基于改進ZigBee路由算法的溫室大棚在線監(jiān)測系統(tǒng)

滕志軍　曲兆強　張力　呂金玲　薛永久　李冠男

摘要：為實現(xiàn)溫室大棚的智能化和實時監(jiān)測的目的，結(jié)合ZigBee技術(shù)，設計了一種基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚遠程監(jiān)測方案。由于ZigBee樹型路由算法存在路徑選擇不優(yōu)的問題，進一步提出一種適用于溫室大棚實時監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee路由優(yōu)化算法。該算法并不特定選擇下一跳節(jié)點，而是根據(jù)一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)這一優(yōu)先權(quán)來限制剩余跳數(shù)較多的鄰居節(jié)點作為被選節(jié)點，從而降低節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，提高系統(tǒng)的實時性。多次仿真結(jié)果表明，改進算法在節(jié)點跳數(shù)、端到端的延時及可靠性方面均有一定程度的改善。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)信息化；ZigBee技術(shù)；機會路由算法；智能溫室大棚；實時監(jiān)測；節(jié)點；仿真

中圖分類號： S126；S6255文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0247-05

收稿日期：2017-04-10

基金項目：國家自然科學基金（編號：51277023）。

作者簡介：滕志軍（1973—），男，吉林吉林人，博士，教授，研究方向為無線通信技術(shù)。E-mail：753731087@qqcom。

隨著人們生活水平及生活質(zhì)量的日益提高，對生產(chǎn)的農(nóng)作物尤其是蔬菜的種類品質(zhì)提出了更高的要求，因此對溫室大棚遠程監(jiān)測的方法應運而生1-3]。但是，溫室大棚里栽種的大都是反季節(jié)的農(nóng)作物，只有對溫室的環(huán)境進行相對嚴格的監(jiān)測，才能保證農(nóng)作物的品種及產(chǎn)量，使農(nóng)作物能夠更好地適應環(huán)境生長，因此對溫室環(huán)境的監(jiān)測就顯得非常重要4-7]。對溫室環(huán)境進行監(jiān)測的方法有很多，如現(xiàn)場實時人工監(jiān)測、遠程無線監(jiān)測和有線自動監(jiān)測等8-10]。但上述方法要么存在抗干擾性不好、功耗很大等缺點；要么存在成本高、鋪設困難等缺點，越來越不能滿足人們的需求。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線傳感網(wǎng)絡通信技術(shù)，因其低功耗、短距離等優(yōu)點應用于各個領(lǐng)域。但是ZigBee路由算法在數(shù)據(jù)傳輸時未考慮鄰居節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲皇亲顑?yōu)的。目前，國內(nèi)外專家學者主要是對LEACH算法進行優(yōu)化，很少對ZigBee樹型路由算法進行優(yōu)化。因此，本研究在基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，提出了一種改進的ZigBee路由優(yōu)化算法，通過降低節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)來延長網(wǎng)絡的使用壽命、提高網(wǎng)絡的實時性。

1系統(tǒng)的總體設計方案

基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端、4G無線通信模塊及上位機軟件3部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)測終端是系統(tǒng)設計的關(guān)鍵技術(shù)，主要負責溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，如溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照度等，該模塊主要由溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、ARM微處理器、供電模塊及相應的接口電路組成。采集節(jié)點將采集到的溫室大棚環(huán)境參數(shù)經(jīng)過ZigBee路由器無線傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器上，經(jīng)過串行通信UART連接到ARM處理器上，環(huán)境數(shù)據(jù)用ARM處理器處理，通過高速率的4G無線模塊遠程傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心。其中，節(jié)點的能耗問題是必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)，為了盡可能降低節(jié)點消耗的能量，本研究主要采取2種措施：一是采用太陽能光伏板、充放電控制器、蓄電池三者相結(jié)合對系統(tǒng)進行供電；二是優(yōu)化ZigBee路由算法，降低節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，不但可降低網(wǎng)絡的能耗，還可以提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時性。

