基于无线传感器网络的三门峡黄河湿地保护区监控系统

◎鲁晓辉

(三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000)

基于无线传感器网络的三门峡黄河湿地保护区监控系统

◎鲁晓辉

(三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000)

针对黄河湿地保护区自身特点，设计了一种基于ZigBee的监控系统。将基于扇形区域的无线传感器网络路由算法应用到系统中，以解决数据传输质量以及无线节点电池续航能力的问题。传感器节点和汇聚节点采用相同的框架，提升了设备的通用性。通过仿真实验和实地测试，系统各项性能优良，能够满足保护区的监控需求。

无线传感器网络；监控系统；无线传输

国家建立湿地保护区的主要目的是保持保护区内生态系统的平衡，以及对生活在保护区内禽类的保护[1]。出于保护的要求，人类应当尽可能少地进入保护区以防止对周边环境的破坏，但出于科研和保护的目的，又需要适时掌握保护区内的相关环境数据。

目前对某一区域的环境监控一般采用三种方法进行[2]：1.少量人员携带便携设备进入保护区采样，将数据带回或实时传输到后方分析；2.建设有线监控系统进行监测，有线介质供电和传输实时数据，最后在实验室对数据进行分析；3.组建无线监控系统进行监测，实时数据通过无线网络传输到实验室分析，节点采用太阳能电池供电。

由于湿地保护区内拥有大量的小型水域，每个水域的面积随环境因素多有变化[3]。所以，第一种方式由于人类活动较多对保护区影响较大，一般仅限于处理紧急情况时不得已使用，不能作为常规监控手段。第二种方式优势在于，数据传输稳定，由于采用有线供电，节点续航能力强。但湿地环境复杂，在湿地内布线困难较大，且对环境不利影响较多，实施难度较大。无线网络由于采用了无线传输和电池供电，相对有线网络系统具有对环境影响小、布局灵活的优势被广泛使用。但数据传输的质量以及节点续航能力是亟待解决的问题[4]。

针对三门峡黄河湿地自然保护区黑鹳、大天鹅等国家重点保护动物的环境监控需求，结合黄河湿地的具体情况设计了基于无线传感器网络的黄河湿地保护区监控系统，为野生禽类保护提供数据和技术支持。

一、系统设计

（一）系统模块设计

监控系统由采样模块、传输模块、信息处理模块、应用模块4个部分组成[5]，结构如图1所示。其中采样模块与传输模块主要通过无线传感器节点实现[6]，主要完成温度、光照、噪声、水质、图像等信息的采集，并通过无线网络组建、链路选择实现传感器数据到汇聚节点的数据传输。信息处理模块主要在汇聚节点实现，主要负责各传感器数据的收集、汇总、初级加工并通过有线网络将数据传输到主控机房。应用模块根据收到信息提供各类应用服务，包括预警响应、信息记录、传感器控制、数据挖掘等应用功能。

（二）扇形无线传感器网络设计

根据保护区监控需求，笔者在确保对环境影响最小的前提下，以保证数据传输质量以及提升节点生存寿命为切入点，提出了利用ZigBee技术的扇形无线传感器网络设计，网络结构如图2所示。

传感器网络主要由汇聚节点、一般节点两部分构成，其中汇聚节点分布在保护区外围，采用有线供电和数据传输形式，主要负责接收、处理一般节点的数据，为固定设施。由于视频监控具有较大的能源消耗和带宽要求，所以视频监控设备也安排在汇聚节点。一般节点散布在保护区湿地内部，由于采用了电池供电以及无线网络传输的形式，所以具有布局灵活、对环境影响小的特点。可以根据需求情况，调整节点布局，增加或减少节点。

路由算法采用文献[7]的动态分簇路由算法。以汇聚节点为圆心，将汇聚节点周围区划分为若干扇形区域，每个区域内根据节点剩余能量以及与汇聚节点的距离动态选择簇头节点，簇头节点的覆盖范围随距离汇聚节点的距离增加而增大。簇内节点将数据传输到簇头，并由簇头采用多跳形式通过其他簇头传递到汇聚节点，如图3所示。这样做的优点主要包括：1.动态选择传输链路，有效地避免了个别节点损坏导致的传输失败；2.簇头选择考虑剩余能量，能够均衡地分配各节点的能量消耗，提升节点生存寿命；3.根据与汇聚节点的距离设定簇半径，较近的簇节点负责的范围小，可以将更多能量分配到簇间数据传递，距离远的簇节点簇间转发量小，可以覆盖更大的范围，管理更多的一般节点，有利于在节点管理与数据传输间做到能量消耗平衡。

图1 系统结构

图2 分簇结构

二、硬件设计

无线传感器节点和汇聚节点采用相同的框架设计，根据需求不同加装不同的功能模块。主控芯片采用TI公司的CC2630，该芯片内置RF与外接射频在外接收发器配合传输距离能够达到100M，支持16个信道，能够确保通信可靠性，且功耗较低，完全能够满足需求。

