繆祎晟，吳華瑞＋，朱華吉，李飛飛

（1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心，北京100097；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心，北京100097）

0 引 言

“精準農(nóng)業(yè) （precision agriculture）”技術的核心是指利用信息技術精確獲農(nóng)田的濕度、溫度、肥料、病蟲害等數(shù)據(jù)信息，以有效地監(jiān)控農(nóng)作物的生產(chǎn)管理過程，從而實現(xiàn)科學化、精細化種植，最終達到低投入高產(chǎn)出的目的［1］。遙感系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)主要側重于大尺度、宏觀上的測量監(jiān)測，而在農(nóng)業(yè)信息化的最后一公里上，無線傳感器網(wǎng)絡 （wireless sensor network，WSN）則是精準農(nóng)業(yè)在小尺度下的典型技術應用。

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量具有感知、有限計算和通信能力的微小傳感器節(jié)點構成的分布式自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量眾多，結合自我感知、低功耗、多跳通信、自組網(wǎng)等優(yōu)勢特點，是十分理想的環(huán)境實時感知、監(jiān)測與數(shù)據(jù)通信的技術手段。無線傳感器網(wǎng)絡技術是傳感器技術、嵌入式技術、無線通信技術等先進技術的融合與發(fā)展，在多個領域有著廣闊的應用發(fā)展前景。無線傳感器網(wǎng)絡的典型特點是資源受限，在無人值守的大區(qū)域內(nèi)充電或更換電池的不可行性，當某節(jié)點能量耗盡而成為失效節(jié)點，有可能造成某條路徑的失效影響網(wǎng)絡性能，因此無線傳感器網(wǎng)絡低能耗技術一直是研究的重點。

無線傳感器網(wǎng)絡主要采用的是電池供電，而面向大規(guī)模農(nóng)田復雜環(huán)境，能量有限的電池無法支持足夠長的時間。大面積農(nóng)田監(jiān)測傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，人工更換電池周期長、工作量大，一旦節(jié)點電池能量耗盡，網(wǎng)絡性能和覆蓋范圍將受到很大影響。網(wǎng)絡整體能量過快消耗和網(wǎng)絡中各節(jié)點能耗不均是造成網(wǎng)絡失效的主要原因。農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡生境監(jiān)測系統(tǒng)中的部分網(wǎng)絡節(jié)點由于承擔較多采集、轉發(fā)任務，造成節(jié)點能量迅速殆盡以至節(jié)點失效，而使網(wǎng)絡的連通性及覆蓋范圍遭受破壞，進一步對相連網(wǎng)絡局部的正常工作造成影響，損壞系統(tǒng)監(jiān)測功能。因此，無線傳感器網(wǎng)絡能耗控制研究將對其應用的可持續(xù)性產(chǎn)生決定性作用。

以往無線傳感器網(wǎng)絡能耗優(yōu)化的研究多集中在能量效率的MAC協(xié)議［2－6］和網(wǎng)絡拓撲［7］方面，但這些大都是傳統(tǒng)的Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡協(xié)議的改進，目的是為了找出最短多跳路徑，減少在數(shù)據(jù)傳輸中的能量浪費。層次化網(wǎng)絡拓撲是利用分簇機制，以隨機方式或按一定權重選擇一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點組成處理和轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，同時根據(jù)能量權重進行網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)調(diào)整，具有較高剩余能量的節(jié)點將擁有更多的機會成為簇頭，從而使網(wǎng)絡能耗分布更加均勻，以延長網(wǎng)絡的總體生存時間。這些研究都是從網(wǎng)絡總體層面減少浪費和平均能耗的角度出發(fā)，并沒有從節(jié)點本身的能耗控制入手，目前節(jié)點能耗控制的主要手段只有通過簡單的周期性偵聽和節(jié)點睡眠減少節(jié)點能耗［8］，并沒有從節(jié)點軟硬件設計上深入挖掘節(jié)點自身的低功耗潛力。

本文針對精準農(nóng)業(yè)中農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測場景的具體需要，以簇首輪換機制網(wǎng)絡模型為整體背景，重點研究節(jié)點自身低功耗手段，按能耗狀態(tài)權重不同形成不同狀態(tài)轉換機制，提出能耗狀態(tài)機模型，進一步降低節(jié)點能耗，從根本上提高節(jié)點的能量使用效率，延長整體監(jiān)測系統(tǒng)的生存周期，滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測長時間穩(wěn)定的運行需求。

