精准农业：基于LEACH和DSDV的WSN应用

摘要：近年来，无线传感器网络技术受到越来越多的关注。WSN技术在结构健康监测、交通管控、卫生保健、管道监测等日常生活领域的应用越来越广泛。本文以精准农业为研究对象，利用WSN实时获取气候和其他环境特性，例如湿度和温度或杂草、宠物的实时数据。针对无线传感器网络面临的能效和数据量大的问题，我们采用LEACH协议（无争用）来设计实验。[1]

关键词：精准农业;无线传感器网络;PH传感器;LEACH; DSDV路由

引言

对于农业而言，有许多因素会影响某一地区的产量，例如湿度、温度、土壤类型、营养成分等。 农民希望通过从基点获取准确的数据来实现农田管理的精确度。对于较大的区域来说，准确的信息意味着从各个点转换而来的原始数据必须是丰富的。只有初始数据足够充分、误差足够充分，才能从计算中得出一般原理。但是对于WSN网络传输，最严峻的挑战是如何有效地传输必要信息以延长节点的寿命。相应的挑战包括低速、低存储容量、I/O组件的缺失等。对于精密农业，无线传感器网络技术的要求是以较低的能耗收集大量的数据。

一、系统概述

1994年[2]，Blackmore等人将精准农业定义为一个综合的系统，旨在维持环境质量的同时，通过精心调整土壤和管理作物来适应不同场合下的独特条件，从而优化农业的生产。2004年，Beckwith等人部署了一个无线传感器网络来监测和记录葡萄园的温度变化。[3]他们将65个节点以10到20米的间距呈网格状进行部署，覆盖了约2英亩。根据他的报告，这个葡萄园中在短短的100米内，就有温度的变化超过35%的HSUs。与此同时，在2005年，Baggio在荷兰的LofarAgro也部署了一个无线传感器网络。[4]150个无线传感器节点负责温度和湿度传感器，其他30个节点用来保证网络的连接。此外，数据每隔10分钟传送到BS（基站）进行数据汇总。

精准农业需要大量丰富的数据来分析土壤的温度、湿度和其他某些属性，或者需要做一些相关的计算来得到特定区域的规律。农业通常占据着广阔的区域，对于资源分配和其他方面，例如PH值，微量元素的成分和日照强度来说，农民认为大型农场通常是相同的。

在这个实验中，分散在农田中的传感器用来监测土壤的PH值，根据这个值，农民可以方便地采取相应的措施，来获得大的丰收，比如施肥或种植适当的农作物。节点被分成许多集群，每个集群都有一个集群头，这个集群头可以在向基站传输数据前对一些原始数据进行预处理，节约了功耗，并降低了网络的延迟。通过使用无线传感器网络，在这整个区域中部署了大量的节点，无需人为参与就可以高效的获取数据，而这都是通过无线传感器网络自动完成的。实验区域假设20x20米左右，在这个区域中均匀的分布着100个节点，另外30个节点用来确保整个网络中的总能量都能被每个节点所获取。（图1）由于农业的数据传输量确实大，并且数据吞吐量也大，为了减小冲突存在的可能性，我们选择了无争用协议（LEACH）来避免发生冲突的可能性。

二、 Mac層（无争用---LEACH）

我们选择LEACH协议来实现mac层的传输。对于无线传感器网络，Leach结合了TDMA（无争用协议）和集群算法的概念。它适用于在较大的区域中的大量节点，由于它有集群这样能将整个节点分成不同集群的概念，使得它们有自己的负责来汇总数据的集群头，减少了传送到基站的信息量。（图2）

LEACH能被分成两个阶段，分别为独立负责各自职责的建立阶段和稳态阶段。在建立阶段，有两个主要的目的需要完成，第一个是确定集群头，第二个是建立它们各自的调度表。最后一个是对于不是集群头的每个节点，它们需要选择它们自己的集群。另一方面，对于名为稳态的状态，它是集群节点、集群头和汇总的主要传输部分。无论节点在什么集群里，只有一个集群头能够进行通信，并且对于集群头来说，它可以促进数据汇总和网络处理，减少需要传送到基站的数据量。

（一）建立阶段

（1）节点将会自主决定它是不是集群头。并且通过非持久性CSMA协议广播一个ADV消息。

根据左侧电能可用，每个节点都有成为集群头的可能性。对于每个节点，能成为集群头的可能性可以通过如下的方程进行计算：P（i） = min{E（i）/E（total）， 1}（对于确定的时间t）。但是这个用来计算成为集群头可能性的方法需要每个节点知道在这个系统中可用的能量，这将会导致吞吐量的过载。因此，我们额外增加了30个节点作为支点来传输整个拓扑的能量到每个节点。

（2）每个节点通过选择集群头来加入它们自己的集群，这个集群头具有接受来自不同集群头ADV消息的信号能力，这有助于节点降低传送到集群头的能量。

（3）选择集群头后，节点也通过CSMA发送加入请求消息来选择集群头。

（4）集群头为集群建立一个传输调度，之后将调度表发送到它所在集群中的所有的节点。

（二）稳态阶段

节点可以从土壤中检测出关于PH值的各自的数据，并将这个物理量转换成电学值，与集群头进行通信，使集群头对原始数据进行预处理，最后，减少数据量并传送给基站来进行最终的处理。

三、传感器网络（主动路由-DSDB）

使用LEACH MAC层协议会导致路由问题，现在我们需要讨论网络层协议。由于这种节点的结构不会频繁的改变，我们选择DSDV协议来完成网络层路由，根据需要找出到达目的地的方式。

路由协议可以分成两个主要部分，也就是按需路由和主动路由。对于第一种来说，按需路由适用于网络拓扑频繁改变的情况，因此事先知道路由表不是有用的，甚至很容易导致错误的路由，更不用说巨大的资源消耗。但是对于另一种来说，预先知道路由表会加快消息传送的传输速度。

通过路由表的传播，在这个系统中的每个节点都有它们自己的路由表。例如，节点i通过节点j维护着每个目的地x的距离列表{dij}。（图3）并且我们选择增量包来传播节点信息。使用增量包而不是全部的转储数据包减少了传输中的消耗。当节点接收到增量包后，它会将这个包与它自己的路由表进行对比，如果这个新包具有一个更高的序列号，或者与序列号相同但与自己的旧包相比到达目的地的消耗更少，这个节点将会更新它的路由表，来节传输能量。例如，如果{dik}<={dij}距离储存在每个入口随同序列号的路由表中，节点i会选择k作为下一个跳板（图4）。

四、系统描述

根据需要监测的物理特性，在无线传感器网络中使用的传感器可以被分成许多种类，包括温度、湿度、化学、位置……本实验中主要针对土壤的化学特性（PH值），因此我们选择PH传感器作为我们的传感器节点来采集数据。由于我们选择LEACH作为我们的MAC层协议，这在集群中将会有一些集群头，在空闲期间这些集群头不会休眠，因此我们需要一些额外的能量和更多的功率来提供给这些集群头。

参考文献：

[1]. D. Estrin， R. Govindan， J. Heidemann， and S. Kumar， ―Scalable Coordination in Sensor Networks，‖ Proc.Mobicom 99， Seattle， WA， Aug. 1999， pp. 263-270

[2]S. Blackmore， “Precision Farming： An Introduction，” Outlook on Agriculture Journal， Vol. 23， 1994， pp. 275- 280.

作者简介：

吕晓杰（1998.5-），女，汉，山东省济南市，北京邮电大学本科在读，专业：物联网。