精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)：基于LEACH和DSDV的WSN應(yīng)用

摘要：近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。WSN技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、交通管控、衛(wèi)生保健、管道監(jiān)測等日常生活領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)為研究對象，利用WSN實(shí)時(shí)獲取氣候和其他環(huán)境特性，例如濕度和溫度或雜草、寵物的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的能效和數(shù)據(jù)量大的問題，我們采用LEACH協(xié)議（無爭用）來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。[1]

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);PH傳感器;LEACH; DSDV路由

引言

對于農(nóng)業(yè)而言，有許多因素會(huì)影響某一地區(qū)的產(chǎn)量，例如濕度、溫度、土壤類型、營養(yǎng)成分等。 農(nóng)民希望通過從基點(diǎn)獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)農(nóng)田管理的精確度。對于較大的區(qū)域來說，準(zhǔn)確的信息意味著從各個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)換而來的原始數(shù)據(jù)必須是豐富的。只有初始數(shù)據(jù)足夠充分、誤差足夠充分，才能從計(jì)算中得出一般原理。但是對于WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸，最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是如何有效地傳輸必要信息以延長節(jié)點(diǎn)的壽命。相應(yīng)的挑戰(zhàn)包括低速、低存儲(chǔ)容量、I/O組件的缺失等。對于精密農(nóng)業(yè)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求是以較低的能耗收集大量的數(shù)據(jù)。

一、系統(tǒng)概述

1994年[2]，Blackmore等人將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)定義為一個(gè)綜合的系統(tǒng)，旨在維持環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，通過精心調(diào)整土壤和管理作物來適應(yīng)不同場合下的獨(dú)特條件，從而優(yōu)化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。2004年，Beckwith等人部署了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測和記錄葡萄園的溫度變化。[3]他們將65個(gè)節(jié)點(diǎn)以10到20米的間距呈網(wǎng)格狀進(jìn)行部署，覆蓋了約2英畝。根據(jù)他的報(bào)告，這個(gè)葡萄園中在短短的100米內(nèi)，就有溫度的變化超過35%的HSUs。與此同時(shí)，在2005年，Baggio在荷蘭的LofarAgro也部署了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。[4]150個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)溫度和濕度傳感器，其他30個(gè)節(jié)點(diǎn)用來保證網(wǎng)絡(luò)的連接。此外，數(shù)據(jù)每隔10分鐘傳送到BS（基站）進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需要大量豐富的數(shù)據(jù)來分析土壤的溫度、濕度和其他某些屬性，或者需要做一些相關(guān)的計(jì)算來得到特定區(qū)域的規(guī)律。農(nóng)業(yè)通常占據(jù)著廣闊的區(qū)域，對于資源分配和其他方面，例如PH值，微量元素的成分和日照強(qiáng)度來說，農(nóng)民認(rèn)為大型農(nóng)場通常是相同的。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，分散在農(nóng)田中的傳感器用來監(jiān)測土壤的PH值，根據(jù)這個(gè)值，農(nóng)民可以方便地采取相應(yīng)的措施，來獲得大的豐收，比如施肥或種植適當(dāng)?shù)霓r(nóng)作物。節(jié)點(diǎn)被分成許多集群，每個(gè)集群都有一個(gè)集群頭，這個(gè)集群頭可以在向基站傳輸數(shù)據(jù)前對一些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，節(jié)約了功耗，并降低了網(wǎng)絡(luò)的延遲。通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在這整個(gè)區(qū)域中部署了大量的節(jié)點(diǎn)，無需人為參與就可以高效的獲取數(shù)據(jù)，而這都是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成的。實(shí)驗(yàn)區(qū)域假設(shè)20x20米左右，在這個(gè)區(qū)域中均勻的分布著100個(gè)節(jié)點(diǎn)，另外30個(gè)節(jié)點(diǎn)用來確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的總能量都能被每個(gè)節(jié)點(diǎn)所獲取。（圖1）由于農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸量確實(shí)大，并且數(shù)據(jù)吞吐量也大，為了減小沖突存在的可能性，我們選擇了無爭用協(xié)議（LEACH）來避免發(fā)生沖突的可能性。

二、 Mac層（無爭用---LEACH）

我們選擇LEACH協(xié)議來實(shí)現(xiàn)mac層的傳輸。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Leach結(jié)合了TDMA（無爭用協(xié)議）和集群算法的概念。它適用于在較大的區(qū)域中的大量節(jié)點(diǎn)，由于它有集群這樣能將整個(gè)節(jié)點(diǎn)分成不同集群的概念，使得它們有自己的負(fù)責(zé)來匯總數(shù)據(jù)的集群頭，減少了傳送到基站的信息量。（圖2）