1 簇首輪換模型及問題描述

分簇路由協(xié)議的特點是按一定規(guī)則將傳感器節(jié)點分成不同的簇，簇內(nèi)成員節(jié)點將收集的監(jiān)控信息都上傳給簇首，簇首通過數(shù)據(jù)融合減少傳輸信息量，最后由簇首把處理后的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點。很顯然，簇首的處理與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠大于其它簇內(nèi)節(jié)點，所以其能耗也遠高于其它節(jié)點，為解決簇首節(jié)點能耗過大的問題，提出了由簇首由簇內(nèi)節(jié)點輪流承擔，即簇首輪換機制。LEACH 作為經(jīng)典的分簇路由協(xié)議按完全隨機的方式選擇簇首，但沒有考慮節(jié)點能量這一重要因素，在長時間運行過程中，較易造成網(wǎng)絡各節(jié)點能耗不均衡，某些節(jié)點能量迅速消耗、失效并最終影響網(wǎng)絡的整體壽命。基于簇的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲模型如圖1所示。

圖1 基于簇的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲

文獻 ［1］中提出的CHCS （cluster head cycle－switching）簇首輪換算法在選舉簇首時，加入節(jié)點能量信息權重，使得最高能量節(jié)點成為簇首，最終達到各節(jié)點間能量消耗均衡分布，延長網(wǎng)絡壽命的目的。在CHCS 算法中，網(wǎng)絡節(jié)點的工作狀態(tài)被分為4種，其中Active狀態(tài)是網(wǎng)絡的工作階段，所有節(jié)點同時處于工作狀態(tài)，其間所有節(jié)點自發(fā)向簇首節(jié)點上傳數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)量大，碰撞沖突的可能性大，通信持續(xù)時間長，消耗的能量也大。因沒有對各節(jié)點不區(qū)分對待，引起傳輸信道一直被沖突占用，導致大量網(wǎng)絡節(jié)點同時長時監(jiān)聽信道，造成節(jié)點能量浪費。為解決此問題，本文找出問題的關鍵，從區(qū)分節(jié)點角色與任務入手，以節(jié)點剩余能量確定節(jié)點在此輪數(shù)據(jù)通信中的權重，節(jié)點按不同權重安排采集與上傳的優(yōu)先順序。本文同時還從單一節(jié)點自身狀態(tài)轉換角度出發(fā)，按能耗權重不同對各模塊之間的工作狀態(tài)進行調(diào)度優(yōu)化，減少或避免多個模塊同時工作的情況，降低節(jié)點自身能耗，從根本上延長網(wǎng)絡的生存周期。

2 節(jié)點硬件體系結構

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點整體架構如圖2所示，按功能不同主要可分為4個功能模塊：傳感器與接口模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源供給與管理單元模塊。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點架構

傳感器模塊與接口適配電路負責環(huán)境變量信息的感知采集、轉換，對不同接口電路間的電平適配連接；處理器模塊負責對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理、存儲、傳輸并負責對其它模塊的工作狀態(tài)進行控制與管理；無線通信模塊將負責節(jié)點的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接建立、數(shù)據(jù)收發(fā)；電源供給與管理單元模塊包括提供能量存儲的電池和電壓轉換及管理的供電電路，為各模塊提供能量。

就系統(tǒng)能耗的角度而言，傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊是節(jié)點的主要耗能模塊，傳感器選型時避免選擇高能耗傳感器，可將傳感器模塊在節(jié)點中的能耗降到最低；無線通信消耗了節(jié)點的大部分能量，單位信息處理與傳輸?shù)哪芎膶Ρ瓤蓞⒁娢墨I ［9］，因此無線傳輸是能耗優(yōu)化設計中需要主要考慮的部分。

3 能耗狀態(tài)機

隨著微電子技術的發(fā)展應用，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中為所有的模塊均可以轉換至休眠狀態(tài)以節(jié)約能耗，可通過處理器模塊控制節(jié)點各模塊根據(jù)不同的需要分別休眠或喚醒，在滿足監(jiān)控功能的前提下降低功耗。

