高霞，袁明波，饒頔，李勇

1.山東電子職業(yè)技術學院，山東濟南250200

2.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京100083

3.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250101

農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡低功耗休眠算法應用研究

高霞1，袁明波1，饒頔2，李勇3

1.山東電子職業(yè)技術學院，山東濟南250200

2.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京100083

3.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250101

無線傳感器網(wǎng)絡技術在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應用，傳感器節(jié)點能量有限，但是農(nóng)業(yè)環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡的能耗要求更高。如何最大限度地利用有限的能量，延長網(wǎng)絡節(jié)點電池的供電時長成為了研究農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵問題之一。本文從優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構及優(yōu)化節(jié)點同步/休眠機制入手，研究在不影響網(wǎng)絡通訊質量的前提下，實現(xiàn)網(wǎng)絡同步及休眠，降低傳感器節(jié)點能耗。選擇了一種樹形網(wǎng)絡拓撲結構，提出了一種逐級休眠喚醒同步的節(jié)點時間同步、休眠方式，在JENIC5139平臺進行了試驗。結果表明，該網(wǎng)絡拓撲結構及休眠方式，進一步降低功耗，大大延長了農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡電池的供電時間，從而提高網(wǎng)絡的生存期。

無線傳感器網(wǎng)絡；休眠；時間同步

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)上的應用越來越廣泛。傳感器節(jié)點大多由能量有限的電池供電，且長期在無人值守的狀態(tài)下工作。由于農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點個數(shù)多、分布區(qū)域廣、所處環(huán)境復雜，通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的，必須對WSN（wireless sensor network）進行能量管理，采用有效的節(jié)能策略降低節(jié)點的能耗，延長無線網(wǎng)絡及節(jié)點電池的供電時長，從而延長WSN在不更換電池條件下的生存期［1，2］。

最常用的節(jié)能策略是采用休眠機制，即把沒有傳感任務的傳感器節(jié)點的計算和通信模塊關掉或者調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，從而達到節(jié)省能量的目的?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的應用大部分都需要網(wǎng)絡中節(jié)點的時鐘保持同步。準確的時間同步是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡自身協(xié)議的運行、數(shù)據(jù)融合、TDMA調(diào)度、協(xié)同睡眠、定位等的基礎。然而在傳感器網(wǎng)絡中，不同的節(jié)點都有自己的本地時鐘，由于不同節(jié)點的晶體振蕩頻率存在偏差，以及周圍環(huán)境溫度的變化或者電磁波干擾等，使在某個時間已經(jīng)同步的節(jié)點，它們的時間逐漸出現(xiàn)偏差［3-10］。因此，如何實現(xiàn)時間同步，同時實現(xiàn)傳感器節(jié)點的休眠，成為了降低傳感器網(wǎng)絡能耗的焦點問題。本研究為降低農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡能耗，設計了一種時間同步及休眠算法。

1 時間同步及休眠算法實現(xiàn)

1.1 路由算法選擇

路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑以及將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。與Ad Hoc不同的是，能耗是無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的重點。

農(nóng)業(yè)環(huán)境有復雜多變的特點，同時，無線傳感網(wǎng)節(jié)點大都在野外環(huán)境，因此對能耗要求更是高。樹形網(wǎng)絡拓撲結構與星型拓撲相比不僅有很好的擴展性，比起mesh網(wǎng)絡更簡單，能耗以及路由管理更簡單。針對農(nóng)業(yè)環(huán)境的特點，以及本研究的同步及休眠算法，選擇樹形拓撲，集中式路由方式。集中式路由是由協(xié)議幀發(fā)起網(wǎng)絡節(jié)點（通常是PAN網(wǎng)絡的干節(jié)點），指定全過程的路由線路，路由設備只要根據(jù)協(xié)議的地址內(nèi)容，遵照執(zhí)行即可，這樣大大降低路由開銷，如圖1所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點處于0級，終端節(jié)點處于末級，中間各級均為匯聚/路由節(jié)點。集中式路由方式是一種分層式路由協(xié)議，分層路由協(xié)議的特點使其適合應用于大規(guī)模部署的傳感器網(wǎng)絡，具有較好的可擴展性［7］。

1.2 休眠算法及同步實現(xiàn)

本研究的休眠算法及同步實現(xiàn)是基于IEEE802.15.4。該標準是針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（low-rate wireless personal area network，LR-WPAN）制定的標準，該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之音的低速互連提供統(tǒng)一標準。IEEE 802.15.4支持的星型拓撲及點對點結構可以方便地使我們能夠擴展使用構成樹形的拓撲結構。同時，CSMA-CA技術不僅能夠提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詼p少數(shù)據(jù)沖突，還可以減少無線傳輸?shù)哪芎摹?/p>

