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摘要：針對扎龍自然保護區的土壤環境監測需求，采用CC2530PA模塊設計終端節點，基于Z－Stack協議棧搭建自組織傳感網絡，傳感器選取土壤濕度傳感器、溫度傳感器以及雨滴傳感器，組建低功耗濕地土壤監測系統。系統結合低功耗路由協議和實際環境監測需求提出采集發送端低功耗節點設計的改進算法，有效地減少節點的功耗、傳輸延遲和丟包率，從而延長整個網絡生存時間。

關鍵詞：自組織網絡；無線傳感網絡；CC2530；低功耗

0引言

扎龍自然保護區是同緯度地區最原始、物種最豐富的濕地自然綜合體。濕地內有大面積的沼澤和草甸，葦叢茂密、魚蝦眾多，是水禽理想的棲息地。近年來由于人類活動的增多，對其環境有不同程度的破壞和污染。土壤參數作為生態環境的重要的指標之一［1］，可預警環境的前期污染，因此擬采用現代化的監測方法，針對扎龍濕地的重點區域實現土壤參數的監測。無線傳感技術對比傳統土壤監測手段具有低功耗、體積小、自組網等優勢，是現代化監測土壤環境的最佳手段［2］。本文將無線傳感網絡的技術應用于扎龍自然保護區的土壤監測中，并采用低功耗的路由算法［3－5］搭建高效且節能的傳感網絡監測平臺。

1體系結構及工作原理

土壤環境監測系統由終端采集節點、路由節點、協調器節點和上位機軟件組成，系統結構如圖1所示。終端采集和路由節點采用CC2530F256組成控制器、CC2591（PA）功率放大器組成收發器，結合土壤濕度、溫度和雨滴檢測傳感設備進行數據的采集、處理、存儲，最終協調器通過串口RS485上傳至PC上位機終端。數據的解析、存儲和曲線繪制等均在上位機終端上完成。上位機設計采用Labview實現對無線傳感網絡的控制及數據接收。

2系統硬件設計

結合扎龍濕地土壤環境監測要求和傳感器功耗、成本、測量范圍及精度考慮，選取了土壤濕度傳感器YL—69、溫度傳感器18B20以及雨滴傳感器。系統基于CC2530PA模塊（尺寸3．6cm×2．7cm；標準SMA天線接口（2．4G天線）；PA使用CC2591，全官方設計，完全兼容最新版協議棧，支持睡眠；可靠距離＞800m，自動重連距離達＞600m）。因此在400m區域內只需一個傳感節點即可滿足監測要求。終端節點主要負責采集監控區域的土壤環境信息和模數轉換。系統硬件功能如圖2所示，主要由MCU、傳感采集模塊、A／D轉換、信號調理電路、無線通信模塊和電源模塊等組成。綜合考慮功耗、測量范圍、測量精度和成本等問題，最終選擇土壤濕度、溫度和雨滴傳感器，電源模塊在采集節點和路由節點上使用鋰電池，協調器則使用交流電源供電。

3低功耗節點軟件設計

由于終端采集節點采用鋰電池供電，隨著電量的消耗殆盡節點也會隨之失效，直接影響和決定著整個監測系統的生存時間。因此節點的低功耗路由算法顯得至關重要。

3．1基于離散組包傳輸的軟件設計

節點的低功耗設計已經得到廣泛認可，本系統結合低功耗路由協議和扎龍濕地實際土壤環境監測要求提出了采集發送端低功耗節點設計的改進算法。在實際監測中，考慮到采集的一個或多個環境參數的變化可能是土壤環境受到污染的可能性增加，所以需要對這些數據組包發送。本文結合低功耗路由算法和需要采集的參數提出了離散組包傳輸設計來降低采集節點端的能耗。由于環境的采集對數據的實時性要求不高，并且采集數據變化緩慢，此方法可以有效的減少數據的冗余，從而降低能耗。

