精準農業：基于LEACH和DSDV的WSN應用

摘要：近年來，無線傳感器網絡技術受到越來越多的關注。WSN技術在結構健康監測、交通管控、衛生保健、管道監測等日常生活領域的應用越來越廣泛。本文以精準農業為研究對象，利用WSN實時獲取氣候和其他環境特性，例如濕度和溫度或雜草、寵物的實時數據。針對無線傳感器網絡面臨的能效和數據量大的問題，我們采用LEACH協議（無爭用）來設計實驗。[1]

關鍵詞：精準農業;無線傳感器網絡;PH傳感器;LEACH; DSDV路由

引言

對于農業而言，有許多因素會影響某一地區的產量，例如濕度、溫度、土壤類型、營養成分等。 農民希望通過從基點獲取準確的數據來實現農田管理的精確度。對于較大的區域來說，準確的信息意味著從各個點轉換而來的原始數據必須是豐富的。只有初始數據足夠充分、誤差足夠充分，才能從計算中得出一般原理。但是對于WSN網絡傳輸，最嚴峻的挑戰是如何有效地傳輸必要信息以延長節點的壽命。相應的挑戰包括低速、低存儲容量、I/O組件的缺失等。對于精密農業，無線傳感器網絡技術的要求是以較低的能耗收集大量的數據。

一、系統概述

1994年[2]，Blackmore等人將精準農業定義為一個綜合的系統，旨在維持環境質量的同時，通過精心調整土壤和管理作物來適應不同場合下的獨特條件，從而優化農業的生產。2004年，Beckwith等人部署了一個無線傳感器網絡來監測和記錄葡萄園的溫度變化。[3]他們將65個節點以10到20米的間距呈網格狀進行部署，覆蓋了約2英畝。根據他的報告，這個葡萄園中在短短的100米內，就有溫度的變化超過35%的HSUs。與此同時，在2005年，Baggio在荷蘭的LofarAgro也部署了一個無線傳感器網絡。[4]150個無線傳感器節點負責溫度和濕度傳感器，其他30個節點用來保證網絡的連接。此外，數據每隔10分鐘傳送到BS（基站）進行數據匯總。

精準農業需要大量豐富的數據來分析土壤的溫度、濕度和其他某些屬性，或者需要做一些相關的計算來得到特定區域的規律。農業通常占據著廣闊的區域，對于資源分配和其他方面，例如PH值，微量元素的成分和日照強度來說，農民認為大型農場通常是相同的。

在這個實驗中，分散在農田中的傳感器用來監測土壤的PH值，根據這個值，農民可以方便地采取相應的措施，來獲得大的豐收，比如施肥或種植適當的農作物。節點被分成許多集群，每個集群都有一個集群頭，這個集群頭可以在向基站傳輸數據前對一些原始數據進行預處理，節約了功耗，并降低了網絡的延遲。通過使用無線傳感器網絡，在這整個區域中部署了大量的節點，無需人為參與就可以高效的獲取數據，而這都是通過無線傳感器網絡自動完成的。實驗區域假設20x20米左右，在這個區域中均勻的分布著100個節點，另外30個節點用來確保整個網絡中的總能量都能被每個節點所獲取。（圖1）由于農業的數據傳輸量確實大，并且數據吞吐量也大，為了減小沖突存在的可能性，我們選擇了無爭用協議（LEACH）來避免發生沖突的可能性。

二、 Mac層（無爭用---LEACH）

我們選擇LEACH協議來實現mac層的傳輸。對于無線傳感器網絡，Leach結合了TDMA（無爭用協議）和集群算法的概念。它適用于在較大的區域中的大量節點，由于它有集群這樣能將整個節點分成不同集群的概念，使得它們有自己的負責來匯總數據的集群頭，減少了傳送到基站的信息量。（圖2）