遠程監(jiān)測中心的計算機、手機或平板等智能設備，對通信

傳輸過來的不同數(shù)據(jù)進行分析存儲、處理并判斷是否超過臨界值，如果超過臨界值就啟動繼電器并進行報警，操控控制設備去調(diào)整環(huán)境參數(shù)以達到控制生長環(huán)境的目的。遠程監(jiān)測中心上位機軟件采用VBNET語言程序編寫。遠程監(jiān)控中心對終端設備的控制是通過配備在ZigBee終端節(jié)點的繼電器來實現(xiàn)的，操控控制設備適當?shù)卣{(diào)整環(huán)境參數(shù)以達到讓生長環(huán)境適合農(nóng)作物生長的目的。

2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設計及實現(xiàn)

21監(jiān)測終端的硬件設計

監(jiān)測終端主要由ARM處理器、采集節(jié)點模塊、串口模塊、供電模塊、繼電器、4G模塊及相應的外圍電路組成（圖2）。CC2430芯片與傳感器通過串口UART連接，其電路圖如圖3所示。

22系統(tǒng)的供電模塊設計

溫室大棚監(jiān)測終端安裝于野外，為盡量減少線路復雜程度，采用太陽能光伏板、充放電控制器、蓄電池三者相結(jié)合對系統(tǒng)進行供電。太陽能光伏板完成能量轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)換成電能，并將其存儲于蓄電池中，通過充放電控制器來避免過充電和過放電現(xiàn)象發(fā)生。在系統(tǒng)設計過程中，各芯片所需工作電壓存在差異，須針對各個模塊設計電壓轉(zhuǎn)換電路，進而保證各芯片可靠工作。

23傳感器節(jié)點軟件設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的主要功能是溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。本系統(tǒng)不但優(yōu)化了ZigBee路由算法，同時在程序設計時采用中斷喚醒的方式來接收環(huán)境數(shù)據(jù)，盡可能地降低ZigBee節(jié)點的功耗，延長節(jié)點的使用壽命。傳感器節(jié)點軟件設計流程如圖4所示。

WTHZ]3ZigBee路由算法及優(yōu)化

31樹型路由算法原理及缺陷

ZigBee定義全功能型（full function device，簡稱FFD）與簡化功能型（reduced function device，簡稱RFD）2種類型設備，其中RFD通常作為終端設備，F(xiàn)FD可以為協(xié)調(diào)器、路由器及終端設備。網(wǎng)路中的節(jié)點采用分布式地址分配機制，通過網(wǎng)路建立初始時的關(guān)聯(lián)過程，加入網(wǎng)路的節(jié)點組成一個邏輯樹，當網(wǎng)絡中的節(jié)點允許1個新節(jié)點通過該節(jié)點加入網(wǎng)絡時，兩者之間就形成了父子關(guān)系，父節(jié)點為子節(jié)點分配網(wǎng)絡中唯一的16位網(wǎng)絡地址。假設父節(jié)點最多可連接的子節(jié)點數(shù)為Cm，子節(jié)點中允許的最大路由節(jié)點數(shù)為Rm，網(wǎng)絡的最大深度為Lm，當加入的一個新網(wǎng)絡節(jié)點為對應于父節(jié)點的第n個子節(jié)點時，父節(jié)點為該子節(jié)點分配的網(wǎng)絡地址為：endprint

An=JB（{]HL（2]Ap+Cskin（d）×Rm+n第n個RFDAp+1=Cskip（d）×（n-1）第n個FFDHL）]JB）]。JZ）]JY]（1）

式中：Cskip表示網(wǎng)絡深度為d的父節(jié)點為子節(jié)點分配的地址偏移量，即

Cskip（d）=JB（{]1+Cm（Lm-d-1）Rm=1SX（]1+Cm-Rm-CmRmLm-d-11-RmSX）]其他JB）]。JZ）]JY]（2）

在路由發(fā)送數(shù)據(jù)選擇下一跳的過程中，當一個地址為A、深度為d的路由節(jié)點收到目的節(jié)點地址為d的數(shù)據(jù)幀，A節(jié)點會通過式（3）判斷該目的節(jié)點是否為其后裔節(jié)點，即

A

如果滿足式（3），則說明目的節(jié)點是該節(jié)點的后裔節(jié)點，則將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到地址為N的下一跳子節(jié)點。根據(jù)下一跳子節(jié)點類型的不同，地址分配為：