3．2基于離散組包傳輸的軟件設計

傳感器節點集成有土壤溫度、土壤濕度和雨滴傳感器，且節點同時采集3個參數。由于環境參數的變化緩慢，所以測量值的波動變化比較平緩，因此如果周期地上傳監測數據，數據產生大量冗余，消耗了大量的節點能量。為了改善節點能量的浪費，本文提出了設置閾值觸發節點機制，從而有效延長的節點的生命周期。假設當前已測得環境變量i（i＝1，2，3，…，n）值為Di（t＋1），上一次所測該環境變量值為Di（t），測量周期為T，εi為預設閾值，當｜Di（t＋1）－Di（t）｜＞εi時，即測得某種環境變量的變化超過預設閾值εi時，將測得該環境變量值Di（t＋1）加入發送幀載荷中。當遍歷n個傳感器，將滿足條件的環境變量測量值動態組合加入幀載荷，遍歷結束后節點傳輸數據幀。假如所有環境變量測量值未滿足條件，沒有數據加入發送幀載荷，節點則不觸發射頻模塊，不發送數據。即根據環境變化以緊湊的方式自適應發送變化量較大的值。其中，εi值和采樣間隔T可根據具體情況進行設置。

3．3節點工作流程

節點工作流程圖如圖4所示。步驟1協調器負責建立網絡，完成各節點的初始化。步驟2終端節點采集濕度、溫度和雨滴信息。步驟3判定環境變量是否超過環境閾值εi，如果是，則將將測量值Di（t＋1）送入發送幀載荷；否則重新等待數據判定。步驟4判定是否遍歷所有傳感器，如果是，則傳輸動態組合數據幀；如果否，則繼續執行步驟。

4測試結果與分析

測試地點選取扎龍自然保護區，測區長1200m、寬400m，布置6個傳感節點、2個路由節點和1個協調器節點，節點采用鋰電池供電，節點部署圖如圖5所示。同時采用標準測試儀與采集結果進行對比測試，并且對比采用低功耗傳感節點和周期性采集節點進行分析。

4．1節點功耗測試

無線傳感器網絡中節點的功耗直接影響著整個網絡的生存時間。節點的射頻消耗的能量占節點消耗的大部分能量，因此在相同時間下，發送的數據幀總長度與節點能耗成正比例關系。分析時間設定為2014年6月26日至2014年7月25日為期30天的監測數據為參考，對比低功耗節點與周期發送節點的發生數據幀總長度，每12h統計一次，測試結果如圖6所示。對比測試數據顯示采用離散組包算法的低功耗節點和周期傳輸節點（2min）減少了59．4％的功耗，節能效果明顯，適合長期監測。

4．2網絡穩定性測試

定時發送15000個數據包，重復試驗20次，統計周期傳輸與低功耗節點的丟包率。圖7、圖8分別為丟包率測試和數據包延遲對比。對比圖7、圖8顯示的性能曲線，分析計算出低功耗節點的平均丟包率為0．95％，周期傳輸節點的丟包率為2．8％。比較得出低功耗節點傳輸丟包率低，數據包延長小且更加穩定，離散組包傳輸大大減少了數據量的冗余。本文提出的算法能夠明顯降低傳感節點的功耗、減少數據包的時延和延長整個無線傳感網絡的工作時間。

4．3監測數據精度測試

測試從2014年6月26日8時至2014年6月27日8時為期2天的監測數據為參考，采集數據有土壤濕度和溫度2種。測試儀的數據輸出為連續曲線，周期傳感節點以2min為周期采集數據，低功耗節點采用自適應離散組包傳輸。圖9、圖10為土壤溫度和濕度采集數據對比。由圖9、圖10可見，理論測試和實際測試數據基本吻合。5結論與討論本文通過對傳統無線傳感網絡分析，提出了基于離散分組傳輸的節點低功耗算法。通過實踐測試和分析可知，低功耗算法有效地減少了節點功耗、提高傳輸數據效率并且降低了數據的冗余量，進而延長了整個網絡上生存時間，為建立長期監測網絡提供了可行性和便利性。

參考文獻

［1］閆長平，馬延吉．人類產業活動對濕地環境的影響研究進展［J］．濕地科學，2010，（1）：98～104

［2］王麗娟，劉玉珍．無線傳感網絡節點低功耗算法改進［J］．微計算機信息，2010，（19）：111～112，51

作者：苗鳳娟 吳凌斌 陶佰睿 孫艷梅 單位：齊齊哈爾大學通信與電子工程學院