農(nóng)業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程電子監(jiān)測技術(shù)研究
——基于分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

朱壯普,吳 勇

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)工程系,太原 030006;2.山西大學(xué) 軟件學(xué)院,太原 030006)

0 引言

時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵機(jī)制, 為大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用所必需。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、多跳性、動態(tài)拓?fù)湫院唾Y源受限性等特點(diǎn),且因受節(jié)點(diǎn)能量、計算能力、通信帶寬及存儲容量的限制,使得設(shè)計能滿足不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的時間同步技術(shù)十分重要。本研究擬將分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)引入到農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測系統(tǒng)上,通過路由算法的優(yōu)化,提高監(jiān)測系統(tǒng)的同步通信能力,從而實(shí)時地對農(nóng)機(jī)作業(yè)情況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,以提高農(nóng)機(jī)的智能化和自動化水平。

1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,需要在農(nóng)機(jī)上安裝較多的設(shè)備,這些設(shè)備可以通過現(xiàn)場總線進(jìn)行連接?，F(xiàn)場總線CAN通信效率高,速度快,操作簡單,是一種具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。在遠(yuǎn)程電子監(jiān)測時,可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)以CAN總線的形式進(jìn)行傳輸,然后再通過無線傳送設(shè)備傳送到遠(yuǎn)程客戶端,上位機(jī)可以實(shí)時對機(jī)車運(yùn)行信息進(jìn)行監(jiān)測和存儲,為實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)機(jī)車精準(zhǔn)作業(yè)提供了依據(jù)。

由于田間機(jī)車的設(shè)備相對來說比較復(fù)雜,還要考慮到實(shí)時性、操作的難易程度,為提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率,采用遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制的方式。在進(jìn)行遠(yuǎn)程電子監(jiān)測時,利用GPRS發(fā)布打開攝像頭命令后,設(shè)備開始打開攝像頭并且獲取攝像頭設(shè)備信息和緩沖區(qū),通過數(shù)據(jù)處理對采集到的圖像進(jìn)行處理后,關(guān)閉攝像頭設(shè)備,如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控流程Fig.1 The monitoring process of remote monitoring system for agricultural machinery

農(nóng)機(jī)作業(yè)時,首先利用各種傳感器對環(huán)境和溫度等信息進(jìn)行采集,也可將實(shí)時作業(yè)情況信息傳送到大屏幕上,使農(nóng)機(jī)運(yùn)行信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示、自動跟蹤及傳輸數(shù)據(jù)等,達(dá)到多農(nóng)機(jī)協(xié)同一體化管理的目的。

2 基于分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其路由算法

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種適應(yīng)性比較強(qiáng)的通信網(wǎng)絡(luò),通過傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)成自組織的形式網(wǎng)絡(luò),可以采集、處理和傳達(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的各種數(shù)據(jù)信息,最后將有用的關(guān)鍵信息發(fā)送給觀察者,框架如圖2所示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)融合了當(dāng)前各種先進(jìn)的技術(shù),包括現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化系統(tǒng)等,將邏輯信息和客觀物體融合在一起,被廣泛地應(yīng)用在環(huán)境的監(jiān)測和預(yù)報、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域。

圖2 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)框架Fig.2 The framework of agricultural machinery monitoring system based on Wireless Sensor Network

圖3為傳統(tǒng)算法的節(jié)點(diǎn)分布示意圖。

圖3 基于傳統(tǒng)算法的節(jié)點(diǎn)分布示意圖Fig.3 The sketch digram of node distribution based on traditional algorithm

這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)是常用的一種類型,網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。其中,普通節(jié)點(diǎn)的通信都是以參考節(jié)點(diǎn)開始的,通過和參考節(jié)點(diǎn)的距離來確定通信的層次,但其同步性較差,不利于信息的實(shí)時傳遞。

基于分簇算法的節(jié)點(diǎn)分布示意圖如圖4所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)被分為很多簇,并劃分了簇首和簇節(jié)點(diǎn),簇首和參考節(jié)點(diǎn)可以增大網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送功率,使其通信范圍增大、網(wǎng)絡(luò)總的跳數(shù)減少。同傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)相比較,距參考節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),其跳數(shù)也有所降低,從而降低了通信過程的同步誤差,提高了網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性。

圖4 基于分簇算法的節(jié)點(diǎn)分布示意圖Fig.4 The sketch of node distribution based on clustering algorithm

假設(shè)有兩個節(jié)點(diǎn)分別為x和y,實(shí)時時間為t,傳感器節(jié)點(diǎn)x內(nèi)部振蕩器的實(shí)時時間為Cx(t),可以通過節(jié)點(diǎn)x來推算節(jié)點(diǎn)y的時間,從而達(dá)到同步通信的目的。其推算方程為

(1)

