CN103596255A

CN103596255A - 基于农作物生长特性的wsn节点发射功率自适应算法

Info

Publication number: CN103596255A
Application number: CN201310587161.0A
Authority: CN
Inventors: 臧英; 李小敏; 王在满; 周志艳; 胡炼; 陈雄飞; 张明华; 邢赫
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103596255B

Abstract

本发明公开了一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，该算法主要包括不同节点和接收节点的状态初始化、接收信号强度的获取、根据作物生长周期情况发射功率的调整、根据田间具体情况对节点发射功率的微调、数据的收发等步骤组成；本算法首先对整个无线传感器网络中节点发射功率、数据传输速率、数据格式等进行初始化，让整个无线传感器网络进入工作状态，然后在根据检测作物的生长参数如高度、密度等对接收信号强度的影响，通过调整节点的基本发射功率实现节点功耗的降低和通信可靠性的保证。同时，鉴于田间农作物生长的具体特点，在通过节点之间通信时具体接收信号强度对发射功率进行进一步的微调。

Description

基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法

技术领域

本发明涉及无线传感器的技术领域，特别涉及一种WSN节点发射功率自适应的算法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，将无线网络技术与传感器技术相结合，以实现对有线网络不易适用的环境；无线传感器网络（Wireless Sensor Networks：WSN）技术随之产生。同时将无线传感网络技术应用于农业信息的采集，已经成为农业生产的一种新的趋势。近年来，无线传感网络得到了迅猛的发展。同时无线传感网络技术作为物联网重要的支撑几时引起全世界的关注，各国纷纷加大投入进行了相关的研究。随着以ZigBee为代表的无线传感网络的成熟，（WSNs）其在军事、动物追踪、工业测绘、环境检测、农业等方面得到了很好的应用。对于整个无线传感网络来说，能量问题是限制WSNs的最主要的问题，因为节点能量的耗尽就意味着节点的死亡；也就意味着无线传感网络功能的丧失。所以能量问题就理所当然成为了无线传感网络的研究热点之一。如何解决无线传感网络能量问题，是当前研究者聚焦的热点问题。

提高农产品的质量和产量，是现在农业研究的重要内容之一。我国是农业生产大国，农业生产是各种产出的基础。提高农产品的产量和质量成为了当前重要的任务。随着经济的不断发展和技术的不断成熟，人们对与绿色农产品有着迫切的需求。无线传感器网络作为一种新型的信息采集技术，将无线传感网络技术应用于农作物的整个成长周期，成为现在农业研究的热点，也可实现提高产量和质量的重要方法。无线传感器网络农情信息的采集和检测是精准农业和精确农业的基础。

然而，有限的能量成为了无线传感器网络的瓶颈问题之一，同时有面临这农作物的生长时间长、环境多变的特点。在整个无线传感器网络的工作中，节点数据的收发时功率的消耗占据绝大部分，而在此过程中，节点发射功率的大小直接影响整个网络的寿命。现有无线传感网络的节点的能量问题有两种。一是通过算法来减少无线节点的能量浪费，例如通过睡眠机制来降低功耗。二是通过加入电能转化模块将无线传感网络环境中的自然能量转化为电能为无线传感节点供电，例如风能、太阳能、震动能等。目前这些方案节省能量有限、设备庞大、不易安装、能量利用率低、劳动强度大，同时不能适应具体无线传感器节点工作的环境。

针对上述技术的缺陷和无线传感器网络能量有限的瓶颈，以及农作物生长情况的变化等问题，为了延长节点的寿命、有效地利用节点的能量，这就要求设计出一种适应作物不同生长周期的具体参数节点发射功率自适应的算法；同时为了减轻在劳动强度、降低成本、保护无线节点和延长节点的使用寿命，因此田间条件下的设计一种发射功率自适应的算法是有着的应用价值和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种WSN节点发射功率自适应的算法，该算法可以实现了节点发射功率根据农作物的生长周期的具体参数和田间作物对接收信号强度的影响，对发射功率自适应，以及提高通信可靠性、延长节点寿命、降低成本等。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，包括下述步骤：

S1、不同节点和接收节点的状体初始化；

S2、无线节点获取接收信号强度；

S3、根据作物生长周期相对应的参数对节点发射功率的大幅度调整；

S4、据无线节点布置的具体情况和田间农作物的具体生长情况，通过整个网络通信过程中接收信号强度的变化，对节点的发射功率做微调；

S5、对微调后的数据进行收发。

步骤S1中，初始化的具体步骤为：根据节点的布置田间的具体作物，对网络节点的发射功率、数据传输速率、解码方式、数据包格式进行具体的设置。

在完成步骤S1之后，网关或是父节点向整个网络或是子节点以广播形式发射多次接受信号强度测试数据包；普通节点在此过程中不断的读取射频芯片中接受信号强度，平均丢包率等对应寄存器的值，以获取平均RSSI和PLR。

步骤S3中，从无线节点布置开始及时，在通信可靠性的基础上的每隔一定的时间对基础的发射功率进行较大幅度的调整，如下公式所示：

P₀=P'+mod(T/T₀)△P

其中P0为基发射功率，单位的dBm，P’为节点初始化发射功率，单位dBm，△P为发射功率增加基量,单位dBm,T为节点工作天数，单位D(天)，T0为农作物生长周期，单位D(天)。

进一步包括：定时通过整个网络中的网关或是接收节点向感知节点发共接收信号强度测试数据包，感知节点通过此种方案，读取并记录自己所处位置信号强度，为发射功率的动态调整做准备。

