节能型无线传感器网络用于林业环境监测中的可行性分析

王帅宇　牛小民　李明辉　张崇军　陈存广

摘要：随着我国社会主义现代化建设的不断发展，我国的无线传感器网络技术实现了前所未有的发展，其在林业环境监测中得到了广泛地应用。本文将基于系统架构、传感器采样以及系统休眠等角度对环境数据采集系统进行深入分析，探究了节能型无线传感器网络在林业环境监测中的应用价值，为我国林业环境监测工作提供一个参考与借鉴。

关键词：节能型；无线传感器网络；林业环境监测；应用价值

中图分类号： TP 393？文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）05（a）-0000-00

近年来，无线传感器以其监测范围广、自动数据采集等优越性在林业环境监测中得到了有效的应用。通常，无线传感器主要是采用干电池进行供电，工作时间受到限制，而受森林环境的影响，频繁更换电池不切实际，因此，如何能够使无线传感器网络实现节能化成为环境监测领域研究的一个重点[i]。

1.节能型无线传感器网络系统架构

无线传感器网络一般由一个网关以及多个传感器子节点组成，而一个子节点硬件又包含了传感器、通信模块以及控制器三个部分。网关能够对各个节点的信息如土壤湿度、光照强度等进行收集，并能够对数据做出有效的处理、传送到数据库。通常，林业环境多处于偏僻区域，电源不容易到达，因此采用直流电源实施供电，仅节点采用干电池供电，网关则采用太阳能供电，其能够延长系统的使用周期，当电量过低时，其会发出警报提示更换电源。一般情况下，林业的环境监测主要包括光照、土壤、降雨量以及二氧化碳浓度等多个方面，这些数据往往是呈现动态变化的，同时又是不可预知的，这些都会加大系统采样的难度，因此，必须实施休眠变周期采样，一般在相邻边界处设多个采样点，其能够最大化对环境信息进行捕捉，尤其是对于短暂的、大幅度的环境参数波动具有较高的敏感度[ii]。另外，为了降低该系统的工作负担，延长使用期限，这些节点可以不参与网络路由、接受无线信号，直接与基站进行联系，基站能够根据收到的数据对林业环境进行判断，若有特殊情况，其会发出采样命令，节点接受命令后将会退出休眠状态。通常，无线传感器网络的能耗多是由数据采集、处理以及数据无线收发等造成的，其中尤以数据无线收发能耗最为突出，因此可实施变周期采样的方式，其不仅能够起到节能的效果，而且能够确保突发事件信息的完善收集，当然在这个过程中也存在着参考采样点选择的问题，需进一步进行研究。

2.系统硬件组成

2.1ZigBee传感器节点硬件组成

通常，WSN节点多采用的是微型嵌入式系统，其作为WSN硬件基础平台，能够对目标进行有效的监测，其在森林环境监测的传感器节点应用中对成本给予了高度关注，具有低功耗、安全性高的优越性。ZigBee传感器节点主要由传感器、处理器、无线通信以及电源供应等模块等成，具体见图1。为了提升系统硬件的节能性、稳定性，可采用8位ATmega128L微控制器，该控制器较传统的8位控制器能量消耗更低、资源更加丰富，且包括内外多种中断模式，片中包含了128KB程序存储器Flash、4KB静态数据存储器以及4KB的E2PROM。

2.2ZigBee协调器节点硬件组成

ZigBee传感器节点在整个森林环境监测系统中发挥着不可替代的作用，其能够对无线传感网络进行协调，因此对协调器节点的控制器要求较高。传统的单片机在森林监测系统中尽管能够起到一定的控制作用，然而性能却不够强大，在工作的过程中容易出现效率低、耗能高的特点。而ARM不仅能耗能低、性能高，而且能够在一定程度上降低成本，成为目前单片机的首选。本次研究采用的是ARM9处理器，其运行速度较快，具有较大的存储空间，能够实现与以太网的互联。STR12FW44X6芯片为整个系统的核心。

3.自适应动态路由的设计

3.1自适应动态路由特点

通常，无线传感器网络主要采用网络分簇以及树形网络两种模式，这两种分层模式能够实现对整个网络的有效分簇，且能够在一定程度上保障分簇的鲁棒性。然而从算法来说，其计算较为复杂，收敛速度有待提升，且大部分网络路由在设计中未体现休眠原则。自适应动态路由不仅能够满足休眠需求，而且能够降低能耗，然而其也存在信息包丢失的可能性，仅适用于网络规模较小状态下的计算，若网路规模较大，设置多数目节点日内以造成数据丢失，使实时监控丧失了本身的意义与价值。本次研究中提出了动态分簇的算法，其一方面考虑到了节点的实际需求，另一方面也体现了节点的能量原则。另外，为了降低网络动态路由造成的能耗，此类环境监测一般将最重要的指标作为考虑对象，对于无关紧要的指标进行忽略，其能够达到节能的目的。在数据传输阶段中，自适应动态路由能够摆脱系统休眠限制，进行数据的有效的传输，一般由簇成员直接传递簇头，收集整理后实现对数据的融合，然后再将信息传递到中央节点。自适应动态路由系统与休眠系统相结合，再加上分簇算法的引入，能够在一定程度上降低自主成簇的概率，提升分簇效率[iii]。在簇内实现通讯，其距离明显小于节点与网关之间的距离，且无需通过节点进行数据传输，能够降低无线通信数据传输量，使传输过程中所造成的能量损耗大大降低，增强数据之间的融合效率，整个系统节能效应体现的尤为明显。

3.2实证研究

为了研究节能型无线传感器网络在林业环境监测中的节能效果，选取了林业场地作为试验地，并将未使用节能方法的常规网络监测作为对照，对这两者的实际节点寿命进行比较[iv]。两种监测方式均采用同一型号干电池实施供电。可以发现，采用节能型无线传感器网络的节点电池寿命较长，几乎可以达到3个月左右，而未采用节能方法的节点寿命仅为20d左右，两者呈现出明显的差异。这说明，在采用了节能型无线传感器网络后，系统的能耗能够得到大幅度降低，在一定程度上延长电池的使用寿命，具有较高的应用价值。另外，在1.5km半径区域内布置多个传感器节点，并对其进行现场实时监测，所采集的数据由各监测点汇入控制中心，实验检测数据如表1所示，共呈现了5个监测点每2h的汇总记录，并对湿度、温度、厌恶指数、光照度、土壤水分以及土质酸碱度等指标进行统计，可以发现该地区的环境基本处于稳定状态。

结束语

通过本次研究可以发现，采用自适应采样方法能够在一定程度上促进网络节能，且对突发事件具有较高的敏感性，而动态路由算法能够在实现休眠的同时使分簇效率得到提升，其在无线传感器网络中的融入能够实现节能降耗的目的，使系统的生命周期得到延长，具有一定的可行性与稳定性，其在林业环境监测中有着较高的应用价值，值得参考借鉴。

参考文献

[1]蒋小川. 节能型无线传感器网络在森林环境监测中的应用[J]. 南京林业大学学报：自然科学版， 2014， 38（4）：14-18.

[2]张晓武， 齐建东， 黄心渊. 无线传感网在森林微气象监测中的应用研究[J]. 北京林业大学学报， 2014， 36（1）：83-87.

[3]李文彬， 庞帅， 阚江明. 森林监测无线传感器网络自供电技术研究进展[J]. 森林工程， 2015， 31（5）：56-61.