其中,α為初始的實(shí)時時刻,β為相對頻率,且有

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可得

CA(t)=φ+Δ·CB(t)

(3)

其中,Δ為兩個實(shí)時時刻的相對時鐘漂移比值,φ為兩節(jié)點(diǎn)的相對誤差。當(dāng)節(jié)點(diǎn)時刻為0時,參考節(jié)點(diǎn)時間用T0表示,兩節(jié)點(diǎn)的時間偏移量為

(4)

將式(4)帶入式(3),可得

(5)

如果節(jié)點(diǎn)一直以(T1,T2)與新取得(Tm,Tn)進(jìn)行同步校正,在進(jìn)行校正時會隨著誤差的增大而增大,因此可以定義一個Q=(a,b),使得時間間隔始終處于(a,b)范圍內(nèi)。其偽代碼為：

if(節(jié)點(diǎn)是參考節(jié)點(diǎn))

{ 每隔t時間發(fā)包,設(shè)定值(a,b),ti為時間點(diǎn),(Tj,Tj+1)為時間點(diǎn)所接收到的包,i=1,j=1}

if(Tj-T1≤b)

{

仍以t1時間點(diǎn)發(fā)包,j=j+1

}

else if(Tj-T1≥b)

{

tm時間點(diǎn)發(fā)包,且tm滿足Tj+1-Tm≥a)

}

實(shí)現(xiàn)同步通信后,可以同時對多臺作業(yè)的農(nóng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,并將作業(yè)情況實(shí)時反饋給農(nóng)機(jī)管理人員,以便管理者實(shí)現(xiàn)多臺的協(xié)同管理,從而有效地提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率。

3 基于分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)測試

當(dāng)前隨著農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步,多種機(jī)型的無人駕駛設(shè)備被投放到農(nóng)業(yè)作業(yè)中使用。在無人駕駛作業(yè)條件下,遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是非常重要的,而監(jiān)測系統(tǒng)工作效率和工作質(zhì)量的好壞主要取決于監(jiān)測系統(tǒng)通信能力?；诜执?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)具有較高的無線通信能力,其通信的同步性好可以滿足實(shí)時通信的需求。無人駕駛作業(yè)機(jī)械作業(yè)情況如圖5所示。

圖5 無人駕駛作業(yè)機(jī)械示意圖Fig.5 The sketch digram of driverless operation machinery

無人駕駛作業(yè)一般應(yīng)用在地勢平坦、作業(yè)面積較大的區(qū)域,采用該種作業(yè)方式可以有效地提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的智能化和自動化水平,降低人力成本投入,提高作業(yè)效率。由于在作業(yè)過程中處于無人駕駛狀態(tài),可以采用遠(yuǎn)程監(jiān)測的方式對農(nóng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,以提高其作業(yè)質(zhì)量。本文主要對其監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,首先采用NS2仿真的方法對傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信進(jìn)行驗(yàn)證,以得到實(shí)時通信能力較強(qiáng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

采用NS2對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真的配置項(xiàng)目主要包括網(wǎng)絡(luò)通信范圍、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信半徑、同步傳輸信息包大小、信號發(fā)射功率和Datarate等,配置參數(shù)如表1所示。其布置好的節(jié)點(diǎn)示意圖如圖6所示。

表1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真配置參數(shù)Table 1 Simulation configuration parameters of wireless sensor network

圖6 無線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)布置圖Fig.6 Simulation node layout for wireless sensor networks

本次對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要測試項(xiàng)目是同步通信能力,主要通過相同節(jié)點(diǎn)數(shù)需要的同步時間來測算,測算結(jié)果如圖7所示。

圖7 同步時間測算Fig.7 Synchronization time measurement

圖7中,1表示未采用分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)時的同步時間,2表示采用了分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)時的同步時間。計算結(jié)果表明：采用分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)后所需同步時間明顯比沒有采用的短,從而提高了無線通信的效率。

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性,在農(nóng)田里布置了傳感器網(wǎng)絡(luò),并對其通信進(jìn)行了初步的測試,如表2所示。測試結(jié)果表明：仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度較高,從而驗(yàn)證了方案的可行性。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Table 2 The comparison of experimental results %

4 結(jié)論

為了提高農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測系統(tǒng)的同步通信能力、實(shí)現(xiàn)多農(nóng)機(jī)協(xié)同監(jiān)測,在農(nóng)機(jī)監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法中引入了分簇算法,提高了同步通信效率,實(shí)現(xiàn)了多農(nóng)機(jī)監(jiān)測的實(shí)時性。為了驗(yàn)證方案的可行性,首先搭建了100m×100m覆蓋范圍的無線傳感網(wǎng)絡(luò),并利用NS2仿真軟件和實(shí)驗(yàn)方法對路由算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：采用分簇算法后,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的同步通信能力有了明顯的提高,為農(nóng)機(jī)無人化作業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)保障。