李英华 马爱霞

摘 要：为部署农田土壤和大气层中的传感器节点，文章提出农田监测无线传感器网络无分层通信协议分析。搭建农田监测可视化平台，提取无线传感器网络相关技术特征，构建无分层通信协议，完成农田监测无线传感器网络无分层通信协议的设计。实验结果表明，设计的通信协议比传统通信协议的能量消耗均少于2.077%～10.061%不等，证明设计的通信协议能量消耗较小，能有效延长无线传感器网络生存周期。

关键词：农田监测;无线传感器;通信协议;无分层

0 引言

自20世纪90年代末，美国等一些发达国家就开始对无线传感器网络进行相关研究，并结合军用监视设备，率先应用到了军事领域。1993年开始，美国加州大学开展了无线综合网络传感器研究，使人们意识到无线传感器可以应用在更多领域。我国的相关研究起步较晚，但在一些科研机构的不懈努力下，在无线传感器的定位技术、通信协议和网络管理方面已经取得了较大进步[1]。在无线通信技术和现代电子技术不断成熟的背景下，无线传感器的应用范围也在不断扩大，尤其是我国农业发展正处在转型的关键时期，在农田监测工作中融入无线传感器网络相关技术，能有效获取农田环境信息，主要包括环境温度、湿度和光照情况等因素。根据相关研究资料显示，对农田监测无线传感器网络无分层通信协议的能量消耗研究得不够全面，有待深入探讨。

1 设计农田监测无线传感器网络无分层通信协议

1.1 搭建农田监测可视化平台

搭建农田监测可视化平台，用于部署农田土壤和大气层中的传感器节点，把相应的数据和信息进行储存和可视化处理，通过数据接收模块和数据处理模块，搭建农田监测可视化平台，如图1所示。

数据接收模块主要是利用无线传感器串口，采集农田环境信息，并将数据信息输入数据库，根据农作物的历史生长周期和所需生长条件进行对比分析，提取最适合农作物生长的温度、湿度、光照条件和病虫害防治信息。在储存数据信息的同时，对采样环境信息当天的环境温度、湿度和光照信息进行对比，得出农田监测数据的平均值的极值，为制定农作物的最佳生长环境方案奠定数据基础。数据管理模块主要是根据实际情况对监测数据的图形或者图表进行修改，以柱状图、曲线图或者饼图等形式进行数据展示，使数据信息更加直观、生动。数据管理能够在数据采集的基础上提供更加详细的信息，比如施肥配比、节水灌溉等方面[2]。农田监测可视化平台还必须满足快速响应用户需求的条件，以优质的交互界面实现对农田环境信息的监测，完成农田监测可视化平台搭建。

1.2 提取无线传感器网络特征

无线传感器具有大量特定功能的节点，涉及感知、计算和存储等方面的功能，可以对农田等研究对象进行实时监测和采集监控区域内的环境信息，并将收集到的信息传送给用户。与传统网络相比，无线传感器网络具有更加智能化的特点[3]。无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点3个部分。由于农田的监测面积通常比较大，需要在监测区域内大量部署传感器节点，导致传感器节点的分布也相对比较密集。传感器节点的作用主要是感知并实时监测农田环境的变化，并将捕获的变化信息通过可视化平台发送到汇聚节点。汇聚节点作为无线传感器的核心部分，其作用是保证无线传感器网络与互联网之间在协调状态下实现信息获取等目标，其结构通常是由能量较强的传感器节点或者具备无线网关能力的路由器组成。对来自传感器的节点进行数据综合处理后，接收并执行管理节点的指令，有效保证无线传感器的稳定运行。

农田监测无线传感器网络中的各个节点之间以可视化平台为中心实现相互联系，形成自发性的节点网络[4]。整个无线传感器网络的运行都是以网络节点的邻近关系和对应关系为依托，经过数据处理和数据融合等步骤，传送给通信能力较强的汇聚节点。任务管理节点是包含若干台服务器的指令管理中心，无线传感器网络的相应配置与管理操作都必须经由任务管理节点进行处理分析，并且传感器节点与汇聚节点都要实时执行任务管理节点的指令。

1.3 构建无分层通信协议

要想构建无分层通信协议，既需要考虑农田监测的实际需求和网络应用环境，还要将能量消耗和可靠性等因素充分融入通信协议中。农田监测无线传感器节点的供电来源通常是电池供电，在运行过程中，对于已经消耗掉的能量无法进行及时补给，因此，能量消耗是实现无分层通信协议的重要影响因素[5]。为了节省无线传感器网络运行过程中的能量消耗，必须及时获取能量消耗情况，根据变化情况进行能量分配。同时，无分层协议还应该具有较强的自动校正功能和容错性，避免错误出现后导致整个无线传感器网络瘫痪，从而影响运行效率。能量消耗计算公式如下：

其中，EmoCV为能量消耗;k表示传感器节点;Eelec表示电能;dtoCV表示节点到传感器的距离，当k≥1时，符合无线传感器网络无分层通信协议能量消耗的要求范围，完成无分层通信协议构建。

2 实验

2.1 实验准备

为了测试农田监测无线传感器网络无分层通信协议的能量消耗情况，对无线传感器网络进行实验，实验参数设定如表1所示。

选取3种传统通信协议与文中通信协议进行能量消耗对比，得出实验结果。

2.2 实验结果

实验结果如表2所示。

实验结果表明，相同的单位时间内，文中通信协议的能量消耗均少于传统通信协议2.077%～10.061%不等，由于能量消耗越少，网络运行周期越长，因此，文中通信协议更加适用于农田监测无线传感器网络。

3 结语

本文通过研究农田监测无线传感器网络无分层通信协议，设计出能量消耗更少的通信协议。在一定程度上推动了农田监测和无线传感器领域的发展，为学术界开展相关研究奠定了理论基础和实践基础。由于研究条件有限，文章对农田监测环境信息收集得还不够全面，未来将不断完善。

[参考文献]

[1]闫文豪，韩宇星.基于农田监测的无线传感器网络节点定位研究[J].农机化研究，2021（6）：36-41.

[2]嚴锡君，刘旭东.多链型农田监测无线传感器网络无分层通信协议[J].节水灌溉，2020（4）：86-89，94.

[3]陈紫薇，姚俊光，孙道宗，等.基于LoRa的无线传感网的农田节水灌溉系统[J].现代计算机，2020（2）：98-102.

[4]张晓涵，尹长川，吴华瑞.面向大规模农田生境监测的无线传感器网络节能优化策略[J].智慧农业，2019（2）：55-63.

[5]赵立新.基于无线传感网络的农田远程监测系统设计[J].吉林化工学院学报，2018（11）：49-52.

（编辑 王永超）