間用T0表示,兩節點的時間偏移量為

(4)

將式(4)帶入式(3),可得

(5)

如果節點一直以(T1,T2)與新取得(Tm,Tn)進行同步校正,在進行校正時會隨著誤差的增大而增大,因此可以定義一個Q=(a,b),使得時間間隔始終處于(a,b)范圍內。其偽代碼為：

if(節點是參考節點)

{ 每隔t時間發包,設定值(a,b),ti為時間點,(Tj,Tj+1)為時間點所接收到的包,i=1,j=1}

if(Tj-T1≤b)

{

仍以t1時間點發包,j=j+1

}

else if(Tj-T1≥b)

{

tm時間點發包,且tm滿足Tj+1-Tm≥a)

}

實現同步通信后,可以同時對多臺作業的農機進行實時監控,并將作業情況實時反饋給農機管理人員,以便管理者實現多臺的協同管理,從而有效地提高農機的作業效率。

3 基于分簇無線傳感網絡的農機遠程監測系統測試

當前隨著農業自動化技術的不斷進步,多種機型的無人駕駛設備被投放到農業作業中使用。在無人駕駛作業條件下,遠程監測系統是非常重要的,而監測系統工作效率和工作質量的好壞主要取決于監測系統通信能力。基于分簇無線傳感網絡具有較高的無線通信能力,其通信的同步性好可以滿足實時通信的需求。無人駕駛作業機械作業情況如圖5所示。

圖5 無人駕駛作業機械示意圖Fig.5 The sketch digram of driverless operation machinery

無人駕駛作業一般應用在地勢平坦、作業面積較大的區域,采用該種作業方式可以有效地提高農機作業的智能化和自動化水平,降低人力成本投入,提高作業效率。由于在作業過程中處于無人駕駛狀態,可以采用遠程監測的方式對農機進行遠程控制,以提高其作業質量。本文主要對其監測系統進行設計,首先采用NS2仿真的方法對傳感網絡的節點通信進行驗證,以得到實時通信能力較強的無線傳感網絡。

采用NS2對無線傳感網絡進行仿真的配置項目主要包括網絡通信范圍、節點數、通信半徑、同步傳輸信息包大小、信號發射功率和Datarate等,配置參數如表1所示。其布置好的節點示意圖如圖6所示。

表1 無線傳感網絡仿真配置參數Table 1 Simulation configuration parameters of wireless sensor network

圖6 無線傳感網絡仿真節點布置圖Fig.6 Simulation node layout for wireless sensor networks

本次對無線傳感網絡的主要測試項目是同步通信能力,主要通過相同節點數需要的同步時間來測算,測算結果如圖7所示。

圖7 同步時間測算Fig.7 Synchronization time measurement

圖7中,1表示未采用分簇無線網絡時的同步時間,2表示采用了分簇無線網絡時的同步時間。計算結果表明：采用分簇無線網絡后所需同步時間明顯比沒有采用的短,從而提高了無線通信的效率。

為了驗證仿真的準確性,在農田里布置了傳感器網絡,并對其通信進行了初步的測試,如表2所示。測試結果表明：仿真和實驗結果的吻合程度較高,從而驗證了方案的可行性。

表2 實驗結果對比Table 2 The comparison of experimental results %

4 結論

為了提高農機遠程電子監測系統的同步通信能力、實現多農機協同監測,在農機監測無線傳感網絡路由算法中引入了分簇算法,提高了同步通信效率,實現了多農機監測的實時性。為了驗證方案的可行性,首先搭建了100m×100m覆蓋范圍的無線傳感網絡,并利用NS2仿真軟件和實驗方法對路由算法的有效性進行了驗證。驗證結果表明：采用分簇算法后,無線傳感網絡的同步通信能力有了明顯的提高,為農機無人化作業技術的發展提供了一種新的技術保障。