張鵬

（渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南 714000）

在有限的農(nóng)田資源條件下，如何提高生產(chǎn)效率、解決經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益之間的矛盾是目前亟待解決的問(wèn)題。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用信息和控制技術(shù)，可有效地利用資源，最大限度地提高作物產(chǎn)量并減少對(duì)環(huán)境的影響，能高效地收集處理相關(guān)數(shù)據(jù)[1-2]，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展自動(dòng)化、智能化的重要方向。采集準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基本條件，但實(shí)際中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程會(huì)受到地域分散、物種多樣等諸多因素的影響，且農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況受到多種自然條件的因素的制約，如雨量、溫度、濕度和光照等。這些原因造成精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施過(guò)程中面臨著數(shù)據(jù)采集量大、處理困難等問(wèn)題，而使用有線網(wǎng)絡(luò)的成本較高，且不便耕作，使得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用受到了很大制約[3-4]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、監(jiān)測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和容量大等優(yōu)點(diǎn)，非常適合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)采集和分析。在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先滿足定期采集傳感器數(shù)據(jù)功能和實(shí)時(shí)性的要求，而對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)，如土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，只要保證相關(guān)數(shù)據(jù)具有一定的可信度和完整性即可。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)需要大量的節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)能耗點(diǎn)[5]，因此如何降低能耗是節(jié)約成本的一個(gè)重要因素。通過(guò)解決信息傳輸過(guò)程中的碰撞重傳、串音等問(wèn)題，采用減少空閑偵聽(tīng)以及控制開(kāi)銷(xiāo)等方法可有效降低能量消耗。提出通過(guò)調(diào)整接收靈敏度和發(fā)射傳輸功率等級(jí)，評(píng)估喚醒階段權(quán)衡所消耗的能量，通過(guò)路由策略進(jìn)一步平衡所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗可以達(dá)到較好的效果。

1 節(jié)能喚醒策略

節(jié)能效率的提高是通過(guò)減少物理層MAC喚醒同步信號(hào)接收器的能耗，利用路由調(diào)度使每一輪節(jié)間通信周期降到最低，保持負(fù)載均衡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)數(shù)據(jù)周期是指現(xiàn)場(chǎng)所有節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定基站接收器所耗費(fèi)的時(shí)間。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)各種方式被大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。傳感節(jié)點(diǎn)之間也可以相互通信，組織成網(wǎng)并通過(guò)多跳的方式連接至Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)網(wǎng)關(guān)（Gateway）完成和公用網(wǎng)絡(luò)的連接。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)任務(wù)管理器來(lái)進(jìn)行管理和控制。

盡管相鄰節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)同方法保證其具有統(tǒng)一的休眠時(shí)間表，但是節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移仍可能造成同步錯(cuò)誤。硬件時(shí)間由時(shí)鐘變化率的積分得到，節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘可以視作一個(gè)連續(xù)的系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，若有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，則它們的時(shí)鐘可表示為式（1）：

上式中，Hi（t）為 t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的硬件時(shí)間，hi（t）為時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的硬件時(shí)鐘變化率，Hi（t0）為在t0初始時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的硬件時(shí)間，wi（t）為時(shí)鐘系統(tǒng)受到的其它干擾。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是由晶體震蕩脈沖來(lái)得到的。

圖1 傳統(tǒng)模式和多功率節(jié)能模式下節(jié)點(diǎn)喚醒方式比較Fig.1 The wake way compare traditional mode with multi-mode power saving mode node

圖1為節(jié)點(diǎn)在傳統(tǒng)模式和多功率節(jié)能模式下喚醒方式比較，圖1（a）為傳統(tǒng)模式，圖1（b）為多功率節(jié)能模式。圖1（b）中，為了減少在喚醒同步階段所消耗的能量，將來(lái)自相鄰節(jié)點(diǎn)的等待喚醒信號(hào)的發(fā)射狀態(tài)功率調(diào)節(jié)在高位，而喚醒信號(hào)接收狀態(tài)保持在低位的靈敏度功率等級(jí)上。將節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)喚醒模式作為ping信號(hào)，將低靈敏度接受模式作為睡眠（drowsy）狀態(tài)，將這種收發(fā)多功率節(jié)能模式稱之為PD（pingdrowsy）模式。

