面向農業應用的WSNs 路由恢復算法*

杜永文，練云翔，朱曉陽

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州730070)

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)［1］作為計算、通信和傳感器三項技術相結合的產物，具有強大的感知能力、計算能力和通信能力。將先進的科技手段融入到農業生產中，提高農業的生產效率、經濟效益與環境效益，這已經成為了實現農業現代化的必然發展趨勢。利用WSNs 技術進行信息采集與管理［2～4］，是目前農業信息技術研究的熱點。

在農業應用上的WSNs 是一種特定的WSNs，這種特定的WSNs 不同于隨機分布WSNs，它通常部署在可以觸及的區域，在固定位置上人工部署傳感器節點［5］。它采用固定的拓撲結構，這種拓撲結構會形成特定的路由，傳感器節點通過特定的路由把感知的數據收集起來。針對農業應用的特點，本文設計了特定WSNs 的拓撲結構、路由、傳感器節點、控制端和農業灌溉系統的控制策略。為解決因節點故障導致的路由鏈路中斷問題，研究了特定WSNs 的路由恢復算法。這種特定WSNs 的路由恢復算法使用Tiny-OS［6，7］系統的仿真器TOSSIM［8］進行了仿真。對這種路由恢復算法和動態源路由(dynamic source routing，DSR)協議［9，10］的仿真結果表明:這種路由恢復算法可以實現在節點損壞的情況下自動恢復路由，而且與具有同樣路由恢復功能的DSR 協議相比傳輸的包更少，可以有效降低節點能耗。

1 總體設計

基于WSNs 的灌溉系統包括WSNs、控制端和灌溉系統等三個部分組成。WSNs 由傳感器節點、路由節點和匯聚節點組成。

2 WSNs 設計

2.1 傳感器節點設計

如圖1，傳感器節點由CC2530 無線控制器、電池、JWSL—6空氣溫濕度傳感器、GY—2561 光強傳感器、YL—69 土壤濕度傳感器構成。

CC2530 無線控制器內包含性能優良的低功耗8051 微控制器內核、適應2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發器和A/D 轉換器。JWSL—6 空氣溫濕度傳感器用來測量空氣中的溫度和濕度。GY—2561 光強傳感器用來感知光照強度。YL—69 土壤濕度傳感器負責感知土壤濕度，通過模擬信號輸出土壤濕度的精確值。

圖1 傳感器節點設計圖Fig 1 Design diagram of sensor node

2.2 WSNs 的部署和拓撲設計

為了覆蓋整個灌溉區域，并減少重復覆蓋的情況，傳感器節點使用人工放置的方式覆蓋灌溉區域。如圖2，傳感器節點均勻部署在灌溉區域，每4 個感知節點劃分為一簇，簇的中心位置放置路由節點。

圖2 部署和拓撲圖Fig 2 Deployment and topology diagram

2.3 WSNs 的路由設計

由于路由節點的傳輸半徑比路由節點到匯聚節點的距離小得多，所以，必須通過多跳的方式把環境信息傳給匯聚節點。如圖3，路由節點根據設計好的路由把環境信息傳輸給下一個路由節點，這樣傳輸下去直到環境信息到達匯聚節點為止。

圖3 路由設計圖Fig 3 Routing design diagram

2.4 WSNs 的路由恢復算法

2.4.1 路由節點的路由表設計

每個路由節點維護著一個路由表，它記錄了本路由節點所在路由中的上一個路由節點地址、下一個路由節點地址和下下個路由節點的地址。

2.4.2 路由恢復算法的研究

為了解決路由節點損壞后路由中斷的問題，提出了異常節點路由恢復(faulty node routing recovery，FNRR)算法。FNRR 算法運行在每個路由節點中，它可以在一個已建立路由的WSNs 中恢復損壞的路由。在WSNs 部署后，每個路由節點都保存了下一個路由節點的地址。

當路由節點收到上一個路由節點的數據后會保存上一個路由節點的地址，接著會回復上一個路由節點一個回復包，回復包中包含下一個路由節點的地址信息，然后把數據轉發給下一個路由節點。

當路由節點收到周圍傳感器節點采集的數據后，會傳輸數據給下一個路由節點，并等待下一個路由節點返回的回復包。如果收到回復包，就把包內的下下個路由節點的地址保存。如果等待一段時間沒有接收到回復包，就重復發送數據，直到第三次沒有收到回復包時，就把路由表中的下一個路由節點地址位置的內容修改為下下個路由節點地址位置的值，然后清空路由表的下下個路由節點地址位置的內容。

FNRR 算法描述表述如下:

定時發送線程

{ if(此節點是路由節點而不是匯聚節點)

{ if(累計沒有收到回復包的計數＜3)

{ 累計沒有收到回復包的計數加1;

}

else

{ 路由表的下一個節點地址位置存放路由表的下下個節點的地址;

路由表的下下個節點的地址位置清空;

累計沒有收到回復包的計數清零;

}

}

發送包給下一個節點;

}

接收數據線程

{ if(包的類型是發送包)

{ 包的源地址保存在路由表的上一個節點的地址位置中;

向上一個節點發送回復包，回復包包含了下一個節點的地址;