JP4]n=JB（{]D該節(jié)點就是中斷子節(jié)點A+1+intSX（]D-（A+1）Cskip（d）SX）]]×Cskip（d）DW]其他JB）]。JZ）]JY]（4）

如果不滿足式（3），則說明目的節(jié)點不是該節(jié)點的后裔節(jié)點，因而其將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點。

32ZigBee路由算法的改進

無線介質(zhì)具有損耗特點，例如，當數(shù)據(jù)通信時所選路徑中存在1條鏈路因頻繁使用導致?lián)p耗過快時，有可能造成整個網(wǎng)絡端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?。針對此問題，本研究結(jié)合機會路由算法，提出基于機會路由能量優(yōu)化的樹型路由（OEZTR）算法。該算法并不特定選擇下一跳節(jié)點，而是根據(jù)一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)這一優(yōu)先權(quán)來限制剩余跳數(shù)較多的鄰居節(jié)點作為被選節(jié)點。另外，在路徑選擇時，有可能遇到多個節(jié)點到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)相同的情況，通過設置延時間隔t{RH（u，d）-1]·δ≤t≤RH（u，d）]·δ]}來避免沖突，其中δ為數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)淖钚r間間隔。OEZTR算法不但繼承了ZigBee樹型路由協(xié)議沒有任何路由開銷的優(yōu)點，還為網(wǎng)絡提供了可靠的數(shù)據(jù)包傳輸。OEZTR算法數(shù)據(jù)通信路徑如圖5所示。

本研究提出了OEZTR算法的偽代碼，該算法設計的核心

FK（W13]TPTZJ5tif]

思想是利用IEEE802154協(xié)議標準的一跳范圍內(nèi)的鄰居表和鄰居表中的鄰居節(jié)點到目的節(jié)點最小的剩余跳數(shù)，把剩余跳數(shù)作為選擇優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的條件來限制被選節(jié)點的區(qū)域，或限制下一跳節(jié)點到目的節(jié)點傳遞的方向，盡可能減少無效數(shù)據(jù)包的傳輸，以延長網(wǎng)絡的生命周期。若A、B、C、D節(jié)點均是某中繼節(jié)點的一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點，根據(jù)延時間隔t{RH（u，d）-1]·δ≤t≤RH（u，d）]·δ]}來確定節(jié)點的優(yōu)先權(quán)，若C節(jié)點的延時間隔小，到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)最少，該節(jié)點首先接收數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，其余節(jié)點取消數(shù)據(jù)傳遞。

假設s、u、d分別代表源節(jié)點的地址、中繼節(jié)點的地址、目的節(jié)點的地址，RH（u）代表中繼節(jié)點u到目的節(jié)點剩余的跳數(shù)，minRH（u，d）代表中繼節(jié)點的一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的最小剩余跳數(shù)。其OEZTR算法的偽代碼選擇路徑的過程如圖6所示。

FK（W14]TPTZJ6tif]

圖6顯示，源節(jié)點s向目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)，首先，一跳范圍內(nèi)鄰居表中的鄰居節(jié)點A、B、C、L節(jié)點接收源節(jié)點s廣播的數(shù)據(jù)包，按照ZigBee樹型結(jié)構(gòu)計算上述4個節(jié)點到目的節(jié)點的最小剩余跳數(shù)，即RH（A，D）=4，RH（B，D）=4，RH（C，D）=3，RH（L，D）=3，tA∈3·δ，4·δ]，tB∈3·δ，4·δ]，tC∈2·δ，3·δ]，tD∈2·δ，3·δ]，根據(jù)剩余跳數(shù)可知，C和L節(jié)點具有優(yōu)先權(quán)，而A和B節(jié)點取消數(shù)據(jù)包的傳遞，如果不把最小剩余跳數(shù)這一條件作為選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的優(yōu)先權(quán)，C節(jié)點和L節(jié)點由于到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)最少，因此最先接收到數(shù)據(jù)包，而B節(jié)點由于不知道C和L節(jié)點已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，當t超過預設值時，B節(jié)點再次重新廣播數(shù)據(jù)包，這樣會造成傳遞不必要的數(shù)據(jù)包；其次，C和L節(jié)點開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，G和H節(jié)點因到目的節(jié)點的最小剩余跳數(shù)少，獲得優(yōu)先權(quán)；最后，通過G和H節(jié)點將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點D。從OEZTR算法的過程中可以看出，上述數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)由2條路徑同時進行，而EZTR算法只有1條路徑，而它們到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)是相同的。因此，OEZTR算法在沒有增加任何路由開銷的情況下，采用多條路徑或者1條路徑有多個候選節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，這可避免只有1條路徑的特定節(jié)點而有可能遇到傳輸中斷的問題，大大增加了數(shù)據(jù)分組的遞交率。

