發(fā)布時間：2020-02-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:在進行農(nóng)機的遠程電子監(jiān)測時，為了實現(xiàn)監(jiān)測的實時性需要引入時間同步技術(shù)。為此，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步技術(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路由算法，使用時間同步有效性檢查階段的時間戳，在只發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)
摘要:在進行農(nóng)機的遠程電子監(jiān)測時，為了實現(xiàn)監(jiān)測的實時性需要引入時間同步技術(shù)。為此，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步技術(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路由算法，使用時間同步有效性檢查階段的時間戳，在只發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上實現(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。為了驗證方案的可行性，采用NS2仿真軟件和實驗的方式對同步通信能力進行了驗證，結(jié)果表明:采用改進后的路由算法可以有效提高同步通信的效率，且實驗結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，從而驗證了方案的可行性和可靠性。
關(guān)鍵詞:無線傳感網(wǎng)絡(luò);分簇算法;農(nóng)機監(jiān)控;同步通信;NS2仿真
0引言
時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵機制，為大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用所必需。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、多跳性、動態(tài)拓撲性和資源受限性等特點，且因受節(jié)點能量、計算能力、通信帶寬及存儲容量的限制，使得設(shè)計能滿足不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的時間同步技術(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)機遠程電子監(jiān)測系統(tǒng)上，通過路由算法的優(yōu)化，提高監(jiān)測系統(tǒng)的同步通信能力，從而實時地對農(nóng)機作業(yè)情況和環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，以提高農(nóng)機的智能化和自動化水平。
1基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機遠程電子監(jiān)測系統(tǒng)
為了實現(xiàn)農(nóng)機的遠程監(jiān)控，需要在農(nóng)機上安裝較多的設(shè)備，這些設(shè)備可以通過現(xiàn)場總線進行連接。現(xiàn)場總線CAN通信效率高，速度快，操作簡單，是一種具有國際標準的現(xiàn)場總線。在遠程電子監(jiān)測時，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)以CAN總線的形式進行傳輸，然后再通過無線傳送設(shè)備傳送到遠程客戶端，上位機可以實時對機車運行信息進行監(jiān)測和存儲，為實現(xiàn)田間作業(yè)機車精準作業(yè)提供了依據(jù)。
由于田間機車的設(shè)備相對來說比較復(fù)雜，還要考慮到實時性、操作的難易程度，為提高農(nóng)機的作業(yè)效率，采用遠程監(jiān)測和控制的方式。在進行遠程電子監(jiān)測時，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)，通過數(shù)據(jù)處理對采集到的圖像進行處理后，關(guān)閉攝像頭設(shè)備，如圖1所示。
農(nóng)機作業(yè)時，首先利用各種傳感器對環(huán)境和溫度等信息進行采集，也可將實時作業(yè)情況信息傳送到大屏幕上，使農(nóng)機運行信息實現(xiàn)實時顯示、自動跟蹤及傳輸數(shù)據(jù)等，達到多農(nóng)機協(xié)同一體化管理的目的。
2基于分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其路由算法
無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種適應(yīng)性比較強的通信網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器節(jié)點達成自組織的形式網(wǎng)絡(luò)，可以采集、處理和傳達網(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。無線傳感網(wǎng)絡(luò)融合了當前各種先進的技術(shù)，包括現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化系統(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)測和預(yù)報、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域。
這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)是常用的一種類型，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點分為普通節(jié)點和參考節(jié)點。其中，普通節(jié)點的通信都是以參考節(jié)點開始的，通過和參考節(jié)點的距離來確定通信的層次，但其同步性較差，不利于信息的實時傳遞。
基于分簇算法的節(jié)點分布示意圖如圖4所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中無線傳感器節(jié)點被分為很多簇，并劃分了簇首和簇節(jié)點，簇首和參考節(jié)點可以增大網(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)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)相比較，距參考節(jié)點比較遠的節(jié)點，其跳數(shù)也有所降低，從而降低了通信過程的同步誤差，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的實時性。
假設(shè)有兩個節(jié)點分別為x和y，實時時間為t，傳感器節(jié)點x內(nèi)部振蕩器的實時時間為Cx(t)，可以通過節(jié)點x來推算節(jié)點y的時間，從而達到同步通信的目的
實現(xiàn)同步通信后，可以同時對多臺作業(yè)的農(nóng)機進行實時監(jiān)控，并將作業(yè)情況實時反饋給農(nóng)機管理人員，以便管理者實現(xiàn)多臺的協(xié)同管理，從而有效地提高農(nóng)機的作業(yè)效率。
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3基于分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機遠程監(jiān)測系統(tǒng)測試
當前隨著農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的不斷進步，多種機型的無人駕駛設(shè)備被投放到農(nóng)業(yè)作業(yè)中使用。在無人駕駛作業(yè)條件下，遠程監(jiān)測系統(tǒng)是非常重要的，而監(jiān)測系統(tǒng)工作效率和工作質(zhì)量的好壞主要取決于監(jiān)測系統(tǒng)通信能力。基于分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)具有較高的無線通信能力，其通信的同步性好可以滿足實時通信的需求。無人駕駛作業(yè)機械作業(yè)情況如圖5所示。
無人駕駛作業(yè)一般應(yīng)用在地勢平坦、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)機作業(yè)的智能化和自動化水平，降低人力成本投入，提高作業(yè)效率。由于在作業(yè)過程中處于無人駕駛狀態(tài)，可以采用遠程監(jiān)測的方式對農(nóng)機進行遠程控制，以提高其作業(yè)質(zhì)量。本文主要對其監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，首先采用NS2仿真的方法對傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通信進行驗證，以得到實時通信能力較強的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。
采用NS2對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行仿真的配置項目主要包括網(wǎng)絡(luò)通信范圍、節(jié)點數(shù)、通信半徑、同步傳輸信息包大小、信號發(fā)射功率和Datarate等，配置參數(shù)如表1所示。其布置好的節(jié)點示意圖如圖6所示。
本次對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要測試項目是同步通信能力，主要通過相同節(jié)點數(shù)需要的同步時間來測算，測算結(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)時的同步時間，2表示采用了分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)時的同步時間。計算結(jié)果表明:采用分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)后所需同步時間明顯比沒有采用的短，從而提高了無線通信的效率。
為了驗證仿真的準確性，在農(nóng)田里布置了傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對其通信進行了初步的測試，如表2所示。測試結(jié)果表明:仿真和實驗結(jié)果的吻合程度較高，從而驗證了方案的可行性。
4結(jié)論
為了提高農(nóng)機遠程電子監(jiān)測系統(tǒng)的同步通信能力、實現(xiàn)多農(nóng)機協(xié)同監(jiān)測，在農(nóng)機監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法中引入了分簇算法，提高了同步通信效率，實現(xiàn)了多農(nóng)機監(jiān)測的實時性。為了驗證方案的可行性，首先搭建了100m×100m覆蓋范圍的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并利用NS2仿真軟件和實驗方法對路由算法的有效性進行了驗證。驗證結(jié)果表明:采用分簇算法后，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的同步通信能力有了明顯的提高，為農(nóng)機無人化作業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)保障。