本文提出一種基于簇首輪換優(yōu)化算法CHCS的節(jié)點狀態(tài)轉換機制PCWSM （power consumption weighted state machine）。該轉換機制側重于基于能量權重的節(jié)點狀態(tài)轉換，有效減少各模塊的工作時間，從而減少節(jié)點的整體能耗尤其是低能量節(jié)點的能量消耗。

首先按照CHCS算法［1］，各節(jié)點輪流向區(qū)域內(nèi)廣播能量自身狀態(tài)信息，在所有節(jié)點廣播后，節(jié)點向區(qū)域內(nèi)剩余能量期望最大的節(jié)點發(fā)送投票信息 （Vote－msg），獲得最多投票信息的節(jié)點廣播ClusterHead－msg消息，宣布成為簇首節(jié)點，接收到該消息的節(jié)點回復應答消息加入該簇。

本文在此基礎上，探索可應用于大規(guī)模農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點能耗狀態(tài)機EWSM （energy－consumption weighted state machine），突出單個節(jié)點自身各功能模塊基于能耗加權的狀態(tài)轉換，降低低能節(jié)點的網(wǎng)絡監(jiān)聽與等待時間，盡可能避免節(jié)點內(nèi)各模塊同時工作的情況，從根本上降低節(jié)點及網(wǎng)絡整體能耗。

定義1 節(jié)點能量權重。根據(jù)節(jié)點接收到的Vote－msg以及簇首節(jié)點的max （Vote－msg）相除，結果進行歸一化作為其自身的能量權重Ew

根據(jù)節(jié)點能量權重不同，節(jié)點按如下規(guī)則進行狀態(tài)轉換。

規(guī)則1：Ew＝1 即為能量權重最大，為簇首節(jié)點；Ew∈ （0.5，1），為能量優(yōu)勢節(jié)點，可充當路由節(jié)點，承擔對其它節(jié)點的中繼轉發(fā)功能；Ew∈ （0，0.5］，能量不足節(jié)點，僅作為采集節(jié)點，不承擔對其它節(jié)點的中繼轉發(fā)功能。

規(guī)則2：網(wǎng)絡建立后，所有節(jié)點按不同優(yōu)先級采集、上傳數(shù)據(jù)，無子節(jié)點的路由節(jié)點首先上傳數(shù)據(jù)，隨后轉入休眠狀態(tài)，其余路由節(jié)點正常工作；所有采集節(jié)點采取先睡眠再定時喚醒上傳策略，睡眠時間為其中，Tmax為預設的最長數(shù)據(jù)上傳等待時間。

規(guī)則3：當節(jié)點轉入網(wǎng)絡監(jiān)聽時，處理器模塊進入睡眠狀態(tài)，激活無線通訊模塊接受模式監(jiān)聽信道上是否有節(jié)點要進行數(shù)據(jù)上傳。

規(guī)則4：引入狀態(tài)向量表征節(jié)點各模塊的工作狀態(tài)。向量表示為 ［s，p，w，Role］，其中s代表傳感器模塊的工作狀態(tài)，p代表處理器模塊的工作狀態(tài)，w 代表無線通訊模塊的工作狀態(tài)，R 表示節(jié)點在整體網(wǎng)絡中所扮演的角色。

s／p：0－模塊休眠，1－模塊工作；

w：00－模塊休眠，01－信道監(jiān)聽，11－通訊模式，發(fā)送或接收；

Role：H－簇首節(jié)點，R－路由節(jié)點，A－采集節(jié)點，X－狀態(tài)待定。

能耗狀態(tài)機PCWSM 狀態(tài)轉換關系如圖3所示。

圖3 PCWSM 狀態(tài)轉換

4 能耗性能評估

仿真方案結構及參數(shù)參照文獻 ［3］進行設置，監(jiān)測區(qū)域為100m×100m，隨機部署100個節(jié)點。用MATLAB對網(wǎng)絡平均節(jié)點能耗情況進行仿真評估，所有節(jié)點的初始能量值為200J。