（一）无线传感器节点设计

无线传感器节点主要包括供电模块、处理器模块、工作单元模块和通信模块。由于无线传感器节点需要深入到湿地内部，所以采用电池供电，必要时可以外接太阳能板。处理器模块采用CC2530芯片主要负责信息处理以及各模块协调。工作单位主要由外接传感器组成，包括温度传感器、噪声传感器、pH值传感器、光照传感器等根据不同检测点需要安装。通信模块采用外接射频放大器和天线实现2.4GHz的信息稳定传输。

（二）汇聚节点设计

汇聚节点在系统中处于非常重要的地位，以汇聚节点为圆心的扇形区域内所有节点的信息最终都将发送到汇聚节点，并通过汇聚节点以有线形式传输到控制中心。这就造成汇聚节点通信能耗较大，所以对于汇聚节点供电模块采用有线形式供电，以提升汇聚节点生存周期。处理器模块增加处理程序，对接收的节点信息进行初步处理，减少数据传输量。通信模块采用高速串行总线传输，实现信息的远距离可靠通信。

三、系统测试

系统测试分为实验室测试和实地测试两个部分，其中实验室测试主要采用Matlab仿真软件进行模拟仿真，通过对比的形式对无线传感器网络的传输可靠性以及生存时间进行验证，确认系统的可行性，仿真实验参数见下表。实地测试采用实地测试的方式，对系统通信距离以及稳定性进行测试，确认系统的可靠性。

（一）数据传输成功率

采用丢包率判断节点数据传输的稳定性，实验中，在相对环境相同的条件下，分别对本文组网方式、采用PEGASIS组网方式以及直接采用直连方式组网进行对比测试，取得其丢包率，结果见图3。

通过实验数据可以看出，笔者所采用网络的丢包率始终保持在4%以下，与使用传统的PEGASIS算法组网和普通直联网络相比，通信传输成功率有较大优势。

（二）无线节点生存时间

我们采用节点存活数来衡量节点的生存能力，我们通过计算每个通讯轮次汇聚节点能够接收到的节点信息确认生存节点数，测试数据见图4所示。

仿真实验参数表

图3 传输成功率测试

图4 节点存活测试

通过节点存活数据可以看出，采用直联的方式组网，节点在300轮后呈现直线下降趋势到350轮左右全部死亡，而本文组网方式和PEGASIS算法组网方式的存活时间较长，自第一个节点死亡到全部死亡分别经历了180轮和240轮，可见本文组网方式在节点生存能力上有较大优势。

（三）有效通讯距离

在虚拟测试基础上，为了测试距离对传感器节点数据传输的影响，我们采用点对点通信和正式组网通信两种形式对传输成功率进行测试。点对点通信采用一个传感器节点直接向汇聚节点通信统计其单位时间内丢包率。组网通信采用10个传感器分布在一条直线上并保持相同间距与汇聚节点通信。此实验主要验证传感器节点与汇聚节点的通信功能，所以在实验时排除了路由算法的干扰。实验的间距从30M开始逐渐加大到100M，实验结果见图5所示。

通过数据可以看出无论采用哪种方式50米以内的通信丢包率始终维持在0.5%以下，随着距离的增加，丢包率缓慢提升，到达100米时点对点的丢包率在2%以下，组网的丢包率在3%以下，无线传感器网络通信能力完全能够适应保护区监控的需求。在正式使用时，无线传感器间距应当控制在50米到100米之间，以确保系统的稳定性。

图5 节点距离测试

四、结论

笔者提出了一种基于无线传感器网络的黄河湿地保护区监控系统，为减少对保护区环境的影响，系统采用有线与无线结合的组网方式，在湿地周边布置基于有线的汇聚节点，而在湿地内部布置基于无线的传感器节点，两种节点框架设计均采用CC2360芯片为核心主体框架相同，根据不同需要可以扩展不同的电源模块及外接设备，极大提升了设备的通用性。最后，通过传输成功率，节点生存时间，有效通信距离等方面进行了验证，实验结果表明，系统可靠稳定，能够满足保护区的监控需求。

[1]雷昆,张明祥.中国的湿地资源及其保护建议[J].湿地科学，2005，3(2):81-86.

[2]王英帅，张乐，蒋鹏.基于传感器网络的水环境监测系统[J].杭州电子科技大学学报，2014(5)．

[3]浙江省环境保护科学设计研究院.杭州市西溪湿地保护区总体规划环境影响报告书[R].2004.

[4]蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境数据视频监测系统[J].传感技术学报，2009(2):244-247.

[5]张猛，房俊龙.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报,2013(S1): 171-176.

[6]乔晓军，张馨.无线传感器网络在农业中的应用[J].农业工程学报，2005(S1):232-234.

[7]鲁晓辉.基于扇形区域的无线传感器网络路由算法研究[J].三门峡职业技术学院学报，2014(3)：114-116.

（责任编辑 卞建宁）

TP277.2

A

1671-9123（2015）01-0042-04

2014-12-22

鲁晓辉（1980-），男，河南三门峡人，三门峡职业技术学院信息传媒学院讲师。