LEACH能被分成兩個階段，分別為獨立負責各自職責的建立階段和穩態階段。在建立階段，有兩個主要的目的需要完成，第一個是確定集群頭，第二個是建立它們各自的調度表。最后一個是對于不是集群頭的每個節點，它們需要選擇它們自己的集群。另一方面，對于名為穩態的狀態，它是集群節點、集群頭和匯總的主要傳輸部分。無論節點在什么集群里，只有一個集群頭能夠進行通信，并且對于集群頭來說，它可以促進數據匯總和網絡處理，減少需要傳送到基站的數據量。

（一）建立階段

（1）節點將會自主決定它是不是集群頭。并且通過非持久性CSMA協議廣播一個ADV消息。

根據左側電能可用，每個節點都有成為集群頭的可能性。對于每個節點，能成為集群頭的可能性可以通過如下的方程進行計算：P（i） = min{E（i）/E（total）， 1}（對于確定的時間t）。但是這個用來計算成為集群頭可能性的方法需要每個節點知道在這個系統中可用的能量，這將會導致吞吐量的過載。因此，我們額外增加了30個節點作為支點來傳輸整個拓撲的能量到每個節點。

（2）每個節點通過選擇集群頭來加入它們自己的集群，這個集群頭具有接受來自不同集群頭ADV消息的信號能力，這有助于節點降低傳送到集群頭的能量。

（3）選擇集群頭后，節點也通過CSMA發送加入請求消息來選擇集群頭。

（4）集群頭為集群建立一個傳輸調度，之后將調度表發送到它所在集群中的所有的節點。

（二）穩態階段

節點可以從土壤中檢測出關于PH值的各自的數據，并將這個物理量轉換成電學值，與集群頭進行通信，使集群頭對原始數據進行預處理，最后，減少數據量并傳送給基站來進行最終的處理。

三、傳感器網絡（主動路由-DSDB）

使用LEACH MAC層協議會導致路由問題，現在我們需要討論網絡層協議。由于這種節點的結構不會頻繁的改變，我們選擇DSDV協議來完成網絡層路由，根據需要找出到達目的地的方式。

路由協議可以分成兩個主要部分，也就是按需路由和主動路由。對于第一種來說，按需路由適用于網絡拓撲頻繁改變的情況，因此事先知道路由表不是有用的，甚至很容易導致錯誤的路由，更不用說巨大的資源消耗。但是對于另一種來說，預先知道路由表會加快消息傳送的傳輸速度。

通過路由表的傳播，在這個系統中的每個節點都有它們自己的路由表。例如，節點i通過節點j維護著每個目的地x的距離列表{dij}。（圖3）并且我們選擇增量包來傳播節點信息。使用增量包而不是全部的轉儲數據包減少了傳輸中的消耗。當節點接收到增量包后，它會將這個包與它自己的路由表進行對比，如果這個新包具有一個更高的序列號，或者與序列號相同但與自己的舊包相比到達目的地的消耗更少，這個節點將會更新它的路由表，來節傳輸能量。例如，如果{dik}<={dij}距離儲存在每個入口隨同序列號的路由表中，節點i會選擇k作為下一個跳板（圖4）。

四、系統描述

根據需要監測的物理特性，在無線傳感器網絡中使用的傳感器可以被分成許多種類，包括溫度、濕度、化學、位置……本實驗中主要針對土壤的化學特性（PH值），因此我們選擇PH傳感器作為我們的傳感器節點來采集數據。由于我們選擇LEACH作為我們的MAC層協議，這在集群中將會有一些集群頭，在空閑期間這些集群頭不會休眠，因此我們需要一些額外的能量和更多的功率來提供給這些集群頭。

參考文獻：

[1]. D. Estrin， R. Govindan， J. Heidemann， and S. Kumar， ―Scalable Coordination in Sensor Networks，‖ Proc.Mobicom 99， Seattle， WA， Aug. 1999， pp. 263-270

[2]S. Blackmore， “Precision Farming： An Introduction，” Outlook on Agriculture Journal， Vol. 23， 1994， pp. 275- 280.

作者簡介：

呂曉杰（1998.5-），女，漢，山東省濟南市，北京郵電大學本科在讀，專業：物聯網。