節(jié)點在各狀態(tài)下的平均能耗及各狀態(tài)在一次上傳周期中所占的比重見表1。

從表1中可以看出，節(jié)點在不同狀態(tài)下的能耗區(qū)別，節(jié)點處理器模塊的功耗最小，工作時間也較短；傳感器模塊功耗中等，工作時間最短；無線通訊模塊的功耗最大，工作時間也最長。而且可以看到，簇首節(jié)點的工作時間幾乎占滿整個上傳周期，路由節(jié)點的工作平均時間約為簇首節(jié)點的一半，傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳時間很短，說明PCWSM 算法有效降低了低能量節(jié)點的關鍵能耗。但還應該看到，對于傳感節(jié)點，組網(wǎng)的通信時間已大于數(shù)據(jù)上傳通信時間，即意味著對于低能量節(jié)點，算法開銷已成為其能耗的主要部分，這也是后續(xù)研究中需要解決的主要問題。根據(jù)節(jié)點各狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)，結合PCWSM 狀態(tài)轉換圖可以得到，PCWSM 算法的優(yōu)勢在于：①將能量權重相對較低的節(jié)點置于工作時間短、能量消耗少的狀態(tài)轉換路徑上，最大程度上避免低能量節(jié)點的等待時間，減緩其能量消耗；②有效利用各模塊的休眠機制，對模塊間進行基于能耗的狀態(tài)轉換控制，減少節(jié)點在等待、監(jiān)聽、工作等各狀態(tài)下的不必要能量浪費；③按照能量權重倒序安排上傳優(yōu)先級，保證低能量節(jié)點最少的能量消耗。相對傳統(tǒng)的簇首輪換機制大大減少了節(jié)點中傳感器模塊和處理器模塊的工作時間，對于采集節(jié)點還減少了對網(wǎng)絡信道的監(jiān)聽等待時間，按照能量權重進行上傳時間點的順序安排，基本上避免了節(jié)點共同搶占網(wǎng)絡信道資源，提高了簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸效率。通過以上幾個方面，PCWSM 通過多種有效方式明顯降低網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗。在同樣的初始狀態(tài)下，PCWSM 和CHCS算法節(jié)點平均能量的變化趨勢對比如圖4所示。

表1 節(jié)點各狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)

圖4 節(jié)點平均能量變化對比

從圖4中可以直觀地看出，采用PCWSM 機制的總體網(wǎng)絡壽命大約為單純使用CHCS的兩倍。這是因為CHCS算法在優(yōu)化過程中將網(wǎng)絡節(jié)點視為一個整體，只有休眠和工作兩種狀態(tài)，在工作狀態(tài)下認為節(jié)點各部分均正常工作，功耗為節(jié)點最大功耗，能量浪費巨大。引入能耗狀態(tài)機PCWSM 后，節(jié)點各模塊根據(jù)當前節(jié)點能量權重的不同按預定規(guī)則進行狀態(tài)轉換，使得任一時刻均有一個或多個模塊處于休眠狀態(tài)，從而使節(jié)點能耗大大降低。

此外從表1中節(jié)點各狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于作為傳感節(jié)點的低能量節(jié)點數(shù)據(jù)上傳時間很短，PCWSM 有效減少了低能量節(jié)點的監(jiān)聽等待時間。但同時可以看出，對于低能量節(jié)點，簇形成階段的算法通信開銷已成為主要能耗部分，下一步需要深入研究的重點即在于，減少節(jié)點算法中對其它節(jié)點狀態(tài)的需求，降低成簇階段的網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)通信數(shù)量與時長，進一步降低網(wǎng)絡功耗。

5 結束語

在農(nóng)業(yè)大田的無線傳感器網(wǎng)絡應用中，如何根據(jù)節(jié)點能量權重調(diào)整節(jié)點工作狀態(tài)是有待進一步研究的重點。本文在基于CHCS簇首輪換算法的網(wǎng)絡結構基礎之上，主要針對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電源容量有限這一典型約束，結合農(nóng)田應用中傳感器節(jié)點無需不間斷采集數(shù)據(jù)的實際情況，提出一種基于功耗感知的狀態(tài)機轉換機制PCWSM，按照節(jié)點不同的能量權重，由處理器模塊控制節(jié)點各部分進行對應的狀態(tài)轉換，從降低節(jié)點自身的功耗角度從根本上降低網(wǎng)絡整體能耗，并優(yōu)先保證能量相對不足節(jié)點的低功耗狀態(tài)轉換，延長網(wǎng)絡壽命。

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