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        基于LEACH的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)研究

        2020-10-09 10:24:29陳建云
        電腦知識與技術(shù) 2020年22期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)融合監(jiān)測系統(tǒng)

        摘要:我國農(nóng)業(yè)正向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的科學(xué)管理,就需對農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)要素有效監(jiān)測,因此農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)有重要研究價值。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要構(gòu)成部分之一,是實現(xiàn)生產(chǎn)要素中數(shù)據(jù)采集以及傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。然而,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中現(xiàn)實環(huán)境干擾因素多且數(shù)據(jù)采集量大,而WSNs節(jié)點處理能力又有限,如何確保WSNs的持久穩(wěn)定運行成為一個重要議題。因此,本文采用了一種融合算法——基于LEACH的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法,對采集到的數(shù)據(jù)進行融合;同時,對LEACH算法應(yīng)用在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的效果進行了仿真,結(jié)果表明,LEACH算法能降低WSNs節(jié)點能耗誕長WSNs生存周期。

        關(guān)鍵詞:WSNs;監(jiān)測系統(tǒng);數(shù)據(jù)融合;LEACH

        中圖分類號:TP31 文獻標(biāo)識碼:A

        文章編號:1009-3044(2020)22-0003-05

        開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):

        農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是利用儀器儀表對農(nóng)作物生長過程中的數(shù)據(jù)進行采集及控制的物聯(lián)網(wǎng)。目前,我國農(nóng)業(yè)正經(jīng)歷改革,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展速度明顯加快,但是,同樣面臨著環(huán)境、資源、市場等多重約束,維護生態(tài)平衡、保證食品和糧食安全的這些壓力依然存在,保障農(nóng)民的穩(wěn)定增收任務(wù)越來越重。因此,探索農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展模式和理論研究,在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中發(fā)揮重要作用,對促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變、農(nóng)民增收有重要意義。農(nóng)戶通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),對農(nóng)作物生長要素(如光照度、溫濕度、二氧化碳、土壤微量元素含量、土壤含水量等)進行實時監(jiān)測,因此就能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能化和精準(zhǔn)化管理[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( WSNs)作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),由于農(nóng)業(yè)中信息采集數(shù)量大,數(shù)據(jù)傳輸量多且路徑較復(fù)雜,但是WSNs中節(jié)點能量十分有限,導(dǎo)致WSNs就不能保持穩(wěn)定、持久運行,這也是制約農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的主要原因。所以,如何確保WSNs的持久穩(wěn)定運行成為一個重要議題。因此,本文采用了一種基于LEACH的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法,對采集到的數(shù)據(jù)進行融合,通過模擬仿真,應(yīng)用在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法LEACH[2],能均衡節(jié)點的能量分布,使WSNs的生存周期延長,從而達到WSNs持久穩(wěn)定運行目的。

        1 模型架構(gòu)

        農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的模型架構(gòu)是建立在物聯(lián)網(wǎng)模型架構(gòu)之上,它是應(yīng)用在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的一種物聯(lián)網(wǎng)。所以,要想清楚農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的模型架構(gòu),就要先了解物聯(lián)網(wǎng)模型架構(gòu)[3]。從下至上,物聯(lián)網(wǎng)的模型架構(gòu)第一層(底層)是感知層,這是物聯(lián)網(wǎng)的根本,是掌握萬物世界的有關(guān)信息,是信息世界與物理世界的聯(lián)接,感知層是由一個個感知節(jié)點(如傳感器、傳動器、GPS/北斗、RFID芯片、二維碼、紅外感應(yīng)等)構(gòu)成,主要是能感知與識別物品信息和外部環(huán)境信息采集。物聯(lián)網(wǎng)模型架構(gòu)的第二層(中間層)是網(wǎng)絡(luò)層,主要作用是把感知層獲取到的信息通過各種網(wǎng)絡(luò)(如無線網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)等)進行傳輸,是負責(zé)處理以及傳遞信息。物聯(lián)網(wǎng)模型架構(gòu)的第三層(頂層)叫應(yīng)用層,應(yīng)用層的主要作用是將網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的信息進行安全的處理,通過終端設(shè)備(如云計算、應(yīng)用集成、Web服務(wù)等)與人進行人機交互,實現(xiàn)信息共享與互通,達到自動化、智能化控制的目的。物聯(lián)網(wǎng)的模型架構(gòu)如圖1所示。

