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基于混合天线无线传感器网络的森林微气象数据监测
摘 要：针对森林环境树木拥挤而造成的无线传感器网络节点通信质量较差、数据丢失严重的问题,本文设计了基于混合天线无线传感器网络的森林微气象数据进行收集,以期解决单一天线传输不可靠且成本较高的难题,为森林微气象研究工作提供更加精准的数据支撑.
关键词：无线传感器网络；森林；微气象；监测
传统的林业微气象信息监测大多通过有线的气象监测站点来实现,监测过程主要依靠人工监测,站点部署困难且工作量较大、费用昂贵,并且还会对森林环境产生一定影响.而采用WSN实现林业微气象监测,能够利用WSN网络节点体积小、低、部署方法简单、监测范围广的特点,将森林微气象数据采集后,通过设定相关的阈值,达到一定的灾情信号后,把数据传送至远程服务器,为监测终端的林业工作者提供参考数据.
一、无线传感器网络系统设计
(一)WSN节点硬件设计
基于混合天线无线传感器网络的森林微气象数据监测节点的硬件组成模块由传感器模块、处理器模块、通信模块和电源模块所组成.节点的硬件体系结构框架如图1所示.
传感器模块主要是对森林微气象数据进行监测,采集到的数据在处理器模块进行处理,本文的传感器采选用空气温湿度传感器SHT22和土壤水分传感器TDR-3,用于监测森林微气象当中的空气温湿度和土壤含水量.在WSN路由节点的各模块中,最为核心的是处理器模块和通信模块,处理器模块直接影响着整个网络的数据计算能力和路由协议的运算能力,选择不同的处理器,对网络整体能量的消耗也不一样,本文处理器选用CC2430芯片.无线通信模块则负责与其他节点进行数据交换,通信模块直接决定了WSN的无线通信频段,WSN簇内节点射频芯片选用nRF905,天线采用全向天线,汇聚节点的天线采用定向天线.电源模块通过为节点提供电量,保证节点的顺利运行,本系统的电源模块由1 节可充电的18650锂离子电池组成.
(二)WSN路由协议设计
根据不同的应用场景设计的WSN路由协议,对于整个网络的稳定性和能量消耗具有决定作用,这也能够为林业工作者设计更加符合森林微气象信息监测的监测系统.针对森林环境中的树木众多,地形落差大,节点部署容易受遮挡的问题,WSN簇内节点采用全向天线,汇聚节点采用定向天线相结的混合天线WSN路由协议.网络的汇聚节点采用定向天线WSN汇聚节点控制路由算法（RADA,WSN aggregationnode control routing algorithm based on Directionalantenna）.由于在定向天线WSN汇聚节点的信号覆盖范围内,成员节点能够把远处收集到的监测信号通过通信链路传送给簇头.定向天线WSN汇聚节点的天线通过步进电机来驱动,根据设定的转动周期,实现对定向天线WSN簇头节点的信号覆盖区域监测数据的收集.在定向天线WSN汇聚节点控制路由算法中,能够收集到各个扇形区域内成员节点环境信息的节点成为簇头.这里并非所有的簇头都直接和汇聚节点进行通信,而是根据节点自身与汇聚节点的距离情况决定自身能否成为低一级簇头,只有与汇聚节点在天线的通信范围内才直接同定向天线WSN汇聚节点进行通信.当一个簇头的成员中具有一级簇头的时候,则自身默认成为二级簇头.在定向天线WSN汇聚节点控制路由算法中,簇头节点根据自身能量的剩余情况进行轮换,当具有相同覆盖程度的节点能量下降到一定程度以后,具有低一级覆盖程度的节点则轮换为新簇头.
