绿色农业物联网仿真平台设计及其能耗分析

朱娅，徐阳，周小林，郑立荣

绿色农业物联网仿真平台设计及其能耗分析

朱娅，徐阳，周小林，郑立荣

探讨绿色农业物联网的设计问题。鉴于大规模农业物联网具有涉及区域广，传感器数量多和能源供应困难等问题，低能耗物联网的设计便提上的议事日程，绿色物联网设计就要求降低能耗。对绿色物联网设计提出一种新的拓朴结构，网络具有传感器层和广域网接入层两层结构，融合了GPRS和WLAN网络协议，能够实现农业场景的大范围网络覆盖，并利用主从式传感器实现到基站的数据传输。利用OMNeT++软件，建立一个仿真平台来实现这种设计，并利用该仿真平台进行了网络通信能耗的分析，结果证明了与单层网络相比，两层结构降低了能耗。这个设计为为构建实用绿色农业物联网奠定了一定基础。

农业物联网；绿色通信；分层网络；通信能耗；OMNeT++软件

章编号：1007-757X(2016)09-0067-04

0 引言

在“互联网+”经济发展模式的号召下，农业物联网得到了广泛的重视。农业物联网具有设计区域广，传感器多，而能源供应相对不足的现象，因此降低网络中的通信能耗成为农业物联网研究的热点之一。

近年来，绿色通信的概念已经逐渐成为学术界的研究热点之一。绿色通信是指高效率、低功耗、可回收的通信方式，其具体含义即是在通信网络的全生命周期内，遵循减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）的3个原则[1]。随着现代信息化通信在各类行业产业和应用领域的逐步深入，绿色通信概念收到越来越多学者的重视。

绿色通信在农业物联网应用上有着特别重要意义。物联网(Internet of Things)能够将任何物品接入到互联网中，进行信息交换。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是物联网的基础。对于无线传感器网络来说，能源供应是急需解决的首要问题之一。不同于普通物联网场景，农业物联网场景需要在户外或较恶劣环境下使用大量传感器设备来感知周边环境的信息。这些传感器设备部署完成以后，就长期处于消耗能源的工作状态，由于电网不可能实现大面积农场的覆盖，因此能源多靠电池（含太阳能）实现，设备的维护和更替都很难进行。因此，为了尽可能延长整个物联网网络的生存周期，并减少通信过程中的能源消耗和碳排放，是一个人们的话题，全球研究者针对节约能耗问题进行了诸多研究。

我国现已成为全世界能源消耗第一大国，温室气体的大量排放，能源危机和气候变暖都使得中国面临节能减排的压力。在电子和通信领域，无论是生产制造还是通信运营过程中，对能源的需求都非常大。针对大规模绿色农业物联网地理范围广，传感器数量多，要求能量消耗低的特点的要求，本文提出一种分层式网络结构，并使用OMNeT++仿真软件搭建物联网仿真平台。通过网络性能的仿真测试，结合能耗模型分析和研究网络在通信过程中的能源消耗情况，从而帮助实现绿色物联网的提前部署和规划，并验证分层网络在节能方面的效果。

1 能耗建模

在传感器节点中，传感器模块、数据处理模块和无线通信模块都会消耗能量，其中，绝大多数的能量都消耗在无线通信过程中[2,3]。为了对农业物联网平台中的通信能耗进行估计，本节考虑合适的能耗模型。

现有的研究中，按照用途将能耗模型分为3种：分析模型、仿真模型、应用模型[4]。其中分析模型是根据物理机理的，但是参数是根据参数的测量的，准确性不高，但能够帮助理解能耗问题。仿真模型是基于仿真结果的，其中有两个困难，首先是仿真模型与实际模型的匹配度，其次是需要大量的数据，但是一旦仿真模型比较准确的话，在应用实践上的意义比较大。应用模型是根据一个具体对象建立的。这种模型针对性强，常利用软件方法、硬件方法和混合方法建立模型，本文下面对能耗建立的模型就是应用型模型。本文借助OMNeT++仿真程序搭建了应用于农业物联网场景的主从式异构物联网模型，因而将主要使用软件方法对能耗进行估算，实现对网络能耗的定性分析。

