農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee路由節(jié)點北斗定位研究

池 濤,汪 磊*,陳 明,李丙春,孜克爾·阿不都熱合曼,王文龍

（1上海海洋大學信息學院，上海 201306；2喀什大學計算機科學與技術學院，喀什 844006）

我國的新疆維吾爾自治區(qū)是一個典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，一直面臨著地理環(huán)境復雜，電信基礎條件差，網(wǎng)絡設施不完善等問題，這些問題直接影響著西部農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展，如何在西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)中布設低成本、高效率的物聯(lián)網(wǎng)已成為目前研究熱點。

基于無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)中的應用已進行了深入的研究，針對不同的農(nóng)業(yè)環(huán)境設計了多套基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，對不同應用場合下產(chǎn)生的節(jié)點定位問題進行分析并解決。其中趙昭等［1］針對現(xiàn)有定位算法中RSSI測距易受外界環(huán)境干擾等問題，通過修正RSSI測距中節(jié)點之間的距離，選取信標節(jié)點，采用加權質心算法定位，提高定位精度；羅清華等［2］為解決現(xiàn)有Bounding-box算法中，定位精度無法隨距離估計精度的提高而提高等問題，拋棄傳統(tǒng)采用正方形重疊區(qū)區(qū)域中心作為定位結果的方法，提出了一種采用圓形通信區(qū)域模型定位算法；劉鋒等［3］針對傳統(tǒng)DV-hop算法中通過單個錨節(jié)點估計平均跳距產(chǎn)生的誤差，對未知節(jié)點的跳距進行加權，提高了網(wǎng)絡定位精度；除此之外，還可通過設置閾值和優(yōu)化機制或者基于多條的方式對定位方法進行優(yōu)化［4-11］。但現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)和位置信息定位算法均是在小面積、無外界干擾的實驗室或溫室環(huán)境中進行應用，且應用場景對網(wǎng)絡錨節(jié)點密度要求高，提高了硬件成本，并不適用于廣闊的西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)。

本研究針對西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)應用場景，采用Zigbee與北斗定位技術相結合方案，設計一套基于Zigbee技術與北斗定位技術相結合的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡對監(jiān)測區(qū)域環(huán)境參數(shù)的采集，以期達到農(nóng)民對灌區(qū)信息變化的實時監(jiān)控，均衡網(wǎng)絡負載能力，提高網(wǎng)絡壽命。

1 改進型Zigbee算法

如圖1所示，西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)內(nèi)通過Zigbee自組網(wǎng)特性將監(jiān)測區(qū)域分為若干個邏輯簇，IEEE 802.15.4標準按功能將物理節(jié)點分為兩類，一類是全功能設備（FFD）。另一類是精簡功能設備（RFD），F(xiàn)FD擔任網(wǎng)絡中路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，RFD擔任網(wǎng)絡中終端節(jié)點。終端節(jié)點不具有路由功能，只能將信息給協(xié)調(diào)器路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點，每個簇內(nèi)由路由節(jié)點作為父節(jié)點，多個終端節(jié)點作為子節(jié)點。

圖1 Zigbee網(wǎng)絡布點Fig.1 Zigbee network distribution

1.1 路由

在中大型網(wǎng)絡管理中，分簇網(wǎng)絡簇頭能量消耗快于其余節(jié)點，在簇頭節(jié)點能量耗盡時容易導致網(wǎng)絡癱瘓，縮短網(wǎng)絡壽命。為解決這種問題，延長網(wǎng)絡壽命，本研究在國內(nèi)已有的路由研究基礎上選取一種簇樹路由和AODVjr路由相結合的路由算法CLZBR，將網(wǎng)絡分為多個邏輯簇。簇內(nèi)采用樹路由算法，減少冗余分組，降低能量消耗，通過設置備用節(jié)點解決簇頭能量耗盡時導致的網(wǎng)絡癱瘓問題，維持網(wǎng)絡穩(wěn)定性；簇與簇之間采用AODVjr路由算法傳遞數(shù)據(jù)，通過路由發(fā)現(xiàn)最佳路徑。