        農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的模型架構(gòu)從底層到頂層可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層(傳輸層)、處理層以及應(yīng)用層,與物聯(lián)網(wǎng)的模型架構(gòu)相似。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中,底層是感知層。感知層具有數(shù)據(jù)采集功能,利用感知設(shè)備如溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等感知農(nóng)作物生長環(huán)境中的各類數(shù)據(jù),對農(nóng)作物生長有用且不可或缺的各種信息進行采集以及識別,是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)模型架構(gòu)的第二層是網(wǎng)絡(luò)層,也叫傳輸層,這一層的主要作用是通過WSNs等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),實現(xiàn)真正意義上的遠距離通信。處理層是在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)模型架構(gòu)的第三層,利用數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)等進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的共享、預(yù)測、分析和決策等功能,在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中,此過程能完成數(shù)據(jù)處理、預(yù)測診斷、報警推送、智能控制等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的頂層是應(yīng)用層,這一層是具體應(yīng)用在農(nóng)業(yè)實際環(huán)境中,幾乎涉及了農(nóng)業(yè)的各個方面,如大面積田地種植系統(tǒng)、農(nóng)作物追溯系統(tǒng)、園林園藝設(shè)施系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)等。

        2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

        WSNs用于采集各項農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)(如光照、CO,、溫濕度、土壤含水量等)的多種信息,各類傳感器節(jié)點在進行數(shù)據(jù)采集之后會進行自組網(wǎng),將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到WSNs中的匯聚節(jié)點(Sink Node)[4],匯聚節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合等特征,可將數(shù)據(jù)先進行融合,然后將融合之后的數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(Managed Node),管理節(jié)點再將數(shù)據(jù)傳送農(nóng)戶。同時,農(nóng)戶可通過終端等設(shè)備(如手機、PC機、電腦等)對WSNs發(fā)送監(jiān)測管理任務(wù)等進行管理及配置。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖3所示。

        從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖中可知,總體模塊分為五塊,有利用光照、CO2、溫濕度、含水量等外部傳感器,主要功能有采集農(nóng)戶所需信息的傳感器模塊;有經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示的顯示器模塊;有由STM32F103型主控芯片完成ROM/RAM和1/0等功能的處理器模塊[5],主要功能是完成數(shù)據(jù)的讀寫、存儲、輸入輸出等,在此模塊中,有上下模塊都是用通用異步收發(fā)傳輸器(UART)通訊[6];有將采集到的數(shù)據(jù)通過CC2530芯片傳送到處理器模塊的無線通信模塊,此模塊在硬件總體設(shè)計中起到關(guān)鍵性作用,在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中,其無線網(wǎng)絡(luò)要求傳送距離長和功耗低等要求;有為硬件系統(tǒng)直接供電的供電模塊。

        本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),主要從功耗低、微型化、低成本、射頻性良好、可擴展性等五個方面考慮,目的是準(zhǔn)確實時獲得農(nóng)業(yè)環(huán)境中農(nóng)作物的各類信息,為農(nóng)戶提供數(shù)據(jù),同時也要確保數(shù)據(jù)的真實準(zhǔn)確性,讓農(nóng)戶進行智能決策的操作。

        根據(jù)總體設(shè)計要求,本系統(tǒng)的WSNs中,采集控制節(jié)點和匯聚節(jié)點通信是用MSG( Windows程序中的結(jié)構(gòu)體)信息幀通訊。函數(shù)定義如下:

        adefDataRequest

        (APS_ADDMODE_SHORT)

        u16AddrDst

        WSN_PROFILE_ID

        WSN_CID_SENSOR_READINGS

        AF—MSG

        1

        asTransaction.

        ENABLE_ROUTE_DISCOVERY

        節(jié)點間的通信過程可分為兩類。第一類主要是由路由節(jié)點以及終端節(jié)點等各類節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器,另一類是各類節(jié)點收協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)。節(jié)點發(fā)數(shù)據(jù)較為簡單,只要將目的節(jié)點數(shù)據(jù)確定打包好能傳輸即可。相較于節(jié)點發(fā)數(shù)據(jù)而言,節(jié)點收數(shù)據(jù)就比較復(fù)雜,首先是解析指令并判斷是否發(fā)送至目的節(jié)點,若是,則解析指令,主控芯片CC2530進行判斷設(shè)備是否在主控板上,若是,由CC2530進行相應(yīng)操作,若不是在主板上,由STM32F103發(fā)送控制指令,STM32F103進行下一步相應(yīng)的操作。若解析指令判斷不是發(fā)送至目的節(jié)點,則按照路由算法轉(zhuǎn)發(fā)指令。節(jié)點通信過程的具體流程如圖4所示。

        在農(nóng)業(yè)環(huán)境中,由于傳感器的類型不一樣,有光照傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器、土壤含水傳感器等,考慮本系統(tǒng)后續(xù)還可能增加傳感器,所以了解通信協(xié)議是很有必要的。模塊與終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)之間的交換規(guī)則即是通信協(xié)議[7]。表1是通信協(xié)議數(shù)據(jù)包詳細定義表。