}

else if(包的類型是回復包)

{ 把下下個節點地址保存在路由表的下下個節點地址位置中;

累計沒有收到回復包的計數清零;

}

}

如圖4，當有路由節點損壞時，路由節點上的FNRR 算法會讓路由節點不再與下一個損壞的路由節點傳輸數據，而是與損壞的路由節點的下一個路由節點傳輸數據。

圖4 路由恢復示意圖Fig 4 Diagram of routing recovery

3 控制端設計

3.1 控制端硬件設計

如圖5，控制端由CC2530 無線控制器、S3C2440 處理器、驅動電路、觸摸屏、電源組成?？刂贫说奶幚砥鞑捎萌枪镜腟3C2440 處理器?？刂贫说臒o線數據接收和發送使用CC2530 無線控制器上的RF 收發器實現。觸摸屏采用帶觸摸屏接口的4.3 寸LCD/STN 液晶屏。

圖5 控制端硬件結構圖Fig 5 Hardware structure diagram of controller end

3.2 控制端軟件設計

3.2.1 控制端軟件環境

控制端上安裝內核版本為Linux—2.6.30.4 的嵌入式Linux 系統。在嵌入式Linux 系統中安裝了Qtopia 軟件平臺，可以運行QT 圖形界面程序。使用者可以通過觸摸屏操作軟件，用觸屏的方式進行人機交互。

3.2.2 控制端軟件設計

通過控制端軟件在控制端的觸摸屏上顯示感知區域的環境情況、路由節點的工作情況等?？刂贫塑浖堰@些信息保存在控制端的嵌入式數據庫中?？刂贫塑浖鶕O置好的參數和灌溉策略自動啟動和關閉灌溉系統。

3.2.3 灌溉策略

當控制端發現灌溉區域的土壤濕度低于設定的閾值時開啟灌溉系統。當土壤濕度高于設定的閾值時或當光強度弱、空氣溫度低、空氣濕度高時關閉或不啟動灌溉系統。

4 仿真結果與分析

本論文提出的FNRR 算法為了與DSR 進行對比，對WSNs 的路由節點進行了仿真。仿真采用的是TinyOS 操作系統上的仿真器TOSSIM。TinyOS 是針對WSNs 開發的一套操作系統。TOSSIM 是TinyOS 操作系統上的仿真器，它可以模擬傳感器節點運行nesC 程序。

仿真過程:將FNRR 算法寫入路由節點，分別對4，6，8，10 個路由節點的WSNs 進行仿真。每次仿真都讓一個節點停止通信，然后讓剩余節點通過算法恢復路由。用DSR 協議也在4，6，8，10 個路由節點的WSNs 中進行同樣的仿真，然后在從建立路由到恢復路由的過程中對這兩種算法傳輸的包數量進行統計，如圖6 所示。

圖6 包數量統計圖Fig 6 Statistical graph of packages number

從仿真結果中可以看出:在WSNs 中使用FNRR 算法可以在路由節點損壞時讓其他路由節點產生新的路由繼續傳輸數據，保持WSNs 的正常工作，并且FNRR 算法在通信使用的包數量上比DSR 算法更少，這樣節省了通信消耗的能量。

5 結束語

針對農業應用的特點，本文設計了特定WSNs 的拓撲結構、路由、傳感器節點、控制端和農業灌溉系統的控制策略。提出了一種特定WSNs 的路由恢復算法，并對這種路由恢復算法進行了仿真和分析。仿真結果表明:這種路由恢復算法傳輸的包數量比動態源路由協議更少，可以有效降低節點的能耗。

［1］ Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.Wireless sensor networks:A survey［J］.Computer Networks，2002，38(4):393－422.

［2］ 王士明，俞阿龍，楊維衛.基于Zig Bee 的大水域水質環境監測系統設計［J］.傳感器與微系統，2014，33(11):102－105.

［3］ 李加念，倪慧娜.基于無線傳感器網絡的小粒種咖啡園滴灌自動控制系統［J］.傳感器與微系統，2014，33(10):43－46.

［4］ 肖克輝.基于無線傳感器網絡的精細農業智能節水灌溉系統［J］.農業工程學報，2010，26(11):170－175.

［5］ 朱性偉，王子榮.多深度土壤溫度無線傳感器網絡節點設計［J］.傳感器與微系統，2014，33(10):73－79.

［6］ 劉 營，于宏毅.基于TinyOS 的無線傳感器網絡應用程序開發技術［J］.傳感器與微系統，2007，26(3):93－96.

［7］ 夏靜清，張 榮.P—TOSSIM:一個基于TinyOS 傳感器網絡的任務調度仿真程序［J］.計算機應用，2005，25(12):2968－2970.

［8］ 孫發軍，吳 昊.一個基于TOSSIM 的異構傳感器網絡仿真方案［J］.計算機仿真，2007，24(10):126－129.

［9］ 莊春梅，王利利，陸建德.DSR 協議的路由緩存策略［J］.計算機工程，2010，36(2):100－101.

［10］黃 偉，李臘元，孫 強.MANET 路由協議DSR 的OPNET 實現及仿真［J］.武漢理工大學學報，2005，29(2):182－185.