當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)間發(fā)生最大相對(duì)時(shí)鐘漂移時(shí)，喚醒信號(hào)空閑偵聽(tīng)接收時(shí)間為4Δ，其中，Δ為自上次同步期間以來(lái)的最大的時(shí)鐘漂移，設(shè)置Δ是為了確保其可以從下游鄰近節(jié)點(diǎn)捕捉到同步喚醒信號(hào)。為了不錯(cuò)過(guò)ping，喚醒信號(hào)接收器必須設(shè)置足夠的提前Δ單位時(shí)間；而相對(duì)于睡眠周期較長(zhǎng)的情況下，若Δ值設(shè)置過(guò)大，則接收器耗能明顯增加。隨后的喚醒信號(hào)接收器可能會(huì)比預(yù)定喚醒時(shí)間提前3Δ單位時(shí)間，而發(fā)送方可能會(huì)比預(yù)定喚醒時(shí)間遲醒來(lái)Δ單位時(shí)間。因此，接收器在ping來(lái)之前需要保持至多4Δ單位時(shí)間的睡眠狀態(tài)。為了保證Δ不會(huì)無(wú)限增長(zhǎng)，在應(yīng)用中需要對(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行定期同步。

同步喚醒期間，傳統(tǒng)模式與P-D模式的功率消耗差ΔP可表示為式（2）：

上式中，Pt和Pr分別表示傳統(tǒng)模式下發(fā)送和接收階段的功耗，Pp和Pd分別表示PD模式下發(fā)送和接收階段的功耗，表示ping脈沖的持續(xù)時(shí)間。

2 PD-MAC層與網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

2.1 PD-MAC層設(shè)計(jì)

按照實(shí)現(xiàn)機(jī)制，MAC 協(xié)議可以分基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度的MAC協(xié)議為兩大類(lèi)[6-7]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)計(jì)算和傳感設(shè)備的協(xié)作進(jìn)行特定的應(yīng)用，和其他共享媒體網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似，無(wú)線傳感器的MAC協(xié)議對(duì)保證網(wǎng)絡(luò)的正常十分重要。

在每輪路由開(kāi)始設(shè)置時(shí)，將日程和初始時(shí)鐘復(fù)位信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)所有節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)廣播收到信息后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，同時(shí)設(shè)定計(jì)時(shí)器以便在新的預(yù)定時(shí)間再次進(jìn)行通信。由于時(shí)鐘漂移，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)需要空閑偵聽(tīng)4△單位時(shí)間。數(shù)據(jù)接收器負(fù)責(zé)發(fā)ping信號(hào)給所有發(fā)射器，為了防止數(shù)據(jù)丟失將最多進(jìn)行兩次重傳。將具有PD（ping-drowsy）特征的MAC協(xié)議稱為PD-MAC。圖2為PD-MAC時(shí)序圖，是一個(gè)接收器與兩個(gè)上游發(fā)射器情況下的對(duì)于MAC協(xié)議事件時(shí)間幀表，若兩個(gè)發(fā)射器第一次均傳輸失敗，則第二次重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 PD-MAC時(shí)序圖Fig.2 PD-MAC timing diagram

2.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的目的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務(wù)使傳輸層不需要了解網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸和交換技術(shù)。通過(guò)負(fù)載平衡和避免各節(jié)點(diǎn)多次傳輸?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)節(jié)能目的。只有當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)從它的上游節(jié)點(diǎn)接收到所有數(shù)據(jù)后才向下游節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就可以避免多次發(fā)送。在每一輪中，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到sink節(jié)點(diǎn)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)平衡能耗的穩(wěn)定傳輸和提高節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)故障的容錯(cuò)性。通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)度可以避免現(xiàn)場(chǎng)傳感器之間的互相干擾。節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到距sink節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)，若這樣的接受節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)，則選擇剩余能量最大的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟，直至數(shù)據(jù)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。這樣可以平衡整個(gè)傳感器區(qū)域的能量消耗。