圖1 網(wǎng)絡拓撲Fig.1Topology of network

圖2 節(jié)點運轉狀態(tài)轉換Fig.2Transitionstateofnode operation

協(xié)調(diào)器節(jié)點首先建立根網(wǎng)絡，然后掃描信道，等待子節(jié)點加入網(wǎng)絡。子節(jié)點匯聚節(jié)點/路由節(jié)點或者終端節(jié)點成功入網(wǎng)，與協(xié)調(diào)器節(jié)點時鐘同步，同步成功后進入同步休眠。

當終端節(jié)點進入工作時間，首先進行查詢是否有采集等工作任務，如果沒有任務，異步休眠定時器啟動，節(jié)點進入異步休眠，終端節(jié)點會定時異步休眠喚醒，進行任務查詢，有工作任務則執(zhí)行，沒有則繼續(xù)異步休眠。當一個同步休眠周期結束，全網(wǎng)又同時進入同步休眠，如此反復，周期運行。整個PAN一個時間周期內(nèi)的同步休眠及終端節(jié)點的異步休眠算法流程如圖3。同一級的終端節(jié)點在同步休眠算法中由于同步休眠喚醒時間相同，會導致同步休眠喚醒時，同時醒來與父節(jié)點進行通訊，可能導致信道擁擠，由于CSMA/CA機制從而引發(fā)多余的空閑偵聽，增加能耗，為了避免這一情況，采取在同一級終端節(jié)點異步休眠周期中加入隨機延時，從而可以有效避免同一級節(jié)點休眠喚醒時的通信碰撞。

圖3 時間同步及休眠算法實現(xiàn)流程Fig.3 Time synchronization and dormancy algorithm process

2實驗結果與分析

實驗采用jenic5139 R1模塊作為本實驗節(jié)點的核心芯片。簇頭協(xié)調(diào)器節(jié)點與PC相連，通過串口與PC進行信息交互。匯聚節(jié)點/路由節(jié)點由4.2 V蓄電池提供電源，并進行太陽能自動充電。終端節(jié)點由于能耗最低，可采用2節(jié)5號電池供電。終端節(jié)點正常工作時，接一個溶解氧傳感器進行周期性數(shù)據(jù)采集。實驗針對終端節(jié)點的能耗進行分析。

由于無法直接測量終端傳感器節(jié)點的能耗，運用一個簡單的1 Ω電阻（實際使用電阻為1.6 Ω）串聯(lián)終端節(jié)點，忽略在小電阻上的能耗，相當于短路導線，利用示波器觀測電阻兩端的電壓，記錄波形，即可計算出終端節(jié)點的能耗。串聯(lián)電路如圖4所示。

所要分析的終端節(jié)點運行狀態(tài)分為兩種，工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。設Iw是節(jié)點的工作電流，Tw是工作時間，Pw是工作消耗，則可根據(jù)公式計算：

設Ts是休眠時間，則平均工作電流Iwa可算得：

第一次全國水利普查是一項重要的國情國力調(diào)查，是國家資源環(huán)境調(diào)查的重要組成部分，地下水取水井普查是水利普查的專項普查之一。通過對地下水取水井的普查，查清地下水取水井的數(shù)量、分布及取水量等基本信息，建立地下水取水工程基礎信息平臺，將為強化地下水取水井及地下水水源地的監(jiān)督與管理，合理開發(fā)、有效利用、積極保護地下水資源，實施最嚴格的水資源管理制度提供基礎支撐和保障。

同理，平均休眠電流Iws可算得：

那么，傳感器終端節(jié)點的平均電流Iav可算得：

根據(jù)算出的平均電流Iav，其單位為毫安（mA），則可得出傳感器節(jié)點每小時的能耗為L=E/Iav×1h，單位為毫安時（mAh）。

（以上紅色段落部分，因單倍行距公式或字母的下標被遮擋，請重新調(diào)整公式大?。?/p>

設電池容量為E，則可以算出電池壽命

下面分析三種情況傳感器終端節(jié)點的能耗。

情況一，終端節(jié)點不休眠，接一個溶解氧智能傳感器進行周期性數(shù)據(jù)采集，采集周期為5 min，溶解氧傳感器供電時長為3 min。

圖5為溶解氧供電能耗圖，圖中電壓峰值為8.5 mV，圖中每500 ms的尖峰脈沖為軟件程序中的看門狗喂狗，能耗相較之下可以忽略，根據(jù)公式可計算出傳感器節(jié)點休眠時，僅溶解氧傳感器耗電，工作電流為5.3 mA。圖6為傳感器節(jié)點按本算法異步休眠的能耗，圖中持續(xù)200 ms的方波即為傳感器節(jié)點工作時的耗電量，峰值為90 mV，根據(jù)公式可計算出工作電流為56.25 mA。

