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基于WSNs的设施农业环境远程监控系统设计

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2013年第32卷第12期 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 97 基于WSNs的设施农业环境远程监控系统设计 刘华骏,降爱莲 (太原理工大学计算机科学与技术学院。山西太原030024) 摘 要:针对现有设施农业环境远程监控系统的不足,对其监控方案进行改进,将无线传感器网络和嵌入 式技术相结合,设计了基于CC2530的传感器节点软硬件结构和基于¥3C2440的嵌入式设备的软硬件结 构。设计了基于改进蚁群算法的路由协议。实现了对监测区域的环境信息的实时、可靠地采集和传输。 实验结果表明:该系统在实现传统监控功能的基础上能够提供给用户更直观的信息显示、具有移动监控的 功能、系统的成本低并且网络能耗负载均衡。 关键词:无线传感器网络;嵌入式;蚁群算法;移动监控 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2013)12-0097--03 Design of facility agriculture environmental remote monitoring system based on WSNs LIU Hua-jun,JIANG Ai—lian (College of Computer Science and Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China) Abstract:Aiming at deficiencies of the existing facilities agricultural environment remote monitoring system, improve their monitoring programs,combine wireless sensor networks(WSNs)technology and embedded technology,design hardware and software architecture of sensor node based on CC2530 chip and hardware and software architecture of embedded devices based on¥3C2440 chip.Design muting protocols based on improved ant colony algorithm.Realize real—time and reliable acquisition and transmission for monitoring regional environmental information.Experimental results show that the system can provide more intuitive information to risers.on the basis of traditional monitoring function,have mobile monitoring functions,reduce the cost of the system and balance the network load. Key words:wireless sensor networks(WSNs);embedded;ant colony algorithm;mobile monitoring 0引 言 的,但都没考虑到网络生命期。本系统综合使用WSNs和 嵌入式等技术,提出一种对设施农业环境信息进行远程监 控的方案。设计了一种嵌人式应用软件,此软件能够呈现 给用户十分直观的农业环境信息。为了使整个网络负载平 衡,设计了最大网络生存时间的路由协议,该系统有很好的 随着通信技术的发展,无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)技术在远程监控研究中的应用十分广 泛 。对现今农业信息远程监控系统进行研究后,发现 其不足之处。当前的远程监控方法主要有3种:第一种是 将监测到的数据显示在监控中心的Pc上 j,其不足之处 在于没有移动监控的能力;第二种是将监测到的数据用短 便携性,能够有条理地管理大量的监测数据,运行稳定,实 时性好,数据可靠,成本低,而且网络负载均衡,解决了现今 一信发送到手机上 j,其不足之处在于一旦监控区域很多, 数据量会很大,用短信显示数据会变得很乱、不直观;第三 种是将监测到的数据发送到服务器上,用户使用移动设备 通过Web浏览器对农业信息进行监测E4],其不足之处在于 成本太高。由于WSNs节点是通过电池供电,能量受限,一 些监控系统的不足之处。 1系统结构框架 本系统主要分为两部分:第一部分为系统设计,主要设 计WSNs节点和汇聚节点的软硬件结构和终端设备监控软 件;第二部分为路由算法。针对经典旅行商问题,1992年 意大利学者多里戈根据蚂蚁觅食的原理提出蚁群算 旦节点能量耗尽,将影响整个网络的路由,缩短网络生存时 间。以上几种监控方法虽然实现了对农业环境的监控目 收稿日期:2013-04-28 法 。 。本文对蚁群算法中的节点选择概率公式、信息素 基金项目:山西省高等学校留学回国人员科研资助项目(2011-10);山西省自然科学基金资助项目(2013011019—7) 98 传感器与微系统 第32卷 更新公式进行改进,并加入能量控制策略以提高网络生命 周期。 2系统设计 2.1 WSNs节点软硬件设计 WSNs节点的结构可分为:1)微处理器模块:功能是对 其所在的传感器节点进行控制,本系统所使用的微处理器 是TI公司的CC2530。2)无线通信模块:CC2530自带了一 个无线收发器负责收发数据。3)传感器模块:负责采集农 墨 1嗲 ) 业环境信息,使用空气温湿度传感器SHT11和CO 浓度传 感器COZIR—w一100。