◎魯曉輝

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三門峽黃河濕地保護區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

◎魯曉輝

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000)

針對黃河濕地保護區(qū)自身特點，設(shè)計了一種基于ZigBee的監(jiān)控系統(tǒng)。將基于扇形區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，以解決數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量以及無線節(jié)點電池續(xù)航能力的問題。傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點采用相同的框架，提升了設(shè)備的通用性。通過仿真實驗和實地測試，系統(tǒng)各項性能優(yōu)良，能夠滿足保護區(qū)的監(jiān)控需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控系統(tǒng)；無線傳輸

國家建立濕地保護區(qū)的主要目的是保持保護區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的平衡，以及對生活在保護區(qū)內(nèi)禽類的保護[1]。出于保護的要求，人類應(yīng)當盡可能少地進入保護區(qū)以防止對周邊環(huán)境的破壞，但出于科研和保護的目的，又需要適時掌握保護區(qū)內(nèi)的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)。

目前對某一區(qū)域的環(huán)境監(jiān)控一般采用三種方法進行[2]：1.少量人員攜帶便攜設(shè)備進入保護區(qū)采樣，將數(shù)據(jù)帶回或?qū)崟r傳輸?shù)胶蠓椒治觯?.建設(shè)有線監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測，有線介質(zhì)供電和傳輸實時數(shù)據(jù)，最后在實驗室對數(shù)據(jù)進行分析；3.組建無線監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測，實時數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄嶒炇曳治觯?jié)點采用太陽能電池供電。

由于濕地保護區(qū)內(nèi)擁有大量的小型水域，每個水域的面積隨環(huán)境因素多有變化[3]。所以，第一種方式由于人類活動較多對保護區(qū)影響較大，一般僅限于處理緊急情況時不得已使用，不能作為常規(guī)監(jiān)控手段。第二種方式優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，由于采用有線供電，節(jié)點續(xù)航能力強。但濕地環(huán)境復(fù)雜，在濕地內(nèi)布線困難較大，且對環(huán)境不利影響較多，實施難度較大。無線網(wǎng)絡(luò)由于采用了無線傳輸和電池供電，相對有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有對環(huán)境影響小、布局靈活的優(yōu)勢被廣泛使用。但數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量以及節(jié)點續(xù)航能力是亟待解決的問題[4]。

針對三門峽黃河濕地自然保護區(qū)黑鸛、大天鵝等國家重點保護動物的環(huán)境監(jiān)控需求，結(jié)合黃河濕地的具體情況設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的黃河濕地保護區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，為野生禽類保護提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

一、系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)模塊設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)由采樣模塊、傳輸模塊、信息處理模塊、應(yīng)用模塊4個部分組成[5]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中采樣模塊與傳輸模塊主要通過無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)[6]，主要完成溫度、光照、噪聲、水質(zhì)、圖像等信息的采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)組建、鏈路選擇實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。信息處理模塊主要在匯聚節(jié)點實現(xiàn)，主要負責(zé)各傳感器數(shù)據(jù)的收集、匯總、初級加工并通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺貦C房。應(yīng)用模塊根據(jù)收到信息提供各類應(yīng)用服務(wù)，包括預(yù)警響應(yīng)、信息記錄、傳感器控制、數(shù)據(jù)挖掘等應(yīng)用功能。

（二）扇形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)保護區(qū)監(jiān)控需求，筆者在確保對環(huán)境影響最小的前提下，以保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量以及提升節(jié)點生存壽命為切入點，提出了利用ZigBee技術(shù)的扇形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由匯聚節(jié)點、一般節(jié)點兩部分構(gòu)成，其中匯聚節(jié)點分布在保護區(qū)外圍，采用有線供電和數(shù)據(jù)傳輸形式，主要負責(zé)接收、處理一般節(jié)點的數(shù)據(jù)，為固定設(shè)施。由于視頻監(jiān)控具有較大的能源消耗和帶寬要求，所以視頻監(jiān)控設(shè)備也安排在匯聚節(jié)點。一般節(jié)點散布在保護區(qū)濕地內(nèi)部，由于采用了電池供電以及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男问?，所以具有布局靈活、對環(huán)境影響小的特點?？梢愿鶕?jù)需求情況，調(diào)整節(jié)點布局，增加或減少節(jié)點。