1.2 定位

網(wǎng)絡中節(jié)點地理位置信息在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中具有重要意義，也是目前國內(nèi)外研究熱點之一。在西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)中，因地理環(huán)境復雜性和網(wǎng)絡節(jié)點密度等原因，在實際定位過程中采用常見的基于加權的三邊定位算法對網(wǎng)絡節(jié)點進行定位，但在網(wǎng)絡中仍然存在著邊緣節(jié)點位置信息定位缺失問題。

1.2.1 邊界盒算法

為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡中特殊節(jié)點定位問題，常采用傳統(tǒng)的邊界盒算法進行邊緣節(jié)點定位。如圖2所示，邊界盒算法中終端節(jié)點在接受到通信范圍內(nèi)路由節(jié)點發(fā)出的定位請求后，已知通信范圍內(nèi)有2個路由器節(jié)點（A、B），則終端節(jié)點位置處于節(jié)點A的通訊范圍圓的外接矩形與節(jié)點B的通訊范圍圓的外接矩形的相交部分CDEF內(nèi)，將矩形區(qū)域的中心點O作為最終定位結果。在實際測量定位中，傳統(tǒng)邊界盒算法定位精度不高，且適用范圍有限，需對邊界盒算法進行改進，增加算法實用性，提高算法精度。

1.2.2 改進型邊界盒算法

西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)受獨特的地理環(huán)境影響，導致網(wǎng)絡中節(jié)點密度不足，錨節(jié)點分布稀疏，多數(shù)邊緣節(jié)點無法使用上述定位方法進行定位，造成節(jié)點位置信息缺失，產(chǎn)生網(wǎng)絡定位盲區(qū)。

（1）如圖3a所示，終端節(jié)點的通信半徑內(nèi)能夠接收到3個已知位置路由器A、B、C節(jié)點。此時分別以A、B、C點為圓心，以d1、d2、d3為半徑的圓不能同時相交于一塊區(qū)域內(nèi)，因此傳統(tǒng)的基于加權的三邊定位算法不能對終端節(jié)點進行定位。

（2）如圖3b所示，終端節(jié)點與兩個已知坐標位置的路由器節(jié)點A、B通信。終端節(jié)點通信范圍內(nèi)只能接受到兩個路由器節(jié)點，終端節(jié)點位于以路由器節(jié)點為圓心，以路由器節(jié)點到終端節(jié)點距離為半徑的兩圓相交部位。此時只能確定終端節(jié)點處于兩圓相交區(qū)域內(nèi)，無法準確判斷節(jié)點實際位置。

圖2 邊界盒算法Fig.2 Bounding box algorithm

圖3 實際定位中常見的兩種問題Fig.3 Two common problem s in actual location

為解決上述實際監(jiān)測系統(tǒng)中遇到的定位問題，通過改進邊界盒定位算法對終端節(jié)點位置定位。當圓A與圓B相交一塊區(qū)域，圓C與圓A不相交，此時無法使用加權三邊定位算法進行定位，需通過改進型邊界盒算法進行定位。如圖4所示，圓C的內(nèi)切矩形與圓A、圓B的外切矩形相交于區(qū)域DEFIHG中；若RSSIA＜RSSIB，將終端節(jié)點估計位置縮小到區(qū)域EFIH中，取EFIH的中心為估計的節(jié)點位置；反之取DEHG的中心為估計的節(jié)點位置。

