定向天線技術環(huán)境監(jiān)測論文
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一系統(tǒng)的實現(xiàn)
2．1系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件主要由傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器、控制開關器和上位機組成。傳感器節(jié)點由傳感器、處理芯片、及通信模塊組成，主要有溫濕度傳感器、H2S氣體傳感器、NH3氣體傳感器等；控制開關器主要是由主芯片、繼電器電路、接收通信模塊組成，主要用于控制通風設備的工作狀態(tài)；協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡的建立維護和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，主要任務是為各個傳感器分配地址，建立和維護網(wǎng)絡；上位機負責數(shù)據(jù)的接收、存儲，并能根據(jù)設置的參數(shù)進行預警作用。傳感器節(jié)點由MSP430系列處理器模塊、無線通信模塊、串口通信模塊、傳感器模塊、電源模塊和其它擴展模塊組成。選取MSP430系列處理器主要考慮低功耗。為了提高節(jié)點間的通信距離，需要在發(fā)射器的輸出端和發(fā)射天線之間增加一個功率放大器，并且采用定向傳輸技術。各種傳感器模塊、控制開關器和協(xié)調(diào)器都是獨立設計的，利于節(jié)點的重復使用，提高靈活度。
定向天線（Directionalantenna）是指在某一個或某幾個特定方向上發(fā)射及接收電磁波特別強，而在其他的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小的一種天線。定向天線具有增益高、方向性好等特點，能夠有效抑制干擾信號，大大減少節(jié)點之間的信號干擾，增大了數(shù)據(jù)的傳輸距離和數(shù)據(jù)傳送效率，降低信號傳輸?shù)臅r延和節(jié)點的功耗、提高空間復用度，能夠使多個節(jié)點同時傳輸，空間復用率高。并且通過定向天線傳輸增加額外增益能夠?qū)崿F(xiàn)WSN節(jié)點的遠距離通信，協(xié)議可靠性高，時延小，有效提高了WSN網(wǎng)絡吞吐量。
2．3節(jié)點軟件系統(tǒng)的組成
軟件的設計主要由傳感器節(jié)點軟件、控制開關器軟件、監(jiān)測軟件組成，除監(jiān)測軟件外，所有程序采用C語言編程實現(xiàn)，監(jiān)控軟件采用eclipse軟件結(jié)合an－droid－sdk完成。各個應用程序主要由各個傳感器硬件模塊的驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議。
2．4通信協(xié)議
2．4．1通信算法
針對養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測過程中存在有障礙物影響，會導致傳輸距離受限制、監(jiān)測精度不高等結(jié)果，因此設計了傳輸通信協(xié)調(diào)。通信協(xié)議算法主要包含四個階段：初始化階段、路由發(fā)現(xiàn)階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、路由重發(fā)現(xiàn)。
1）初始化階段
當系統(tǒng)啟動時，設置一個啟動定時器tt1時間，當tt1時間到達后，節(jié)點就定期時間（tt2時間內(nèi)）向周圍節(jié)點發(fā)送信號HELLO信息，發(fā)送HEL－LO信息后就等待回復號RET信息，如果在tt2時間內(nèi)收到周圍節(jié)點的RET信息，標注節(jié)點已被發(fā)現(xiàn)。同時，周圍節(jié)點在收到HELLO信息后，就會把此節(jié)點作為鄰節(jié)點保存在臨時列表中，在tt3時間內(nèi)向發(fā)送節(jié)點發(fā)送RET信息。如果此節(jié)點在自己的通信范圍內(nèi)，就作為自己的鄰節(jié)點保存在正式鄰點列表中，否則拋棄此節(jié)點。
2）路由發(fā)現(xiàn)階段
每個節(jié)點計算鄰居節(jié)點的數(shù)量，并且根據(jù)本身的能量、與基站節(jié)點的距離、整個網(wǎng)絡節(jié)點的均衡等因素，設置成為初始的簇頭節(jié)點，各個簇頭負責簇內(nèi)數(shù)據(jù)的采集。除此，各個簇頭之間，為了保證路由的可靠性和降低傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量，采用單跳或多跳的傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)。如果簇頭節(jié)點在基站的接收范圍內(nèi)，就直接把數(shù)據(jù)傳送給基站，如果不在基站接收范圍內(nèi)，就計算各個簇頭離基站的位置、本身剩余的能量，保證傳輸消耗能量最低原則，采用多跳方式傳輸數(shù)據(jù)到基站。
3）數(shù)據(jù)傳輸階段
當網(wǎng)絡進入穩(wěn)定狀態(tài)，簇內(nèi)成員節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點，為了避免數(shù)據(jù)冗余，簇頭節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給基站。數(shù)據(jù)會按照設計的數(shù)據(jù)傳送格式進行傳輸。
4）路由重發(fā)現(xiàn)階段
由于能量的限制，如果一直保持原路由進行數(shù)據(jù)傳輸，就會導致節(jié)點能量過多而不能工作，從而破壞整個網(wǎng)絡的正常運行?？紤]到簇頭在網(wǎng)絡運行中承擔更重任務，設計簇頭更換策略。簇頭更換策略主要取決于三個因素：選舉系數(shù)、邊緣位置、閾值能量。選舉系數(shù)決定簇頭選舉的時間和更換的輪數(shù)，設置合理可行的選舉系數(shù)保證整個網(wǎng)絡性能；處于邊緣位置的節(jié)點若成為簇頭，會因傳輸距離太遠，容易耗盡能量而死亡；閾值能量設置得太大，導致很多節(jié)點不能成為簇頭，勢必會因數(shù)據(jù)傳輸距離過遠，導致網(wǎng)絡的不穩(wěn)定。所以，簇頭更換策略是當簇頭的滿足選舉系統(tǒng)時，進入到簇頭更換，此時選取出簇內(nèi)具有最大剩余能量的節(jié)點，判斷此節(jié)點是否處于邊緣位置，如果處于邊緣位置，繼續(xù)尋找簇內(nèi)第二大剩余能量節(jié)點，一直到不處于邊緣位置為此，然后判定其剩余能量是否大于閾值能量，如果滿足則設置此節(jié)點為新一輪的新簇頭，并向周圍所有的節(jié)點發(fā)送成為簇頭的標志信息，重新進行簇內(nèi)成員的構建，再形成新的路由進行數(shù)據(jù)的傳輸。
2．4．2MAC協(xié)議
基于定向天線的MAC協(xié)議主要使用兩種方式：使用RTS／CTS握手方式和不使用RTS／CTS握手方式。前者使用RTS獲得鄰節(jié)點的信息，RTS需要硬件設備獲取鄰節(jié)點的位置信息，后者則使用了音的信號幀，但是這兩種方式會帶來隱藏終端和聾節(jié)點等問題，從而降低了MAC的性能。為了解決這個問題，可以結(jié)合定向虛擬載波偵聽（DVCS）機制、使用多跳、SDMA（空分多址）等的優(yōu)點，充分利用定向天線的優(yōu)勢。
2．4．3數(shù)據(jù)通信格式
考慮到數(shù)據(jù)通信過程中的可靠性和安全性，設置了數(shù)據(jù)通信格式。1）傳感器節(jié)點到協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式定義如：Head＋len＋data＋stx。其中：Head（2byte），固定為0xFF，0XFE；Len（1byte），data的字節(jié)數(shù)；Data：數(shù)據(jù)域———2byte本機地址＋2byte父節(jié)點地址＋nbyte傳感器數(shù)據(jù)（n大于等于2）；stx（2byte），固定為0x0D，0X0A。具體發(fā)送命令如：FFFE0800010000031200000D0A。其中：FFFE為固定數(shù)據(jù)頭；08為數(shù)據(jù)長度；0001為本機地址（子節(jié)點地址）；0000為父節(jié)點地址；03為傳感器類型；12為傳感器數(shù)據(jù)，1Lsb＝0．1，如0x10表示1．8；0D0A為數(shù)據(jù)的結(jié)束標志。2）協(xié)調(diào)器發(fā)往監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式定義如：FFFD000430300000hhhhhh。其中：byte1byte2：傳感器端數(shù)據(jù)發(fā)送的固定頭，固定為FFFD；byte3：數(shù)據(jù)類型的標識，00為H2S傳感器的數(shù)據(jù)，01為溫濕度感測器的數(shù)據(jù)，02為NH3感測器的數(shù)據(jù)；byte4為傳感數(shù)據(jù)長度（統(tǒng)一為04）；byte4～byte7：為傳感器數(shù)據(jù)；Byte9～byte10：保留；byte11：byte1—byte10校驗值（相加取低8位）。
2．5網(wǎng)絡構建系統(tǒng)上電后
協(xié)調(diào)器進行搜索并尋找合理的信道，完成系統(tǒng)初始化和建立網(wǎng)絡的任務。各個傳感器節(jié)點通電后，掃描信道，尋找協(xié)調(diào)器，并加入到網(wǎng)絡中。加入網(wǎng)絡后，則開始采集環(huán)境數(shù)據(jù)，傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，判定其格式正確后，將其傳輸給監(jiān)測軟件。
2．6監(jiān)控軟件設計
以eclipse軟件為開以平臺，結(jié)合android－sdk完成監(jiān)控軟件的開發(fā)。Android系統(tǒng)是一個源碼公開、開放和完整的軟件，是由操作系統(tǒng)、用戶界面中間件和重要應用程序組成，得到手機運營商的廣泛使用。在系統(tǒng)的設計中，應用到了Activity、Intent、Service、An－droidUI、多線程等技術。本系統(tǒng)主要由以下幾個方面組成：Android軟件與硬件傳感器通信的底層驅(qū)動，包括打開串口、關閉串口、發(fā)送串口信息、接收串口信息以及異步方式讀取傳感器數(shù)據(jù)等；主界面內(nèi)容顯示，包含各種傳感器數(shù)據(jù)顯示、控制開關器的控制等信息。監(jiān)控軟件接收到數(shù)據(jù)時首先要對數(shù)據(jù)的格式進行分析，判定數(shù)據(jù)格式正確后，確定是哪個傳感器的數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，計算結(jié)果，在相應界面位置顯示數(shù)值；把結(jié)果與設定的數(shù)值進行比較，如果不在設置數(shù)值范圍內(nèi)，就進行報警，并把報警信息通過串口發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再轉(zhuǎn)發(fā)到控制開關器，驅(qū)動通風設備工作。
3系統(tǒng)的應用
根據(jù)設計的要求，系統(tǒng)設計完成并搭建，在豬舍做了相應的實驗和相關的測試，系統(tǒng)測試結(jié)果說明，系統(tǒng)實現(xiàn)相應功能，成功讀取相應的環(huán)境數(shù)據(jù)。主界面運行顯示圖中是各個傳感器終端節(jié)點采集發(fā)送回來的數(shù)值顯示和通風設備工作狀態(tài)情況?？梢酝ㄟ^“菜單鍵”設置邏輯狀態(tài)的“關閉”和“啟動”在邏輯狀態(tài)都已關閉情況下，只能顯示所有傳感器的數(shù)據(jù)和此時通風設備工作狀態(tài)，不能達到超限預警的效果。為了能實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的自動控制，必須要開啟所有的邏輯狀態(tài)。通過“菜單鍵”設置溫度、濕度、H2S氣體和NH3氣體的范圍，當采集數(shù)據(jù)中任一參數(shù)超出范圍，都可以自動開啟和關閉通風設備，達到自動控制效果。H2S和NH3參數(shù)范圍設置的標準是依據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害畜禽產(chǎn)地環(huán)境要求（GB／T18407．3—2001）中的標準來設置，H2S和NH3應控制在10、25mg•m－3以下。根據(jù)相關研究表明，豬舍最適宜的溫度為8℃～20℃，相對濕度根據(jù)豬體質(zhì)量類型的不同一般為65％～85％。
4結(jié)論
本文設計了一款適合應用于生豬養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，并通過定向天線無線傳感網(wǎng)絡進行實時參數(shù)采集。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以將生豬養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)進行實時的監(jiān)控，并可以通過人為干預或者自動方式改變豬舍中相關環(huán)境參數(shù)，改善養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量，為生豬提供一個良好的生長環(huán)境，達到了預期效果。
作者：黃鶯單位：柳州鐵道職業(yè)技術學院電子技術學院