路由算法采用文獻[7]的動態(tài)分簇路由算法。以匯聚節(jié)點為圓心，將匯聚節(jié)點周圍區(qū)劃分為若干扇形區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)根據(jù)節(jié)點剩余能量以及與匯聚節(jié)點的距離動態(tài)選擇簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點的覆蓋范圍隨距離匯聚節(jié)點的距離增加而增大。簇內(nèi)節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱仡^，并由簇頭采用多跳形式通過其他簇頭傳遞到匯聚節(jié)點，如圖3所示。這樣做的優(yōu)點主要包括：1.動態(tài)選擇傳輸鏈路，有效地避免了個別節(jié)點損壞導(dǎo)致的傳輸失??；2.簇頭選擇考慮剩余能量，能夠均衡地分配各節(jié)點的能量消耗，提升節(jié)點生存壽命；3.根據(jù)與匯聚節(jié)點的距離設(shè)定簇半徑，較近的簇節(jié)點負責(zé)的范圍小，可以將更多能量分配到簇間數(shù)據(jù)傳遞，距離遠的簇節(jié)點簇間轉(zhuǎn)發(fā)量小，可以覆蓋更大的范圍，管理更多的一般節(jié)點，有利于在節(jié)點管理與數(shù)據(jù)傳輸間做到能量消耗平衡。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 分簇結(jié)構(gòu)

二、硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點采用相同的框架設(shè)計，根據(jù)需求不同加裝不同的功能模塊。主控芯片采用TI公司的CC2630，該芯片內(nèi)置RF與外接射頻在外接收發(fā)器配合傳輸距離能夠達到100M，支持16個信道，能夠確保通信可靠性，且功耗較低，完全能夠滿足需求。

（一）無線傳感器節(jié)點設(shè)計

無線傳感器節(jié)點主要包括供電模塊、處理器模塊、工作單元模塊和通信模塊。由于無線傳感器節(jié)點需要深入到濕地內(nèi)部，所以采用電池供電，必要時可以外接太陽能板。處理器模塊采用CC2530芯片主要負責(zé)信息處理以及各模塊協(xié)調(diào)。工作單位主要由外接傳感器組成，包括溫度傳感器、噪聲傳感器、pH值傳感器、光照傳感器等根據(jù)不同檢測點需要安裝。通信模塊采用外接射頻放大器和天線實現(xiàn)2.4GHz的信息穩(wěn)定傳輸。

（二）匯聚節(jié)點設(shè)計

匯聚節(jié)點在系統(tǒng)中處于非常重要的地位，以匯聚節(jié)點為圓心的扇形區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的信息最終都將發(fā)送到匯聚節(jié)點，并通過匯聚節(jié)點以有線形式傳輸?shù)娇刂浦行摹＿@就造成匯聚節(jié)點通信能耗較大，所以對于匯聚節(jié)點供電模塊采用有線形式供電，以提升匯聚節(jié)點生存周期。處理器模塊增加處理程序，對接收的節(jié)點信息進行初步處理，減少數(shù)據(jù)傳輸量。通信模塊采用高速串行總線傳輸，實現(xiàn)信息的遠距離可靠通信。

三、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分為實驗室測試和實地測試兩個部分，其中實驗室測試主要采用Matlab仿真軟件進行模擬仿真，通過對比的形式對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性以及生存時間進行驗證，確認系統(tǒng)的可行性，仿真實驗參數(shù)見下表。實地測試采用實地測試的方式，對系統(tǒng)通信距離以及穩(wěn)定性進行測試，確認系統(tǒng)的可靠性。

（一）數(shù)據(jù)傳輸成功率

采用丟包率判斷節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實驗中，在相對環(huán)境相同的條件下，分別對本文組網(wǎng)方式、采用PEGASIS組網(wǎng)方式以及直接采用直連方式組網(wǎng)進行對比測試，取得其丟包率，結(jié)果見圖3。

