基于无线传感器网络的农田环境监测系统路由协议的研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术综合了微电子技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术四种主要技术,为实际应用中的数据信息的采集、处理和传输提供了一种全新的技术手段.无线传感器网络本身具有的环境适应性、自组织性、动态适应性、应用相关性等特点使得该技术可以满足不同领域的应用需求,大到军事领域、空间探测、辐射检测、洪灾预警、农田管理等领域的应用,小到家用电器自动化、病人病情实时监控等应用,都可以通过无线传感器网络技术来实现.
　　 目前我国农业正处于由传统向现代农业转变的关键时期,信息技术的发展和应用为其提供了革命性的推动作用,其中传感技术和智能信息处理是保证正确定量获取农业信息的重要手段,该方法弥补了以往数据监控的缺点.由于农田环境具有监测区域大、实时性要求高、环境恶劣、实验周期长等特点,对传感器节点的能量供应的持久性有较高的要求,一旦一个节点(尤其是关键节点)因能量消耗完毕不能继续工作,会影响整个农田环境监测系统监测的数据真实性。因此,对于农田环境监测系统来说,路由协议选择的关键在于怎样均衡能量开销,延长整个网络的生命周期。
　　 论文在对现有的无线传感器网络路由协议进行分析和比较的基础上,针对农田环境监测系统的实际应用,提出了基于能量均衡的路由算法,主要的研究工作和创新包括以下几个方面:
　　 (1)采用簇首轮换机制。在簇首的选择过程中,不是周期性地进行簇首的轮换,而是要着重考虑簇首节点的剩余能量,选择剩余能量一定的节点来当选簇首节点。簇首轮换机制的设定可以通过在簇建立完成后,在簇内设定一个能量阀值来实现,将当前簇首节点的剩余能量和能量阀值进行比较,如果簇首的剩余能量低于能量阀值,则开始进行簇首节点的重新选择,进行簇首轮换。只有簇内成员节点的剩余能量不低于能量阀值时,该簇内成员节点才有机会当选为簇首。如果簇首节点剩余能量高于能量阀值则不需要进行簇首轮换。
　　 (2)簇内通信采用TDMA方式。簇内传感器节点主要负责实时监测周围环境信息和将监测到的数据信息发送至簇首节点,簇内所有成员节点都将数据发送至簇首节点,而数据信息的传输只能一个接一个进行,不可同时进行数据传输,因此可以建立TDMA时隙表,为每个簇内成员节点分配不同的数据传输时隙,当簇内有数据传输发生时,其他簇成员节点可以关闭自身携带的无线收发器,以节省自身的能量消耗。
　　 (3)簇间通信采用多跳方式。考虑到农田监测区域较大,对于远离基站的簇进行数据传输时消耗能量较大,可能会导致远离基站的簇过早能量耗尽。因此,在簇首节点向基站传输数据之前应先建立簇间数据传输的路由,传输数据时由簇首节点沿着已建好的簇间路由一层一层向外传输,直到到达基站。