        由表1可知,當(dāng)符號標(biāo)識是SATRT時,它的名稱是包頭,2個字節(jié),傳送時高字節(jié)在前固定為OXEFOI;當(dāng)符號是ADDR,長度為4個字節(jié),名稱是地址,表明各個模塊會拒絕地址錯誤的數(shù)據(jù)包,符合自己本身的地址才會執(zhí)行命令,傳送時高字節(jié)在前;當(dāng)符號是LENGTH時,名稱是包長度,指的是包內(nèi)容的長度加校驗和的長度,傳送時高字節(jié)在前,長度為2個字節(jié)。

        3 LEACH算法設(shè)計

        3.1 LEACH算法概述

        LEACH(全稱Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法的基本思想是用循環(huán)方式隨機的選擇簇頭(管理組內(nèi)所有節(jié)點)節(jié)點,這樣,能將網(wǎng)絡(luò)自有能量負載平均分配至網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點,以此來提高網(wǎng)絡(luò)中的生存周期,降低網(wǎng)絡(luò)中的能耗。LEACH算法在運行時,能夠確保每個節(jié)點都有概率擔(dān)任簇頭,才能使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相對均勻消耗能量。這是一種自適應(yīng)、自組織的聚類協(xié)議[8]。圖5和圖6表示的是動態(tài)建簇示意圖。

        在給定任一時間假設(shè)為t1時刻,簇頭是一定概率進行自選,設(shè)這一定概率為一個閾值T(n),假設(shè)P是期望成為簇頭百分比,r為目前輪數(shù),Mod取模,則T(n)表示為:p/[1-p*(rModl/p)]。由圖5可知,P=5%。

        簇頭節(jié)點由于比其他節(jié)點要消耗更多能量,所以它的能量會很快耗盡,為了將這些能耗分布在多個不同節(jié)點,簇頭節(jié)點不是固定。在LEACH算法中,在不同時間內(nèi),簇頭節(jié)點將由一組內(nèi)所有節(jié)點自由選出。所以,在t1時刻簇頭節(jié)點可能會組成一個C集合,在tl+d時刻會有一個新簇頭集合C,如圖6所示,t1時刻的簇頭和tl+d時刻的簇頭明顯不同。

        3.2 LEACH算法設(shè)計

        LEACH算法是遵循“輪”的概念工作。每一“輪”分為五個階段。第一階段是建立簇頭,這一階段決定在此輪中節(jié)點能否成為簇頭,第n個節(jié)點在0-1之間任選一個數(shù),若此數(shù)字小于T(n)這個閾值,則定義該節(jié)點是此輪的簇頭。T(n)的表達式為:

        式(1)中,G表示過去1/P輪中從未當(dāng)選過簇頭節(jié)點的集合,

        其他參數(shù)由上述章節(jié)(本文3.1節(jié))介紹了,這里就不再闡述。第二階段是廣播階段,每個節(jié)點在還沒有成為簇頭節(jié)點之前,都會通過載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(CSMAICA)向其他節(jié)點播放消息,沒有成為簇頭節(jié)點接收器需是打開狀態(tài),以便于接收簇頭廣播的消息,且所有成為簇頭的節(jié)點都用相同能量來廣播此消息,節(jié)點在聽到通過廣播的消息之后,決定屬于哪個簇。第三階段是簇成立階段,每個節(jié)點歸屬于簇后,那么節(jié)點就用CSMA/CA告訴簇內(nèi)的簇頭,此節(jié)點是該簇的簇內(nèi)成員,此時,簇頭的接收器需是開啟,便于接收非簇頭節(jié)點的消息。第四階段是基于TDMA調(diào)度表的建立階段,在每個節(jié)點決定自己屬于哪個簇之后,此節(jié)點必須通知簇頭節(jié)點即將成為該簇成員,簇頭收到消息后,根據(jù)所在簇中的其他節(jié)點數(shù)量,建立一個基于TDMA的調(diào)度表[9],調(diào)度表是通過廣播的方式發(fā)送到簇中節(jié)點,此調(diào)度表能告知節(jié)點什么時候能進行傳輸。第五階段是傳輸階段,通過前面階段所做的工作,簇已建立并且TDMA調(diào)度表已確定,在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中,使用傳感器采集到的數(shù)據(jù)即可進行傳輸,若所有節(jié)點都有數(shù)據(jù)要傳送,則節(jié)點會根據(jù)TD-MA調(diào)度表[9],分配傳輸時間,使非簇頭的每個節(jié)點除了廣播消息之外的時間都休眠,達到每個節(jié)點能耗最小化。簇頭節(jié)點使其接收器打開狀態(tài),接受簇中節(jié)點數(shù)據(jù),當(dāng)簇頭接收數(shù)據(jù)之后,簇頭就執(zhí)行數(shù)字信號處理功能把接收到的是數(shù)據(jù)壓縮成單個信號,依次循環(huán)。圖7是LEACH算法流程圖。