當終端節(jié)點的通訊半徑內(nèi)接收到兩個路由器節(jié)點A、B時，可以直接采用常規(guī)的邊界盒算法對節(jié)點位置進行估算。雖然邊界盒算法可以估算出節(jié)點位置坐標，且算法計算量簡單，但是定位誤差與節(jié)點能量損耗較大，不利于廣泛使用。為了能得出更精確的位置坐標信息，在經(jīng)過邊界盒算法初步對節(jié)點坐標區(qū)域進行確定后，通過圖5方式對節(jié)點坐標相交區(qū)域進一步進行縮小，減少定位誤差。如圖5所示，將兩路由器節(jié)點A、B通信圓相交部分縮小到四邊形CDEF中，取四邊形的質心O作為終端節(jié)點估計位置。當路由器節(jié)點A離終端節(jié)點較近時，O點位置偏向A點，反之，O點位置偏向B點。

1.2.3 基于鄰居終端節(jié)點的定位優(yōu)化

為縮減終端節(jié)點估計區(qū)域范圍，提高定位精度，通過終端節(jié)點通信范圍內(nèi)其他的節(jié)點對節(jié)點位置進行再次縮減。如圖4、5所示，通過改進型邊界盒算法估算出終端節(jié)點O的邊界區(qū)域ABCD，終端節(jié)點Q的邊界區(qū)域為EFGH，終端節(jié)點O向其通信范圍內(nèi)其他節(jié)點廣播它的邊界區(qū)域信息，當終端節(jié)點Q接收到O的邊界區(qū)域信息后，向外廣播自己的邊界區(qū)域信息。如圖6所示，分別以終端節(jié)點Q的邊界點E、F、G、H點為圓心，以節(jié)點通信范圍為半徑做圓，分別與邊界區(qū)域ABCD相交于I、J、K、L點，則取IJKL區(qū)域中心點為終端節(jié)點O的估計點。

2 系統(tǒng)描述

2.1 Zigbee網(wǎng)絡系統(tǒng)

根據(jù)西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)地理環(huán)境，設計了一套基于Zigbee結合北斗技術的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由Zigbee網(wǎng)絡與上位機（控制中心）組成，最底層為終端節(jié)點，向上依次為路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機（控制中心），具體結構如圖7所示。

圖7 農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.7 Agriculturalmonitoring system

（1）終端節(jié)點：屬于半功能設備（RFD），主要功能為測控應用，傳輸數(shù)據(jù)量較少，能量功耗最低，經(jīng)Zigbee協(xié)議棧實現(xiàn)與路由節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點之間組網(wǎng)，通過各種傳感器收集周圍環(huán)境參數(shù)，傳遞給鄰近路由節(jié)點。

（2）路由器節(jié)點：屬于全功能設備（FFD），處于常開狀態(tài)，傳輸數(shù)據(jù)量較多，能量功耗較高；該節(jié)點上配置北斗模塊，用于自身坐標的絕對定位，對終端節(jié)點坐標定位起到輔助作用，將終端節(jié)點采集環(huán)境參數(shù)信息傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點，當協(xié)調(diào)器節(jié)點能量消耗過多停止工作時自動升級為協(xié)調(diào)器節(jié)點。

（3）協(xié)調(diào)器節(jié)點：屬于全功能設備（FFD），用于建立網(wǎng)絡并對網(wǎng)絡進行管理維護，包括節(jié)點的加入和退出，為加入的節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，將路由節(jié)點中信息通過Internet傳遞給上位機，當協(xié)調(diào)器節(jié)點能量消耗過多時由其余路由節(jié)點自動升級為協(xié)調(diào)器節(jié)點。

（4）上位機：即監(jiān)控中心，顯示網(wǎng)絡中傳感器收集的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)，網(wǎng)絡節(jié)點坐標位置，節(jié)點剩余能量等信息，通過觀察狀態(tài)變化進行合理調(diào)整，發(fā)出控制命令。

2.2 硬件設計

CC2530實現(xiàn)了IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，具有高性能、低功耗的增強型8051微控制器，專門讀取RSSI值的寄存器，高級加密標準（AES）協(xié)處理器，8 kB的RAM及其強大的支持功能和外設（8路輸入8—14位ADC，1個通用的16位和2個8位定時器）以及能夠適應2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器。