4)电源模块:为各模块正常工作提供 所必需的能源,系统使用3节5号电池来供电。 传感器节点根据其功能的不同而分为2种类型,分别 为协调器和终端节点。协调器在本系统中即为汇聚节点, 其主要功能包括协调建立网络、管理网络节点、存储网络节 点信息等。终端节点与传感器直接相连,负责采集相应的 环境信息并将这些信息发送到协调器。终端节点的软件流 程图见图l,协调器的软件流程图见图2。 考 图1 终端节点软件流程图 Fig 1 Software flow chart of end node 2.2移动终端软件设计 本系统的终端设备所采用的处理器是基于ARM920T 内核的低功耗嵌入式芯片¥3C2440 ' 。均使用了ARM作 为处理器,可见ARM处理器在科研与应用领域已广泛应 用。操作系统为嵌入式IJinux操作系统,应用程序用Qt开 发。本系统使用Qt技术开发了一种嵌入式应用软件,该软 件的设汁流程图见图3。 3路由算法设计 3.1算法描述 本文对蚁群算法的概率转移公式做出了改进,充分考 虑下一跳备选节点 当前剩余能量和节点i与 之间的距 离,并用权重因子y 和y 来决定它们所发挥作用的比重, 令 + =1,见式(1) 图2协调器软件流程图 Fig 2 Software flow chart of coordinator 盖( “ 咄 ,(1) 【0,otherwjse △r =∑Ar , (3) 第l2期 刘华骏,等:基于WSNs的设施农业环境远程监控系统设计 一 素挥发因子,0<p<1;△ r k为第k只蚂蚁在本次循环中留在 路径 上的信息量,见式(4) 厘 营 一 △ =?』_ bk’蚂蚁居在本次循种经 ,, △ :(()4) 星 窖 壮 【0,其他 式中Q为常数, 为第 只蚂蚁在本次循环中所走过的 节点个数 路径长度。 图4网络生存时间比较 Fig 4 Comparison of network lifetime 为了平衡网络能耗负载,本文使用动态阈值的方法。 基本思想为:所有节点在初始化阶段设置一个能量阈值E 4实验结果 和阈值下限E…,它们都小于节点的初始能量C且E…≤ E 达到闽值的节点集合s 初始为空;E…为待选节点的 当前能量值。节点i在搜寻下一跳节点时,会创建阈值的 一个副本E ,然后在其邻居节点表中只查找E…>E。。 的 节点。当节点i的所有邻居节点全部E…≤E…时,则将 E… 依据式(5)进行动态更新 E一』A ,A。E>E…. (5) 【E…,A・ ≤ … 其中,A为阈值的减少程度,0<A<l。当有节点i在一 次传输结束后能量达到阂值且i岳Set 则将节点i加人 se 然后重新计算路由;当所有节点中的7/8都达到阈值 E 时,则将阈值E 依据公式(5)进行动态更新,然后清空 集合.s 。实验证明:动态阈值的方法可有效地平衡网络 能耗负载。 该算法的具体步骤如下: 1)初始化节点的信息素、能量值、公式中的参数等。 2)选择下一个节点:每个节点派出m只蚂蚁,每只蚂 蚁按式(1)与动态阈值方法来选择下一跳节点,并将所择节 点加入禁忌表中。 3)信息素更新:当m只蚂蚁全部到达汇聚节点时,计 算本次搜索的最优路径,用公式(2)对信息素进行更新。 4)如果未达到设置的搜索次数,则清空禁忌表,返回步 骤(2)。 3.2仿真实验 为了验证算法的有效性,本文用C++对该算法进行 了软件仿真,WSNs的范围为100 m×100 m。针对网络生命 期与传统的蚁群算法做出了对比,表1为实验所用到的参 数,图4为仿真结果的比较。 表l仿真参数表 Tab 1 Simulation parameter table 参数 取值 参数 取值 蚂蚁个数m 30 dl。mlt 20 nl 节点初始能量1 000 J Q 100 0.5 口 3 P 0.4 迭代次数 150 E【h 800 J E… 300 J l 0.5 2 0 5 首先,在温室内对本系统进行测试,选一个传感器节 点,每隔10min对温湿度和CO。体积分数进行测量,采集到 的数据如表2所示。 表2温室内数据测试结果 Tab 2 Data test results of greenhouse environmental 从表2中可以看出:空气温度的测量误差最大为 0.3℃,湿度的测量误差最大为2%RH,CO 体积分数的测 量误差最大为18×10一,误差范围非常小,测量数据十分可 靠。 然后,利用可以控制的制冷和加热设备对本系统的报 警功能进行测试。在传感器节点的软件设计中设置了温度 的阈值为一5℃和35℃。选取了温度传感器SHT11所测到 8个温度值作为实验数据,报警信息如表3所示。实验证明 报警功能的实验结果与预测结果完全相符,十分可靠。 表3报警功能测试结果 Tab 3 Test resulst of warning function 测量温度(。C)报警信息 测量温度(℃)报警信息 -10.2 报警 10.4 未报警 -5.8 报警 25.3 未报警 5 0 未报警 35.0 未报警 0.3 未报警 35.5 报警 5结束语 在对现有的远程监测系统充分研究的基础上,将WSNs 技术和嵌入式技术相结合,实现了对农业信息的远程移动 监控。与原有的监控系统相比,该系统具有精确的数据采 集,实时、可靠的数据传输,较低的功耗,均衡的网络负载, (下转第103页) 第12期 成曲线的上升速度下降,产生下弯。 1O0 80 王宏博,等:基于MEMS的参量放大的设计与实现 1O3 大效应,当参激电压为5.7V时,放大倍数达到了57,且实 验结果与理论吻合很好,充分验证了参量放大理论的正确 性与参量放大结构的可行性,为未来实现该效应在微机电 陀螺与微机电加速度计中的应用,进~步提高惯性器件传 感器的性能,开辟了新思路。 参考文献: 薹60 -K 4O 20 0 l 2 3 4 5 6 [1] Rugar D,Griitter P.Mechanical parametric amplification and 电压/v thermo—mechanical noise squeezing[J].Physical Review Let— ters,1991,67:699--702. 