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，筆者所采用網(wǎng)絡(luò)的丟包率始終保持在4%以下，與使用傳統(tǒng)的PEGASIS算法組網(wǎng)和普通直聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相比，通信傳輸成功率有較大優(yōu)勢。

（二）無線節(jié)點生存時間

我們采用節(jié)點存活數(shù)來衡量節(jié)點的生存能力，我們通過計算每個通訊輪次匯聚節(jié)點能夠接收到的節(jié)點信息確認生存節(jié)點數(shù)，測試數(shù)據(jù)見圖4所示。

仿真實驗參數(shù)表

圖3 傳輸成功率測試

圖4 節(jié)點存活測試

通過節(jié)點存活數(shù)據(jù)可以看出，采用直聯(lián)的方式組網(wǎng)，節(jié)點在300輪后呈現(xiàn)直線下降趨勢到350輪左右全部死亡，而本文組網(wǎng)方式和PEGASIS算法組網(wǎng)方式的存活時間較長，自第一個節(jié)點死亡到全部死亡分別經(jīng)歷了180輪和240輪，可見本文組網(wǎng)方式在節(jié)點生存能力上有較大優(yōu)勢。

（三）有效通訊距離

在虛擬測試基礎(chǔ)上，為了測試距離對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，我們采用點對點通信和正式組網(wǎng)通信兩種形式對傳輸成功率進行測試。點對點通信采用一個傳感器節(jié)點直接向匯聚節(jié)點通信統(tǒng)計其單位時間內(nèi)丟包率。組網(wǎng)通信采用10個傳感器分布在一條直線上并保持相同間距與匯聚節(jié)點通信。此實驗主要驗證傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的通信功能，所以在實驗時排除了路由算法的干擾。實驗的間距從30M開始逐漸加大到100M，實驗結(jié)果見圖5所示。

通過數(shù)據(jù)可以看出無論采用哪種方式50米以內(nèi)的通信丟包率始終維持在0.5%以下，隨著距離的增加，丟包率緩慢提升，到達100米時點對點的丟包率在2%以下，組網(wǎng)的丟包率在3%以下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信能力完全能夠適應(yīng)保護區(qū)監(jiān)控的需求。在正式使用時，無線傳感器間距應(yīng)當控制在50米到100米之間，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 節(jié)點距離測試

四、結(jié)論

筆者提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的黃河濕地保護區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，為減少對保護區(qū)環(huán)境的影響，系統(tǒng)采用有線與無線結(jié)合的組網(wǎng)方式，在濕地周邊布置基于有線的匯聚節(jié)點，而在濕地內(nèi)部布置基于無線的傳感器節(jié)點，兩種節(jié)點框架設(shè)計均采用CC2360芯片為核心主體框架相同，根據(jù)不同需要可以擴展不同的電源模塊及外接設(shè)備，極大提升了設(shè)備的通用性。最后，通過傳輸成功率，節(jié)點生存時間，有效通信距離等方面進行了驗證，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，能夠滿足保護區(qū)的監(jiān)控需求。

[1]雷昆,張明祥.中國的濕地資源及其保護建議[J].濕地科學(xué)，2005，3(2):81-86.

[2]王英帥，張樂，蔣鵬.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2014(5)．

[3]浙江省環(huán)境保護科學(xué)設(shè)計研究院.杭州市西溪濕地保護區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境影響報告書[R].2004.

[4]蔣鵬.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的濕地水環(huán)境數(shù)據(jù)視頻監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2009(2):244-247.

[5]張猛，房俊龍.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013(S1): 171-176.

[6]喬曉軍，張馨.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005(S1):232-234.

[7]魯曉輝.基于扇形區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究[J].三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014(3)：114-116.

（責(zé)任編輯 卞建寧）

TP277.2

A

1671-9123（2015）01-0042-04

2014-12-22

魯曉輝（1980-），男，河南三門峽人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院講師。