        4 基于LEACH算法的仿真與分析

        為了評估LEACH算法在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的節(jié)能效果,本文選用了兩種常見的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合算法作為仿真實驗對象,一種是Direct(直接通信協(xié)議)[10],這種算法是每個節(jié)點都直接向基站傳送數(shù)據(jù);另一種是MTE(最小傳輸能量)路由協(xié)議[11],節(jié)點通過其他節(jié)點作為傳輸介質(zhì)向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。

        設(shè)每個節(jié)點在運行接收器或發(fā)送器時能耗是E elec=50nj/bit,運行傳輸放大器時能耗是8amp=100pJ/bit/m2,信道在傳輸數(shù)據(jù)時能耗是r2,假設(shè)距離為d(單位米),數(shù)據(jù)大小為k(單位比特),那么發(fā)送數(shù)據(jù)時能耗的表達式:ETx(k,d)=8pkd2+E elek,接收數(shù)據(jù)時能耗的表達式:

        Erex= Eek。根據(jù)最小化傳輸能耗原則選擇介質(zhì)節(jié)點即最小化能耗是ETx-amp(k,d)=εampkd2,當(dāng)且僅當(dāng)(

        ),A節(jié)點通過介質(zhì)節(jié)點B向節(jié)點C傳輸數(shù)據(jù)[12]。

        設(shè)有100個節(jié)點,每一個節(jié)點每回合向基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包是2000bit,在LEACH算法中,每個節(jié)點每輪需要向基站發(fā)送大小為2000bit的數(shù)據(jù)包。在LEACH算法中,每個節(jié)點初始能量是0.5J,簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)融合消耗的能耗是5nj/bit/message。

        節(jié)點代碼由Matable模擬,部分主要代碼如下:

        distance;

        if (distance>do)

        S(i).E=S(i).E一( (ETX+EDA)*(4000)+ Emp*4000*(distancea:distancea:distancea:distance));

        end

        if (distance<=do)

        S(i).E=S(i).E-( (ETX+EDA)*(4000)+Efs*4000*(distance8distance));

        end

        STATISTICS(r+ I).CLUSTERHEADS=cluster-1;

        CLUSTERHS(r+l)=clusteI-1;

        if(min_dis>0)

        S(C(min_dis_cluster). id).E=S(C(min_dis_cluster). id).E-( (ERX+ EDA)*4000);

        PACKETS _TO_CH(r+ l)=n-dead-cluster+1;

        end

        S(i).min_dis=min_dis;

        S(i).min_dis_cluster=min_dis_cluster;

        當(dāng)簇頭百分比P=5%時,節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的能量消耗與它所傳送數(shù)據(jù)的距離相關(guān),因此網(wǎng)絡(luò)直徑的不同,WSNs能耗也就不同。圖8是網(wǎng)絡(luò)直徑與系統(tǒng)總能耗的關(guān)系圖,比較了LEACH算法與Direct、MTE兩種常見的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合算法下,網(wǎng)絡(luò)直徑和WSNs總能耗之間的線性關(guān)系。

        圖8顯示,LEACH相較于Direct,可以降低7-8倍能耗;LEACH相較于MTE路由協(xié)議,可以降低4-8倍能耗。

        5 總結(jié)與展望

        本文的研究是基于WSNs的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),可對農(nóng)業(yè)環(huán)境中的CO,、溫濕度、光照度、土壤含水量等參數(shù)實時監(jiān)測。為了降低WSNs中的能耗,延長網(wǎng)絡(luò)生存周期,本文設(shè)計了基于LEACH的數(shù)據(jù)融合算法,且通過Matlab模擬仿真實驗,結(jié)果表明LEACH算法相較于Direct和MTE,都至少可以降低四倍以上能耗。農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜且多變,要想將農(nóng)田數(shù)據(jù)進行高效傳輸和精準(zhǔn)感知,是實現(xiàn)我國智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ),但只對農(nóng)田環(huán)境中的少量數(shù)據(jù)信息(如CO,、溫濕度、光照度、土壤含水量等)采集這是遠遠不夠的,所以在感知層還可以考慮土壤微量元素、土壤PH值等這些信息;傳輸層還可再優(yōu)化算法、不確定信息機制設(shè)計等都是后續(xù)值得研究的問題。

        參考文獻:

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        【通聯(lián)編輯:梁書】

        基金項目:江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(181524);東華理工大學(xué)長江學(xué)院院長基金資助

        作者簡介:陳建云(1990-),女,江西豐城人,東華理工大學(xué)長江學(xué)院助教,主要研究方向:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、WSNs數(shù)據(jù)融合。

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