（1）終端節(jié)點：以CC2530芯片為處理器，外接低功耗射頻前端CC2591芯片，用以放大RF模塊接受和發(fā)射功率；采用DS18B20溫度傳感器和BH1750FVI光照傳感器進行溫度和光照數(shù)據(jù)采集。

（2）路由器節(jié)點：在終端節(jié)點硬件結構基礎上外接低功耗射頻前端CC2591芯片，放大RF模塊接受和發(fā)射功率，擴大網(wǎng)絡覆蓋面積，提高網(wǎng)絡工作效率。

（3）協(xié)調(diào)器節(jié)點：采用CC2530F256芯片為核心，256 kB可編程flash，設有LED指示燈、串口模塊、WAN口、LAN口、LCD等模塊。

2.3 軟件設計

2.3.1 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點是個半功能節(jié)點，外接多種傳感器模塊，可通過傳感器進行溫度、濕度和光照等環(huán)境參數(shù)采集；軟件設計流程如下：1）上電后完成節(jié)點外圍電路和Zigbee堆棧初始化；2）信道查詢，選擇合適網(wǎng)絡等待加入，向網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出請求申請，等待協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出響應；3）加入網(wǎng)絡后，通過ADC采集環(huán)境參數(shù)；4）將采集的環(huán)境參數(shù)向協(xié)調(diào)器節(jié)點連續(xù)傳遞幾次后自動進入休眠，等待協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出請求時再次激活。

2.3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡的建立，掃描入網(wǎng)請求，軟件設計流程如下：1）上電后完成Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點外圍電路及協(xié)議棧初始化；2）建立網(wǎng)絡；3）信道查詢，選擇合適信道進行能量檢測避免可能性干擾，等待終端節(jié)點和路由節(jié)點的入網(wǎng)申請；4）終端節(jié)點和路由節(jié)點加入網(wǎng)絡后，將節(jié)點上傳感器采集的溫濕度等參數(shù)數(shù)據(jù)；5）與上位機進行串口通信，將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞給上位機，同時接受用戶通過上位機輸入控制命令。

2.3.3 北斗模塊數(shù)據(jù)處理

北斗模塊在電源導通的狀態(tài)下會源源不斷地把接收到的和計算的導航信息通過串口傳遞給CC2530數(shù)據(jù)處理模塊，再通過篩選將信息傳遞給控制平臺，所有的信息以“$”（0x24）開始，后面緊跟消息名，之后是不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)，最后一個參數(shù)是可選的校驗和。所要獲得的信息主要為時間、緯度、經(jīng)度等數(shù)據(jù)，采用 BDGGA消息格式，具體格式為 BDGGA，time，Lat，N，Lon，E，F(xiàn)S，NoSV，HDOP，msl，M，Altrel，M，DIffAge，DiffStation*cs。北斗信息處理流程如圖8所示。

圖8 北斗信息處理流程圖Fig.8 BeiDou information processing flow chart

3 試驗設計

3.1 試驗環(huán)境

選取3塊200 m×200 m的灌溉區(qū)域，將終端節(jié)點和路由節(jié)點隨機分布在2塊區(qū)域中，節(jié)點通信半徑為100 m，每個區(qū)域內(nèi)有5個已知位置的路由器節(jié)點，20個需要待測的終端節(jié)點。在區(qū)域1內(nèi)調(diào)節(jié)路由器節(jié)點與終端節(jié)點位置，滿足終端節(jié)點的通信半徑內(nèi)至少有3個路由器節(jié)點。在區(qū)域2、3內(nèi)調(diào)節(jié)路由器節(jié)點與終端節(jié)點位置，滿足終端節(jié)點的通信半徑內(nèi)有兩個路由器節(jié)點。