33能耗模型

當傳輸距離為d，A節(jié)點發(fā)送l bit數(shù)據(jù)包到B節(jié)點的能量消耗見式（6）：

JP4]ETx（l，d）=ETx-elec（l）+ETx-amp（l，d）=JB（{]lEelec+lεfsd2KG3]d

式中：ETx-elec（l）為發(fā)送I bit數(shù)據(jù)包電路所消耗的能量，ETx-amp（l，d）為傳輸距離d，發(fā)送l bit數(shù)據(jù)包的功率放大器所需的能耗，Eelec為發(fā)送和接收1 bit數(shù)據(jù)包的能量消耗，do為傳輸距離的閾值。

節(jié)點接收l bit數(shù)據(jù)包的能量消耗見式（7）：

ERx（l）=ERx-elec（l）=lEelec。JZ）]JY]（7）

式中：ERx-elec（l）代表接收lbit數(shù)據(jù)包電路消耗的能量。

節(jié)點進行數(shù)據(jù)處理和融合的能量消耗見式（8）：

EDA（l）=lEDA。JZ）]JY]（8）

式中：EDA代表數(shù)據(jù)融合所消耗的能量。

34仿真結(jié)果與分析

為了驗證OEZTR算法的性能，本研究采用開源的NS2軟件進行模擬仿真，對經(jīng)典的ZigBee路由算法（ZBR算法）和本研究優(yōu)化的ZigBee路由算法（OEZTR算法）進行性能對比分析，試驗獨立運行80次，分別獲得路由算法的平均分組遞交率和平均跳數(shù)，10～100個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，Cm=4，Rm=4，Lm=6。

從圖7、圖8可以看出，OEZTR算法在平均跳數(shù)和節(jié)點端到端的時延方面優(yōu)于ZigBee經(jīng)典的路由算法，主要是本研究改進的路由算法并不特定選擇下一跳節(jié)點，而是根據(jù)一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的剩余跳數(shù)這一優(yōu)先權(quán)來限制剩余跳數(shù)較多的鄰居節(jié)點作為被選節(jié)點，減少節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，降低ZigBee網(wǎng)絡的總能耗，從而提高溫室大棚遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時性。

4系統(tǒng)測試及分析

為了驗證本研究提出的ZigBee路由優(yōu)化算法（OEZTR算法）的可行性，將改進的路由算法應用到溫室大棚在線監(jiān)測系統(tǒng)中。ZigBee節(jié)點的組網(wǎng)方式為樹型網(wǎng)絡，遠程監(jiān)測中心上位機軟件采用VBNET語言編寫而成，系統(tǒng)的測試界面如圖9所示。系統(tǒng)各個節(jié)點（終端節(jié)點、路由節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點）均采用電池供電，通過設置對比測試試驗，即ZigBee節(jié)點采用經(jīng)典路由算法與節(jié)點采用OEZTR算法，結(jié)果表明，節(jié)點的電池壽命在同等條件下可延長5 d左右。

5結(jié)束語

為了實現(xiàn)溫室大棚的信息化和智能化，本研究設計了一種基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚遠程監(jiān)測系統(tǒng)，利用短距離、低功耗的ZigBee技術(shù)，利用機會路由算法改進的ZigBee路由協(xié)議，實現(xiàn)對溫室大棚的各種環(huán)境參數(shù)（如溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)）進行實時監(jiān)控和智能控制，使溫室大棚反季節(jié)農(nóng)作物處于最佳的生長環(huán)境，有利于反季節(jié)農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。下一階段的工作是盡可能地優(yōu)化ZigBee路由協(xié)議，以更好地滿足溫室大棚遠程監(jiān)測系統(tǒng)對實時性要求高的特點。

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