LEACH能被分成兩個(gè)階段，分別為獨(dú)立負(fù)責(zé)各自職責(zé)的建立階段和穩(wěn)態(tài)階段。在建立階段，有兩個(gè)主要的目的需要完成，第一個(gè)是確定集群頭，第二個(gè)是建立它們各自的調(diào)度表。最后一個(gè)是對于不是集群頭的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們需要選擇它們自己的集群。另一方面，對于名為穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，它是集群節(jié)點(diǎn)、集群頭和匯總的主要傳輸部分。無論節(jié)點(diǎn)在什么集群里，只有一個(gè)集群頭能夠進(jìn)行通信，并且對于集群頭來說，它可以促進(jìn)數(shù)據(jù)匯總和網(wǎng)絡(luò)處理，減少需要傳送到基站的數(shù)據(jù)量。

（一）建立階段

（1）節(jié)點(diǎn)將會(huì)自主決定它是不是集群頭。并且通過非持久性CSMA協(xié)議廣播一個(gè)ADV消息。

根據(jù)左側(cè)電能可用，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有成為集群頭的可能性。對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，能成為集群頭的可能性可以通過如下的方程進(jìn)行計(jì)算：P（i） = min{E（i）/E（total）， 1}（對于確定的時(shí)間t）。但是這個(gè)用來計(jì)算成為集群頭可能性的方法需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道在這個(gè)系統(tǒng)中可用的能量，這將會(huì)導(dǎo)致吞吐量的過載。因此，我們額外增加了30個(gè)節(jié)點(diǎn)作為支點(diǎn)來傳輸整個(gè)拓?fù)涞哪芰康矫總€(gè)節(jié)點(diǎn)。

（2）每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過選擇集群頭來加入它們自己的集群，這個(gè)集群頭具有接受來自不同集群頭ADV消息的信號能力，這有助于節(jié)點(diǎn)降低傳送到集群頭的能量。

（3）選擇集群頭后，節(jié)點(diǎn)也通過CSMA發(fā)送加入請求消息來選擇集群頭。

（4）集群頭為集群建立一個(gè)傳輸調(diào)度，之后將調(diào)度表發(fā)送到它所在集群中的所有的節(jié)點(diǎn)。

（二）穩(wěn)態(tài)階段

節(jié)點(diǎn)可以從土壤中檢測出關(guān)于PH值的各自的數(shù)據(jù)，并將這個(gè)物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)值，與集群頭進(jìn)行通信，使集群頭對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后，減少數(shù)據(jù)量并傳送給基站來進(jìn)行最終的處理。

三、傳感器網(wǎng)絡(luò)（主動(dòng)路由-DSDB）

使用LEACH MAC層協(xié)議會(huì)導(dǎo)致路由問題，現(xiàn)在我們需要討論網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。由于這種節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不會(huì)頻繁的改變，我們選擇DSDV協(xié)議來完成網(wǎng)絡(luò)層路由，根據(jù)需要找出到達(dá)目的地的方式。

路由協(xié)議可以分成兩個(gè)主要部分，也就是按需路由和主動(dòng)路由。對于第一種來說，按需路由適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁改變的情況，因此事先知道路由表不是有用的，甚至很容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的路由，更不用說巨大的資源消耗。但是對于另一種來說，預(yù)先知道路由表會(huì)加快消息傳送的傳輸速度。

通過路由表的傳播，在這個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有它們自己的路由表。例如，節(jié)點(diǎn)i通過節(jié)點(diǎn)j維護(hù)著每個(gè)目的地x的距離列表{dij}。（圖3）并且我們選擇增量包來傳播節(jié)點(diǎn)信息。使用增量包而不是全部的轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)包減少了傳輸中的消耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到增量包后，它會(huì)將這個(gè)包與它自己的路由表進(jìn)行對比，如果這個(gè)新包具有一個(gè)更高的序列號，或者與序列號相同但與自己的舊包相比到達(dá)目的地的消耗更少，這個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)更新它的路由表，來節(jié)傳輸能量。例如，如果{dik}<={dij}距離儲(chǔ)存在每個(gè)入口隨同序列號的路由表中，節(jié)點(diǎn)i會(huì)選擇k作為下一個(gè)跳板（圖4）。

四、系統(tǒng)描述

根據(jù)需要監(jiān)測的物理特性，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的傳感器可以被分成許多種類，包括溫度、濕度、化學(xué)、位置……本實(shí)驗(yàn)中主要針對土壤的化學(xué)特性（PH值），因此我們選擇PH傳感器作為我們的傳感器節(jié)點(diǎn)來采集數(shù)據(jù)。由于我們選擇LEACH作為我們的MAC層協(xié)議，這在集群中將會(huì)有一些集群頭，在空閑期間這些集群頭不會(huì)休眠，因此我們需要一些額外的能量和更多的功率來提供給這些集群頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]. D. Estrin， R. Govindan， J. Heidemann， and S. Kumar， ―Scalable Coordination in Sensor Networks，‖ Proc.Mobicom 99， Seattle， WA， Aug. 1999， pp. 263-270

[2]S. Blackmore， “Precision Farming： An Introduction，” Outlook on Agriculture Journal， Vol. 23， 1994， pp. 275- 280.

作者簡介：

呂曉杰（1998.5-），女，漢，山東省濟(jì)南市，北京郵電大學(xué)本科在讀，專業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)。