二、WSN 组网实验研究
(一)网络丢包率测试
根据本文设计的定向天线WSN汇聚节点和成员节点,于2016年12月5日在广州火炉山森林公园进行森林微气象数据监测组网试验.WSN组网共包括6 个节点,节点1~3为森林微气象环境信息数据采集节点,节点4为配备定向天线的簇头节点,节点5为配备步进电机转台的定向天线WSN汇聚节点,负责收集簇头节点4转发来的环境信息数据,节点6为网关节点,负责将定向天线WSN节点的数据包通过GPRS网络接入Internet,通过该组网思路形成森林微气象WSN簇头,为大面积森林微气象数据监测做准备.数据在远程上位机的服务器当中进行存储和显示.可以采用公式（1）计算网络的丢包率.
P等于n/N*100% （1）
在式（1）中,ρ表示网络丢包率,n代表单位时间内网络信号传输过程中所丢失的数据包数目,N代表单位时间内网络信号传输的数据包总数.本试验中,定向天线WSN汇聚节点的网络丢包率测试方法为：选取从2016年12月5日12时至2016年12月25日12时,共20 天的监测数据量来计算网络丢包率,网络丢包率统计结果如表1所示,其中Node_Num代表监测节点号；Rec_Packet代表定向天线WSN汇聚节点收到的各监测节点的数据包个数；Node_Packet代表监测节点发送的数据包总数；Packet_LR代表各监测节点的丢包率.
试验中定向天线WSN汇聚节点自动将接收到各个节点的数据记录在SD卡中,SD卡中的数据包数目即为定向天线WSN汇聚节点接收到的内网数据包总数.通过记录试验开始时间和结束时间,每30 分钟采集一次数据,统计节点发送数据包数量.网络丢包率统计如表1所示.
由表1可知,整个网络的平均丢包率为0.574%,统计数据表明,WSN节点及其网络系统工作稳定,网络稳定性好,网络丢包率较低.
(二)空气温湿度测试
2016年12月5日至2016年12月25日,部署于广州火炉山森林公园的森林微气象数据监测WSN网络的无线信号传输频率为915Hz,节点的无线模块增益为-2dBi,在该森林公园布置4 个簇,共有WSN节点17 个,每个簇内包含1 个簇头结点和3 个成员节点,簇头结点汇聚融合簇内成员节点所监测到的环境信息,并转发到定向天线WSN汇聚节点,汇聚节点所搭载的定向天线则通过步进电机驱动转向,根据转动角度接收到不同方向的簇头节点所发送来的数据.在天线辐射范围内,汇聚节点借助定向天线的远距离传输优势,将信号传送至网关节点,网关节点则通过GRRS将数据传送至远程上位机数据库当中.
该监测系统可以监测森林微气象不同区域、不同环境类型的环境信息,主要包括TDR-3土壤水分传感器测量森林地下5~8 cm深度的土壤含水量,为森林微气象的调节提供依据；数字式空气温湿度传感器DHT22测量森林空气温湿度,有助于为林业工作者在森林防火方面提供参考.远程林场管理人员通过上位机查看实时的森林微气象数据,并设置森林环境温湿度、土壤含水量的上下限阈值,在接收到报警短信时及时进行灌溉操作.试验期间累计收到26 000 余条监测数据,累计报警次数达到45 次,远程监控中心的工作人员,能够第一时间了解森林环境的土壤含水量和空气温湿度等环境信息,为林业工作者的林木管理提供良好的信息支持.
表2为2016年12月5日定向天线WSN网络4 个簇的汇聚节点所接收到的空气温湿度数据.图2是对该数据进行拟合的图形.从该图形可以看出,一天当中各簇的温湿度数据显示较为接近,网络连通性能好.
三、总结与展望
本文首先对簇头的形成方案进行分析,对定向天线WSN汇聚节点的网络丢包率和连通性进行测试,并对无线传感器网络进行组网试验.试验结果表明：在森林环境的实地组网试验中,网丢包率为0.574%,满足数据正常传输的要求；各簇测得的温湿度数据较为接近,表明网络连通性较好.
综上所述, 本研究设计的混合天线无线传感器网络森林微气象数据监测系统具有现场实时监测、远程实时监控、网络丢包率低等特点,能够满足森林微气象数据监测实时性高、周期性强、智能化与信息化的要求.
参考文献
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