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摘 要： 摘要:在進(jìn)行農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性需要引入時(shí)間同步技術(shù)。為此，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)具有高效率且節(jié)省資源的要求，給出了一種基于分簇的改進(jìn)路由算法，使用時(shí)間同步有效性檢查階段的時(shí)間戳，在只發(fā)送一個(gè)小數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)
摘要:在進(jìn)行農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性需要引入時(shí)間同步技術(shù)。為此，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)具有高效率且節(jié)省資源的要求，給出了一種基于分簇的改進(jìn)路由算法，使用時(shí)間同步有效性檢查階段的時(shí)間戳，在只發(fā)送一個(gè)小數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)同步功能，從而有效降低了能源消耗，提高了同步通信的效率。為了驗(yàn)證方案的可行性，采用NS2仿真軟件和實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)同步通信能力進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明:采用改進(jìn)后的路由算法可以有效提高同步通信的效率，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了方案的可行性和可靠性。
關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);分簇算法;農(nóng)機(jī)監(jiān)控;同步通信;NS2仿真
0引言
時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，為大多數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用所必需。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、多跳性、動(dòng)態(tài)拓?fù)湫院唾Y源受限性等特點(diǎn)，且因受節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算能力、通信帶寬及存儲(chǔ)容量的限制，使得設(shè)計(jì)能滿足不同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的時(shí)間同步技術(shù)十分重要。本研究擬將分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)引入到農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，通過(guò)路由算法的優(yōu)化，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同步通信能力，從而實(shí)時(shí)地對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)情況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以提高農(nóng)機(jī)的智能化和自動(dòng)化水平。
1基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要在農(nóng)機(jī)上安裝較多的設(shè)備，這些設(shè)備可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接。現(xiàn)場(chǎng)總線CAN通信效率高，速度快，操作簡(jiǎn)單，是一種具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。在遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)時(shí)，可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以CAN總線的形式進(jìn)行傳輸，然后再通過(guò)無(wú)線傳送設(shè)備傳送到遠(yuǎn)程客戶端，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)車運(yùn)行信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)機(jī)車精準(zhǔn)作業(yè)提供了依據(jù)。
由于田間機(jī)車的設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，還要考慮到實(shí)時(shí)性、操作的難易程度，為提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率，采用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的方式。在進(jìn)行遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)時(shí)，利用GPRS發(fā)布打開攝像頭命令后，設(shè)備開始打開攝像頭并且獲取攝像頭設(shè)備信息和緩沖區(qū)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理后，關(guān)閉攝像頭設(shè)備，如圖1所示。
農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)，首先利用各種傳感器對(duì)環(huán)境和溫度等信息進(jìn)行采集，也可將實(shí)時(shí)作業(yè)情況信息傳送到大屏幕上，使農(nóng)機(jī)運(yùn)行信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)跟蹤及傳輸數(shù)據(jù)等，達(dá)到多農(nóng)機(jī)協(xié)同一體化管理的目的。
2基于分簇結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其路由算法
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種適應(yīng)性比較強(qiáng)的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)成自組織的形式網(wǎng)絡(luò)，可以采集、處理和傳達(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的各種數(shù)據(jù)信息，最后將有用的關(guān)鍵信息發(fā)送給觀察者，框架如圖2所示。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)融合了當(dāng)前各種先進(jìn)的技術(shù)，包括現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化系統(tǒng)等，將邏輯信息和客觀物體融合在一起，被廣泛地應(yīng)用在環(huán)境的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域。
這種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是常用的一種類型，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。其中，普通節(jié)點(diǎn)的通信都是以參考節(jié)點(diǎn)開始的，通過(guò)和參考節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)確定通信的層次，但其同步性較差，不利于信息的實(shí)時(shí)傳遞。
基于分簇算法的節(jié)點(diǎn)分布示意圖如圖4所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)被分為很多簇，并劃分了簇首和簇節(jié)點(diǎn)，簇首和參考節(jié)點(diǎn)可以增大網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送功率，使其通信范圍增大、網(wǎng)絡(luò)總的跳數(shù)減少。同傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相比較，距參考節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，其跳數(shù)也有所降低，從而降低了通信過(guò)程的同步誤差，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性。
假設(shè)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為x和y，實(shí)時(shí)時(shí)間為t，傳感器節(jié)點(diǎn)x內(nèi)部振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)間為Cx(t)，可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)x來(lái)推算節(jié)點(diǎn)y的時(shí)間，從而達(dá)到同步通信的目的
實(shí)現(xiàn)同步通信后，可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)作業(yè)的農(nóng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將作業(yè)情況實(shí)時(shí)反饋給農(nóng)機(jī)管理人員，以便管理者實(shí)現(xiàn)多臺(tái)的協(xié)同管理，從而有效地提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率。
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3基于分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試
當(dāng)前隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，多種機(jī)型的無(wú)人駕駛設(shè)備被投放到農(nóng)業(yè)作業(yè)中使用。在無(wú)人駕駛作業(yè)條件下，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常重要的，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作效率和工作質(zhì)量的好壞主要取決于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信能力。基于分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)具有較高的無(wú)線通信能力，其通信的同步性好可以滿足實(shí)時(shí)通信的需求。無(wú)人駕駛作業(yè)機(jī)械作業(yè)情況如圖5所示。
無(wú)人駕駛作業(yè)一般應(yīng)用在地勢(shì)平坦、作業(yè)面積較大的區(qū)域，采用該種作業(yè)方式可以有效地提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的智能化和自動(dòng)化水平，降低人力成本投入，提高作業(yè)效率。由于在作業(yè)過(guò)程中處于無(wú)人駕駛狀態(tài)，可以采用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的方式對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以提高其作業(yè)質(zhì)量。本文主要對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先采用NS2仿真的方法對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通信進(jìn)行驗(yàn)證，以得到實(shí)時(shí)通信能力較強(qiáng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。
采用NS2對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真的配置項(xiàng)目主要包括網(wǎng)絡(luò)通信范圍、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信半徑、同步傳輸信息包大小、信號(hào)發(fā)射功率和Datarate等，配置參數(shù)如表1所示。其布置好的節(jié)點(diǎn)示意圖如圖6所示。
本次對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要測(cè)試項(xiàng)目是同步通信能力，主要通過(guò)相同節(jié)點(diǎn)數(shù)需要的同步時(shí)間來(lái)測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如圖7所示。
圖7中，1表示未采用分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)時(shí)的同步時(shí)間，2表示采用了分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)時(shí)的同步時(shí)間。計(jì)算結(jié)果表明:采用分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)后所需同步時(shí)間明顯比沒(méi)有采用的短，從而提高了無(wú)線通信的效率。
為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，在農(nóng)田里布置了傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其通信進(jìn)行了初步的測(cè)試，如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明:仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度較高，從而驗(yàn)證了方案的可行性。
4結(jié)論
為了提高農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同步通信能力、實(shí)現(xiàn)多農(nóng)機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)，在農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法中引入了分簇算法，提高了同步通信效率，實(shí)現(xiàn)了多農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。為了驗(yàn)證方案的可行性，首先搭建了100m×100m覆蓋范圍的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并利用NS2仿真軟件和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)路由算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明:采用分簇算法后，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的同步通信能力有了明顯的提高，為農(nóng)機(jī)無(wú)人化作業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)保障。