无线传感器网络中的设备主要有4种工作状态，分别为接收、发送、空闲和睡眠，每种状态下的单位时间能耗都不同的。在网络设备的物理层中，记射频模块发送数据的平均功率为Psnd，平均接收功率为Prcv，空闲功率为Pidl，睡眠功率为Pslp。这些参数在实际场景中可以根据厂家提供的设备物理特征参数来获得。

在每个过程中，单个bit用时分别为tsnd、trcv、tidl、tslp表示其在通信过程中的发送时间、接收时间、空闲时间和睡眠时间。总发送bit数为N，N可以从程序中直接获取到。那么，对于射频模块的发送能耗Esnd，接收能耗Ercv，空闲能耗Eidl和睡眠能耗Eslp，则有如下关系如式（1）：

传感器的总通信能耗，可以认为是这四种状态的能耗相加，通信总能耗Ecmc可以表达为式（2）：

对于设备节点的计算能耗，文献中将其分为了设备初始化能耗Eini、设备串口读写操作的能耗Erw和发送接收的通信计算能耗Ecom。一般来说设备在经过初始化过程后，在很长一段时间都续航运行，而不会频繁重启，因此3种能耗中，初始化能耗远小于读写能耗和收发能耗。所以一般可以将初始化能耗忽略处理，设备总计算能耗Ecpt为这几种能耗之和，表达为式（3）：

本文中对于通信总能量Ecom的计算方法不同于文献中Ecmc的计算方法，而两者在概念上是一致的。文中所优化的能耗是通信总能量 Ecom，未对设备串口读写操作能耗Erw进行优化。

这里需要引入“原子计算”的概念[5]，它是由一组计算组成的过程，其计算过程具有完整性和独立性，即要么全部执行，要么全部不执行。原子计算是伴随着帧进行的，无论是帧发送前、接收后、写入前、读取后，都会进行一次原子计算。因此一般来说一个完整通信过程，包含一次串口读写和一次发送接收，其过程中共有4次原子计算。假设原子计算的平均功率为Patm，一次计算所需的平均用时是Tatm，则有式（4）：

其中，Mread和Mwrt表示过程中设备串口读出和写入的帧数，Msnd和Mrcv表示设备发送和接收的帧数。由于计算能耗随帧进行，因此这里的帧数M和上文中的bit数N不同，需要区别定义。

综上，设备总计算能耗为式（5）：

在实际农业应用场景中，传感器节点在网络中还会进行周期性地采集环境数据，因此其采样能耗也是系统能耗中的一部分。但由于本文搭建的仿真平台在程序上通过传感器节点周期性生成数据，来模拟传感器的采样，因此本文中估计能耗时将忽略传感器的采样能耗。

2 系统架构和模块实现

一般意义上的物联网的拓朴为7层，呈串接状态，分别为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，其中，应用层负责与其他计算机进行通信；表示层用于定义数据格式并对其进行加密；会话层定义了会话建立和结束的过程，同时也包括对于多个双向消息的控制；传输层负责选择是否使用差错恢复协议；网络层定义了端到端数据包的传输；数据链路层定义了单个链路上传输数据的方法；而物理层则是规范了传输介质的标准。

鉴于农业物联网覆盖面积广袤，本文采用[6]提出的一种双层网络结构，如图1所示：

图1 主从式异构物联网架构模型

网络具有二维结构。根据设备的作用，纵向将网络分成传感器网络层和广域网接入层。传感器网络的作用是实现物联网的基础应用，广域网接入层则是提供了数据从节点发送到服务器的通道。我们称这种结构为主从结构。下层的传感器网络相互可以通讯，然后集中数据信息才传送到上层——广域网接入层，这一层又根据功能分为传输层和综合应用层，综合应用层对数据信息进行分析，给出决策。这种分层能够有效的将大量的传感器节点按照地理位置分割成不同的子网。

另一个维度是对根据应用场景的实际需求，对7层网络协议进行了简化，将网络协议整合为4层，横向分别是应用层、协议转换层、链路层和物理层。其中链路层还包括了逻辑链路控制子层和媒体接入控制子层。而在程序实现中，链路层和物理层合并到一个模块中，作为两个子模块来定义。图1显示了本文中2层物联网结构和4层网络体系结构的关系。