图9理论和实测放大倍数与参激电压的关系 Fig 9 Relationship between theory and measured [2]Tumer K L,Miller S A,Hartwell P G,et a1.Five parametric reso— nanees in a micro—electro—mechanical system[J].Nature,1998, 396:149--152. ampliicatfion times and parametric excitation volage t设定参激电压为5.5 V,此时改变参激相位,得到如 图1O所示的放大倍数与参激相位的关系图,从图中可以看 出:实测值与理论曲线一致,当参激相位为+90。时,参量放 大倍数最大为10,当参激相位为在0附近时,参量放大倍 数小于1。此结果说明,当驱动信号与参激信号相位相差 -[3]Hu Z,Gallacher B,Burdess J,et a1.A parametrically ampliifed MEMS rate gyroscope[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2011,167:249--260. [4]Hu Z,Gallacher B J,Harish K M,et al,An experimental study of high gain parametric ampliifcation in MEMS[J].Sensors and Ac— tuators A:Physical,2010,162:145--154. I-90。时,参激效应最强,而当两者相位相差0。时,参激效 应最弱,甚至产生有抑制振子振幅的效果。 10 8 [5]Harish K,Gallacher B,Burdess J,et a1.Experimental investiga— tion of parametric and externally forced motion in resonant MEMS 藿 -耧K 4 2 sensors[J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008,19:15--21. [6] Oropeza—Ramos L A,Burgner C B,Turner K L.Robust micro—rate 0 5O 10U l5O 0 l50一l0O 一50 一sensor actuated by parametric resonance[J].Sensors and Actua— tors A:Physical,2009,152:80--87. 相位 ) 图10理论和实测放大倍数与参激相位的关系 Fig 10 Relationship between theory and measured [7]Adams S G,Bertsch F M,Shaw K A,et a1.Independent tuning of linear and nonlinear stiffness coeficifents[actuators]l J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,1998,7:172--180. ampliicatifon time and parametric exciattion phase 4结论 作者简介: 王宏博(1987一),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,主要从事 本文设计的参量放大谐振子,在较低的真空度 (1 000Pa左右)和较低的Q值(300左右)下实现了参量放 P p ; p ) ≯ \ \0 MEMS器件的研究。 ≯ ≯ ≯ p ≯\ (上接第99页) 并且运行十分稳定,能够呈现给用户清晰的农业信息,并且 273. [5]Dortgo M,Gambardella L M.Ant colony system:A cooperative learning approach to the traveling salesman problem[J].IEEE Trans on Evolutionary Computation,1997,1(I):53--66. 降低了系统的成本。该系统不仅可以用于设施农业,还可 以用于煤矿、油井等对数据的实时性要求很高的环境,具有 广泛的应用前景。 参考文献: [1]安璐,丁恩杰,李曙俏.基于ZigBee的采空区无线温度监 测系统[J].传感器与微系统,2012,31(4):96--98. [2]韩华峰,杜克明,孙忠富,等.基于ZigBee网络的温室环境远 [6]Dortgo M,Manie ̄o V,Colorni A.Ant system:Optimization by a colony cooperating agents[J].IEEE Trans on Systems,Man,and Cybernetics,Pan B:Cybernetics,1996,26(1):29--41. [7] 彭铁钢,刘国繁,曹少坤,等.基于ARM的嵌入式视频监控系 统设计[J].计算机工程与设计,2010,31(6):1191--1194. [8] 陈吴,王举.野外环境下基于ARM的无线传感器网关系 程监控系统设计与应用[J].农业工程学报,2009,25(7): 158--163. 统设计[J].西北大学学报:自然科学版,2012,42(3):355— 358. [3]胡强,张海辉,徐巧年.基于短消息的无线传感器监测系统 设计[J].农机化研究,2010,32(2):113--116. 作者简介: 刘华骏(1990一),男,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,主要研究领 [4] 孙忠富,曹洪太,杜克明,等.温室环境无线远程监控系统的 优化解决方案[J].沈阳农业大学学报,2006,37(3):270一 域为无线传感器网络。 

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