3.2 評價標準

為驗證改進型邊界盒算法在節(jié)點稀疏的西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)中是否適用，采用平均定位誤差率作為此算法的評價指標，其定位誤差為定位算法測量的位置與節(jié)點實際位置的距離與節(jié)點通信半徑之比，如式（1）所示：

其中(xi，y)i表示終端節(jié)點測量位置，（x，y）表示終端節(jié)點實際位置，R表示節(jié)點通信半徑，N表示N個節(jié)點。

3.3 試驗結果

圖9、10、11分別表示3個網(wǎng)絡區(qū)域中分別采用基于加權三點定位算法、改進型邊界盒定位算法及傳統(tǒng)邊界盒定位算法時終端節(jié)點的實際坐標與測量坐標，其中網(wǎng)絡節(jié)點通信半徑為100 m，圖 9、10、11中 A、B、C、D、E點表示路由器節(jié)點，F(xiàn)i節(jié)點表示第i個終端節(jié)點實際位置，fi節(jié)點表示第i個終端節(jié)點的測量位置。

圖9 區(qū)域1節(jié)點坐標圖Fig.9 The node coordinates of regional 1

圖10 區(qū)域2節(jié)點坐標圖Fig.10 The node coordinates of regional2

圖11 區(qū)域3節(jié)點坐標圖Fig.11 The node coordinates of regional 3

根據(jù)式（1）進行計算，基于加權的三邊定位算法的節(jié)點誤差率為10.5%；邊界盒算法的節(jié)點定位誤差率為18.5%；改進型邊界盒算法的節(jié)點誤差率為15.5%，比基于加權的三邊定位算法的節(jié)點誤差率高出48%，比邊界盒算法的節(jié)點誤差率下降了16%。試驗結果證明，3種定位算法并不適用于對位置信息精度較高的小面積農(nóng)區(qū)內(nèi)，但針對某些對位置精度要求不高的廣闊西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)可以使用。通過加權三邊定位算法與改進型邊界盒算法相結合，應用于西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)中網(wǎng)絡節(jié)點的監(jiān)測，既減少了硬件成本，又可以提高網(wǎng)絡覆蓋率，解決邊緣節(jié)點信息的缺失問題。

4 結論與討論

本研究設計的以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心的西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)即時監(jiān)測系統(tǒng)是將物聯(lián)網(wǎng)與終端管理結合起來，利用Zigbee技術與北斗定位技術結合完成整個系統(tǒng)設計。針對農(nóng)業(yè)灌區(qū)中節(jié)點密度不足導致的邊緣節(jié)點位置信息缺失的實際難題，基于已有的邊界盒算法基礎上提出了一種改進型邊界盒算法，在Matlab仿真環(huán)境和西部農(nóng)業(yè)實際灌區(qū)中對多種定位算法進行驗證。通過Matlab對加權三邊定位算法、邊界盒算法及改進型邊界盒算法進行仿真，仿真結果證明改進型邊界盒算法解決了基于加權的三邊定位算法及其他定位算法中邊界節(jié)點位置信息缺失問題，節(jié)點誤差率比基于加權的三邊定位算法高48%，相比于傳統(tǒng)的邊界盒算法的節(jié)點誤差率下降了16%；在實驗室已有農(nóng)業(yè)灌區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)上對改進型邊界盒算法進行實地驗證，驗證效果顯示相比于傳統(tǒng)的邊界盒算法有所改善，雖然無法使節(jié)點誤差率降低10%以上，但適用于面積廣闊的對節(jié)點位置信息精度不高的西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)。

目前，西部農(nóng)業(yè)正處于處于從粗放型農(nóng)業(yè)種植到精細化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉換的重要時期，如何解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在西部農(nóng)業(yè)灌區(qū)的實際應用難題仍然是實現(xiàn)數(shù)字精準農(nóng)業(yè)的重要障礙。盡管本研究的即時監(jiān)測系統(tǒng)與改進型邊界盒算法在實際應用中取得預期效果，但仍然是對我國西部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究的繼承與發(fā)展。

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