情況二，終端節(jié)點采取異步休眠算法，異步休眠周期為5 s，接一個溶解氧智能傳感器進行周期性數(shù)據(jù)采集，采集周期為5 min，溶解氧傳感器供電時長為3 min。

溶解氧傳感器工作的平均電流同情況一一樣，為5.3 mA。由于傳感器節(jié)點進行5 s周期性的異步休眠，工作電流如圖所示，工作電流同情況一一樣，為56.25 mA。傳感器節(jié)點每5 s工作時間為200 ms。進行采集任務時，工作800 ms。

情況三，終端節(jié)點采取同步休眠異步休眠算法，異步休眠周期為5 s，同步休眠周期1 min，其中工作時間20 s，休眠時間40 s。

溶解氧傳感器工作情況同前兩種情況，此時傳感器節(jié)點工作電流為5.3 mA。傳感器正常工作時的工作電流同樣為56.25 mA。

當傳感器節(jié)點如情況二僅進行異步休眠，一個周期內(nèi)實際工作時長為12.8 s。當進行同步休眠異步休眠時，一個周期內(nèi)實際工作時長可算得為4 s。

圖4 實驗電路及實物圖Fig.4 The experiment circuit and the real materials

圖5 傳感器供電工作電流示波器Fig.5 The working current of sensor power supply

圖6 終端采集數(shù)據(jù)時工作電流Fig.6 The working current when data terminal was working

圖7 異步休眠工作電流Fig.7The working currentof asynchronous dormancy

根據(jù)三種情況的平均工作電流，以標準2000 mAh的蓄電池為例，根據(jù)公式（5）可以得出三種情況的傳感器節(jié)點的供電時長，分別為33.7 h，358.4 h，508.9 h。

表1 實驗參數(shù)及結果匯總Table 1 Summary of experimental parameters and results

將實驗參數(shù)、實驗結構列表進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，進行同步休眠異步休眠傳感器節(jié)點壽命最長，達到了508.9 h，僅異步休眠傳感器節(jié)點壽命稍微短了些，但也達到358.4 h，完全不休眠一直工作時傳感器節(jié)點僅能工作33.7 h。實驗結果顯示，本算法大大降低了傳感器節(jié)點的功耗，延長了傳感器節(jié)點的壽命。

3 結束語

無線傳感器網(wǎng)絡的能源是有限的，對于大部分應用，特別是農(nóng)用來說，休眠是必須的，所以一種有效的節(jié)點休眠同步算法對于延長農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡生命是極為重要的。本文農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡能耗優(yōu)化策略建立在集中式路由的基礎上，實現(xiàn)了匯聚節(jié)點/路由節(jié)點和終端節(jié)點的同步休眠，同時終端節(jié)點還進行異步休眠，進一步降低了終端節(jié)點的能耗。

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Research on the Application of the Low-power Sleeping Algorithm for Agricultural Wireless Sensor Network

GAO Xia1，YUAN Ming-bo1，RAO Di2，LI Yong3

1.ShandongCollegeof Electronic Technology，Jinan 250200，China
2.Collegeof Information and Electrical Engineering，ChinaAgricultural University，Beijing 100083，China
3.Shandong Longneng Smart Technique Co.Ltd.，Jinan 250101，China

Wireless sensor network technology is widely applied in agriculture，sensor node energy is limited，but the energy consumption of agricultural environment on wireless sensor network is high.How to maximize the use of limited energy，prolong the network nodes in the life cycle of a wireless sensor network become the key problem of agricultural wireless sensor network.This paper，from side of the optimization of wireless sensor network topology structure and optimizing node synchronous/dormancy mechanism，studied how to make no impact on the network communication and the respect of the quality of the network synchronization and dormancy.A network topology structure and node time synchronization，dormancy way was put forward，and tested on JENIC5139 platform.The results showed that the network topology structure and dormancy way，greatly extend the wireless sensor network life cycle.

Sensor network；dormancy；time synchronization

S126

A

1000-2324（2015）01-0101-05

2012-11-20

2013-01-12

山東省高等學校優(yōu)秀教師國內(nèi)訪問學者經(jīng)費資助

高霞（1975-），女，講師，主要研究農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡.