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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在禽舍中的應(yīng)用

日期：2010-03-29  來(lái)源：2010  字體大?。?a class="changDocFontSize" onclick="document.all.Zoom.style.fontSize='24px';" >大  中  小

我國(guó)禽舍設(shè)施的現(xiàn)代化程度還不太高，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在一定的差距。近年米在研究國(guó)外禽舍設(shè)施技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)的禽舍設(shè)施對(duì)微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段，向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過(guò)渡和發(fā)展?，F(xiàn)有的禽舍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集火多采用傳統(tǒng)的有線方式，需要鋪設(shè)大量的信號(hào)傳輸線，既增加了更新維護(hù)的難度，又降低了監(jiān)測(cè)的可靠性和操作的靈活性。隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線技術(shù)越米越成熟，使禽舍環(huán)境實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)測(cè)成為可能，目前無(wú)線技術(shù)在國(guó)外的畜禽養(yǎng)殖中已得到應(yīng)用。 1 禽舍采用無(wú)線監(jiān)測(cè)的必要性 我國(guó)農(nóng)業(yè)正在從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖的自動(dòng)化與智能化已成一種趨勢(shì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在禽舍環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用順應(yīng)了時(shí)代的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的禽舍環(huán)境監(jiān)控方式相比有三大優(yōu)勢(shì)：一是傳感器節(jié)點(diǎn)的體積很小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此減少r人為因素對(duì)禽舍環(huán)境的影響；二是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)到局部環(huán)境的詳細(xì)信息并匯總到匯聚節(jié)點(diǎn)，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大、精度高的特點(diǎn)；三是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控，傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無(wú)線通信功能，可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。 節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和無(wú)線通信功能使得傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠重新編程和重新部署，對(duì)環(huán)境的變化、傳感器網(wǎng)絡(luò)自身變化以及網(wǎng)絡(luò)控制指令做出及時(shí)反應(yīng)，因而傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適用于禽舍環(huán)境的監(jiān)測(cè)。 2禽舍環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 適用于禽舍環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。傳感器節(jié)點(diǎn)被大量部署在禽舍環(huán)境的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，自主形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳送給終端。 傳感器節(jié)點(diǎn)自主形成一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)必須通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都能檢測(cè)禽舍環(huán)境的溫度、濕度、光照等信息，也可以變換監(jiān)測(cè)目標(biāo)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容。由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力和通信能力，可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。這樣可以減少數(shù)據(jù)通信量，節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量。 2．1節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)部署 根據(jù)禽舍環(huán)境特點(diǎn)的要求，傳感器節(jié)點(diǎn)需要滿足體積小、精度高、生命周期長(zhǎng)等的特點(diǎn)。目前使用比較多的是加州伯克利分校研制的Mote節(jié)點(diǎn)，即通過(guò)擴(kuò)展板的方式帶有一個(gè)專用的傳感器板，板上載有光照傳感器、溫濕度傳感器以及大氣壓傳感器等。 傳感器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)完成兩方面的工作：一是接收分析用戶的監(jiān)測(cè)指令，并根據(jù)指令中的參數(shù)要求對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)采集；二是通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收傳感節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，調(diào)度傳感節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳和用戶指令的下發(fā)，匯聚節(jié)點(diǎn)是用戶和傳感節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)臉蛄骸R聚節(jié)點(diǎn)除了具備與傳感節(jié)點(diǎn)同樣結(jié)構(gòu)和功能的無(wú)線收發(fā)模塊外，還具有功能強(qiáng)大的處理模塊和大容量的存儲(chǔ)模塊。 如何在禽舍中布置傳感節(jié)點(diǎn)，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作效率和投資成本。只有合理的布置節(jié)點(diǎn)，才能充分發(fā)揮系統(tǒng)高效率和低能耗的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于節(jié)點(diǎn)布置的問(wèn)題在不同的背景下已被研究。確定性布置和自組織布置是節(jié)點(diǎn)布置的兩種方式。 禽舍中節(jié)點(diǎn)的部置還應(yīng)考慮區(qū)域的覆蓋和節(jié)點(diǎn)問(wèn)的連接等問(wèn)題。所謂的覆蓋問(wèn)題，就是我們所監(jiān)測(cè)的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，都能被傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到，其實(shí)質(zhì)就是在兼顧節(jié)點(diǎn)間通信的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍的最大化；每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)都能與匯聚節(jié)點(diǎn)通信稱為連接，如果系統(tǒng)中存在不連接的節(jié)點(diǎn)，某些子區(qū)域感測(cè)到的信息將成為無(wú)效信息。在溫室中布置傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要考慮有多少個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)某個(gè)參數(shù)的測(cè)量，決定數(shù)量后，要解決怎樣準(zhǔn)確布置這些節(jié)點(diǎn)才能夠使得系統(tǒng)效率最高、能耗最低。 2．2節(jié)點(diǎn)能量管理 禽舍環(huán)境的監(jiān)測(cè)是長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，這對(duì)節(jié)點(diǎn)能量的供應(yīng)提出了很高的要求。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用是不同的，匯聚節(jié)點(diǎn)需要更多的能量接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)會(huì)將能量主要用在數(shù)據(jù)的搜集上。因此節(jié)點(diǎn)在能量的消耗上出現(xiàn)了瓶頸問(wèn)題。在應(yīng)用中需要考慮能量消耗較快的節(jié)點(diǎn)，并采取一定的節(jié)點(diǎn)冗余措施以保證數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別節(jié)點(diǎn)的失效而中斷。表1給出了傳感器節(jié)點(diǎn)操作及消耗電量的關(guān)系。 節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量主要采用休眠機(jī)制，即當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有任務(wù)時(shí)，只有與其相鄰區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，其余的處于關(guān)閉狀態(tài)。 2．3 s-MAC協(xié)議在禽舍無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮的屬性有：節(jié)省能量、網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)效率。目前，在MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)中，往往是通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò)的公平性，增加網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)、吞吐量，米換取協(xié)議的能量有效性。 S-MAC(sensor MAC)協(xié)議是在802．11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過(guò)周期性休眠獲得低占空比運(yùn)行，通過(guò)選擇和維護(hù)休眠調(diào)度表，使相鄰節(jié)點(diǎn)組成休眠／喚醒自動(dòng)同步的虛擬組，從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)耐?，并減少控制開(kāi)銷。其特點(diǎn)是形成一個(gè)使相鄰節(jié)點(diǎn)都能自由通信的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同步節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)無(wú)簇內(nèi)通信的虛擬組，很容易適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。 假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成相同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合以減小數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度的通信延遲，既提供了良好的擴(kuò)展性，義減少了節(jié)點(diǎn)能量的消耗。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到禽舍中，建立禽舍無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)禽舍信息的無(wú)線采集和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的自動(dòng)化與智能化，對(duì)于提高畜禽的產(chǎn)量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)它的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了極其重要的影響，在國(guó)防、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化和其他領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 趙建華，韓玉杰 (東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040) 中國(guó)家禽2010.3 江洪濤采集審核；程彬彬編輯上傳。