此外，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸順序是根據(jù)路線確定的。路由確定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)順序，必須對(duì)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度，以確定各個(gè)事件的精確時(shí)刻，如節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠的時(shí)刻、喚醒的時(shí)刻等。形成對(duì)應(yīng)的時(shí)間表，以確保數(shù)據(jù)收集發(fā)生時(shí)用盡可能少的ping。為此，所有的發(fā)送器到接收器被分組，并通過(guò)接收器的ping喚醒。若出現(xiàn)信號(hào)傳輸失敗，在當(dāng)前的調(diào)度算法下允許再次重傳，在滿足數(shù)據(jù)傳送率要求的前提下可以進(jìn)行調(diào)整。對(duì)路由和信息調(diào)度先進(jìn)行計(jì)算，然后被分配到現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)。

3 仿真結(jié)果及分析

在TOSSIM（TinyOS simultor）平臺(tái)上進(jìn)行仿真，選擇SMAC與PD-MAC進(jìn)行性能比較，SMAC協(xié)議是一種典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該協(xié)議在IEEE802.11的基礎(chǔ)上引入了低占空比的周期性偵聽(tīng)和休眠機(jī)制，大大地降低了能耗。通過(guò)合理調(diào)度安排確保無(wú)競(jìng)爭(zhēng)，模擬發(fā)送器和接收器的行為。表1為仿真測(cè)試主要參數(shù)表。

表1 仿真測(cè)試主要參數(shù)Tab.1 Main sim ulation test parameters

將測(cè)量區(qū)域劃分成方形，規(guī)格為100×100單位長(zhǎng)度。為了節(jié)省能源，只有相鄰節(jié)點(diǎn)能夠直接彼此進(jìn)行通信?；疚挥诠战翘?，每個(gè)位置都有一個(gè)傳輸范圍，可以覆蓋所有節(jié)點(diǎn)。不同的基站輪流采集數(shù)據(jù)，從而使能量消耗是平衡的[8-9]。該策略具有一定的容錯(cuò)和應(yīng)變能力，而無(wú)需添額外設(shè)備。該網(wǎng)絡(luò)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合，由于能量消耗與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是線性關(guān)系，因此網(wǎng)絡(luò)模型是可擴(kuò)展的。

圖3 不同模式下100個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗比較Fig.3 Comparison of energy consumptionof 100 nodesin differentmodes

圖3為區(qū)域中100個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳統(tǒng)模式、PD模式下的能量消耗情況比較。對(duì)于多PD模式的情況下，節(jié)點(diǎn)能耗較低，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)比其它節(jié)點(diǎn)具有更大的便利?？梢钥闯?，PD模式的負(fù)荷能耗平衡最好，當(dāng)負(fù)載均衡應(yīng)用在路由層，調(diào)度層就能有效實(shí)現(xiàn)。

圖4為不同模式10輪數(shù)能耗均衡比較，顯示了輪數(shù)從1到10時(shí)最大能量耗盡節(jié)點(diǎn)和最小能量耗盡節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)模式與PD模式能耗量差比較，可以看出多發(fā)射功率和多靈敏度接收的PD模式具有更好的能量消耗平衡能力。

4 結(jié) 論

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，研究降低其能耗的方法對(duì)解決傳感器節(jié)點(diǎn)的體積過(guò)大和成本過(guò)高，擴(kuò)大無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值。設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)PD-MAC層和網(wǎng)絡(luò)層，提出了PD節(jié)能喚醒策略用于減少節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘產(chǎn)生較大漂移時(shí)的喚醒同步階段的能耗。在TOSSIM中進(jìn)行了傳統(tǒng)模式與PD模式的仿真對(duì)照，結(jié)果表明所提出的策略具有能耗分布好、節(jié)點(diǎn)能耗低和能耗均衡優(yōu)的特點(diǎn)，達(dá)到了較好的節(jié)能效果。

圖4 不同模式10輪數(shù)能耗均衡比較Fig.4 Energy balance compares of different modes in 10 rounds

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