根据这个网络结构，作者开发了一个仿真平台。在这个仿真平台中，2层物联网结构中的传感器层对应传感器，广域网接入层对应主节点和基站服务器，如图2所示：

图2 传感器节点、主节点、基站程序框图

物联网网络结构的底层是传感器，程序框图如图2（a）所示。传感器应用层用于周期性产生数据，模拟传感器采集数据的过程。协议转换层将数据转换为能够传输的格式，并通过WLAN模块传输到主节点。

主节点在双层网络中起到关键作用，它既在传感器网络接收来自众多传感器节点的数据，又作为网关将数据接入到广域网服务器中。程序实现中，本文还加入了消息分拣器模块，以实现使用不同的网络协议来进行数据转发。主节点的程序框图如图2（b）所示。

对于使用不同网络协议的基站也进行了分别定义，如图2（c）所示。程序中的每个设备都包含移动管理模块和通知板模块。其中移动管理模块的作用是更新各个设备节点的坐标位置信息，并作为一个独立设备的标识。通知板模块的作用相当于一个事件提示器，当网络发生某些特定事件时，该模块将激活与其相关的模块。

本文在程序中使用信道管理模块来实现上述模块的通信。信道管理模块计算出网络中有效的发送和接收节点，所有设备发出的消息都交给该模块进行统一处理，其单独占用的链路由一个连接来表示，以此实现数据消息在无线信道中的传播。

3 仿真分析

用 OMNeT++ 搭建农业物联网仿真平台，根据应用场景设定参数进行仿真，分析网络能耗情况。同时，通过比较本文提出的分层网络结构和单层传感器网络的能量消耗情况来验证双层网络结构的节能意义。

应用场景设定为长300米，宽100米的农业大田环境，在场景中，基站位置是已经给定的，而主节点、传感器节点位置随机分布在场地中，以模拟实际农业场景中的分布情况。场景参数配置如表1所示：

表1 场景参数配置

当场景中有不同数量的传感器节点时，单帧报文在通信过程中所消耗的能量。这里共使用了4条数据信道，每个传感器产生报文长度为2k的数据来模拟采集到的信息。图3中“△”符号标注的为包含不同数量传感器节点的单层物联网的能耗曲线，而“o”标注的则为本文所用的双层网络结构。

当同一个场景中，传感器数量不断增加时，两种网络单帧信息通信时的能量消耗都在不断增加。对比两条曲线可以看到，双层网络在能源消耗方面优于单层网络，平均每帧数据都能够节省约10%的能量。

图3 单帧报文能耗与节点数量关系

分层网络和单层网络中，单帧报文能量消耗和报文长度的关系如图4所示：

图4 单帧报文能耗与报文长度关系

3条实线代表不同信道数量的单层传感器网络的能耗曲线；3条虚线则代表本文搭建的分层网络的能耗曲线。图中，网络中能够使用的信道数量越多，其平均消耗的能耗就相对较低，这是因为通信能耗与传输时间有很大关系。

单bit数据的能耗曲线，如图5所示：

图5 单bit数据能耗与报文长度关系

由于网络中一些固定的能耗，当报文长度在较短范围内增加时，每bit分摊的能耗较小。当报文长度大于16k时，其单bit的通信能耗增加。同时在分层网络中，当信道数量比较多时，即使后期报文长度增加，其单bit传输的能耗也趋于平稳。

在信道数量相同的情况下，从图5中可以看到，分层网络的能量消耗明显小于单层传感器网络，说明这样的网络结构对于节能减排有着一定的作用和意义。

同时，在搭建大规模农业物联网的部署阶段，参考仿真平台得到的能耗变化与场景中节点数量和报文长度的关系曲线，还能够提前根据场景需求进行网络节点的规划，以减少网络中的设备和能量的浪费。

4 总结

针对绿色农业物联网场景的特别和需求，本文借助OMNeT++网络仿真程序，提出并搭建了一种基于主从式传感器网络的农业物联网拓扑，融入分层网络设计技术，并建立了仿真平台。结合现有的能耗建模方法和农业场景的实际情况，本文对物联网仿真平台的仿真结果进行研究，重点对网络的通信能耗进行计算和分析。分析结果显示，本文所提出的农业物联网仿真平台不仅帮助了农业物联网在绿色通信层面的提前规划部署，而且与作为对照组所搭建的相同传感器数量和相同网络条件的单层网络做比较，验证了分层网络结构在通信过程中能耗较低的特点，解决了搭建以节能减排为核心的绿色农业物联网时的设计问题。

[1] Han Tao, Ansari N. Green-energy Aware and Latency Aware user associations in heterogeneous cellular networks[C]. Global Communications Conference. Atlanta: IEEE, 2013: 4946-4951.

[2] Hou Ying, Laurenson D I. Energy Efficiency of High QoS Heterogeneous Wireless Communication Network[C]. Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2010-Fall), 2010 IEEE 72nd. Ottawa: IEEE, 2010:1-5.

[3] Yang Tingting, Zheng Zhongming, Liang Hao, et al. Green Energy and Content-Aware Data Transmissions in Maritime Wireless Communication Networks[J]. Intelligent Transportation Systems IEEE Transactions on, 2015, 16(2): 751-762.

[4] Yu Liang, Jiang Tao, Cao Yang, et al. Carbon-Aware Energy Cost Minimization for Distributed Internet Data Centers in Smart Microgrids[J]. Internet of Things Journal IEEE, 2014, 1(3): 255-264.

[5] 李晓鸿, 王文艳, 王东. 一种最大化Ad Hoc网络生存期的拓扑控制算法[J]. 计算机研究与发展, 2013, 50(3): 461-471.

[6] 徐阳, 张永刚, 周小林, 等. 基于OMNet++的主从式异构物联网仿真平台的研究[J]. 微型电脑应用, 2014, 10: 4-7.

图8 系统实施

3 总结

本文设计了一种用于电力变电站直流系统或通信基站直流系统的在线管理系统。系统的核心为安装在直流系统的蓄电池组在线健康管理装置，配合后台管理平台及移动互联网应用，可实现直流系统的健康状态评估，完成蓄电池的远程在线式充放电。由于采用在线工作方式，可有效避免离线充放电由于接线、人员监管、放电负载等原因造成的设备损坏和意外事故，并可大大降低直流系统维护的工作量和人员成本，提高资产使用寿命。系统在变电站内的安装应用，进一步验证了本文对系统设备及管理平台的研究结果。

参考文献

[1] 徐凯.蓄电池在线监测技术在变电站的运用研究[J].军民两用技术与产品, 2015(12):39-42.

[2] 包蕊.变电站蓄电池在线监测方案[J].东北电力技术, 2015,36(3):65-71.

[3] 张河宜，夏业波，刘刚,等.变电站阀控铅酸蓄电池在线监测[J].电源世界, 2014(9):38-41.

[4] 周华东, 张东泽, 龚辉, 等.变电站蓄电池充放电过程分析与建模[J].电源技术, 2015,39(3):67-70.

[5] 潘峰. 基于Java ME平台手机界面开发的研究[D].北京:北京邮电大学, 2011.

（收稿日期：2016.04.26）

Design of Simulation Platform for Green Agricultural IoT and Its Energy Analysis

Zhu Ya, Xu Yang, Zhou Xiaolin, Zheng Lirong
(School of Information, Fudan University, Shanghai 200433, China)

This paper deals with the problem of design of green agricultural Internet of Things IoT. The large-scale agricultural IoT holds the features of wide area, a great amount of sensors and lack of power support. The key point of green agricultural IoT is to reduce the power consumption. This paper presents a new topological structure for the green agricultural IoT which has two layers, of sensor layer and LAN access layer, combines GPRS and WLAN network protocols to realize a wide coverage, and applies master-slave structure to transmit data from sensor to base station. Based on OMNeT++ a simulation platform is built to illustrate the validation of the design. By analysis of simulation result, the two-layer network decreases the power consumption, and provides a foundation for the establish of real green agricultural IoT.

Agricultural Internet of Things; Green Communication; Hierarchy Network; Master-slave Sensor Network; Communication Energy Consumption; OMNeT++

TN 92

A

2016.06.13）

国家科技支撑计划项目（2015BAD17B00）； 国家自然科学基金项目（61571135）

朱 娅（1991-），女，复旦大学，硕士研究生，研究方向：物联网，无线通信等，上海 200433徐 阳（1990-），女，复旦大学，硕士研究生，研究方向：物联网，无线定位等，上海 200433周小林（1973-），男，复旦大学，副教授，博士，研究方向：物联网，FSO，迭代接收机等，上海 200433郑立荣（1969-），男，复旦大学，教授，博士，研究方向：电子系统设计，上海 200433