本发明中是根据不同生长周期农作物的株高、作物密度、叶面积等参数对信号强度的影响，对发射功率做出较大的调整。

步骤S4中，通过无线节点和网关或是接收节点之间的通信，获取接收信号强度和平均丢包率进一步对无线传感器网络节点的发射功率做出微调，调整的具体方法如下公式所示：

P_{T} = \{\begin{matrix} P_{0} + nΔK & P_{R} < P_{r 1}, L > L_{0} \\ P_{0} & P_{r 1} \leq P_{R} \leq P_{r 2}, 0 \leq \\ P_{0} - nΔK & P_{R} > P_{r 2} \end{matrix}, L \leq L_{0}

其中PT为节点的发射功率，单位dBm，P0为基发射功率，单位dBm，n为增大倍数，ΔK为发射功率基量，单位dBm，PR节点接收信号强度，单位dBm，Pr1理想低功耗最小接收信号强度，单位dBm,Pr2为理想低功耗通最大接收信号强度，单位dBm,L为平均丢包率,单位%，L0为最低可接受平均丢包率,单位%。

步骤S5中，节点通过睡眠和苏醒的模式进行数据通信，具体的工作过程是：当到达采集时刻时，节点从低功耗模式苏醒，打开传感器完成数据采集；然后对数据处理、打包并通过无线通信模块将数据发送出去；发送成功后节点进入低功耗睡眠模式，如果节点发送数据请求次数和丢包率超过一定阈值，节点将数据存储在本地空间上并进入低功耗睡眠模式。

本发明的算法适用于水稻、小麦、油菜等。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本算法主要包括不同节点和接收节点的状态初始化、接收信号强度的获取、根据作物生长情况发射功率的调整、根据田间具体情况对节点发射功率的微调、数据的收发等步骤组成，具有算法可降低功耗、通信可靠性高、结构清晰、操作简便、、成本低等特点。

2、本算法各采用根据具体农作物生长环境对接收信号强度的影响动态调整节点发射功率的特点具有灵活强、适用性强效果好等特点。

3、本算法中添加有LCD、键盘驱动程序，可以便于算法程序提供调试、测试等。

附图说明

图1为本算法的功率自适应的程序流程图；

图2为本算法的数据收发的程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1～2所示，一种基于农作物生长特性的无线传感器网络发射功率自适应的算法该算法主要包括不同节点和接收节点的状态初始化、接收信号强度的获取、根据作物生长周期发射功率的调整、根据田间具体情况对节点发射功率的微调、数据的收发等步骤组成。具体过程如下：

S1、不同节点和接收节点的状体初始化；

S2、无线节点获取接收信号强度；

S5、对微调后的数据进行收发。

本实施例中先将无线节点的工作参数初始化，具体的参数如通信速率，解码方式、数据包格式、节点初始化发射功率、发射功率增加基量、农作物生长周期、增大倍数、发射功率基量、理想低功耗最小接收信号强度、想低功耗通最大接收信号强度、最低可接受平均丢包率等参数。

本实施例中的接收信号强度的获取，让网关和或是接收节点向普通节点或是子节点，以flood协议广播接收信号强度测试数据包；普通节点或是子节点在接收到测试数据包时，读取相关信号强度的寄存器、记录下本节点的多次通信的平均RSSI，对PR节点接收信号强度赋值，为以后节点发射功率的调整做好准备。

P₀=P'+mod(T/T₀)△P

其中P0为基发射功率，单位的dBm，P’为节点初始化发射功率，单位dBm，ΔP为发射功率增加基量,单位dBm,T为节点工作天数，单位D(天)，T0为农作物生长周期，单位D(天)。

P_{T} = \{\begin{matrix} P_{0} + nΔK & P_{R} < P_{r 1}, L > L_{0} \\ P_{0} & P_{r 1} \leq P_{R} \leq P_{r 2}, 0 \leq \\ P_{0} - nΔK & P_{R} > P_{r 2} \end{matrix}, L \leq L_{0}

本实施例中的根据作物生长周期发射功率的调整的具体做法如下，首先判断节点工作的天数是否达到了农作物的生长周期的天数或是每隔一定的天数，如果天数符合，基发射功率P0就在节点初始化发射功率P’的基础上增加n倍发射功率增加基量ΔP，以应对农作物在生长周期中如株高、密度、叶面积对无线信号的影响。

本实施例中根据田间具体情况对节点发射功率的微调具体如下，通过PR节点接收信号强度是否位于Pr1理想低功耗最小接收信号强度和Pr2理想低功耗通最大接收信号强度之间，同时判断L平均丢包率是否超越L0为最低可接受平均丢包率；如果条件满足就对发射工作做进一步的微调，即PR大于Pr2，降低发射功率；PR小于Pr1且L大于L0，增大发射功率。

本实施例中节点数据传输步骤为当到达采集时刻时，节点从低功耗模式苏醒，打开传感器完成数据采集；然后对数据处理、打包并通过无线通信模块将数据发送出去；发送成功后节点进入低功耗睡眠模式。如果节点发送数据请求次数和丢包率超过一定阈值，节点将数据存储在本地空间上并进入低功耗睡眠模式。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、不同节点和接收节点的状体初始化；

S2、无线节点获取接收信号强度；

S5、对微调后的数据进行收发。

2.根据权利要求1所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，步骤S1中，初始化的具体步骤为：根据节点的布置田间的具体作物，对网络节点的发射功率、数据传输速率、解码方式、数据包格式进行具体的设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，在完成步骤S1之后，网关或是父节点向整个网络或是子节点以广播形式发射多次接受信号强度测试数据包；普通节点在此过程中不断的读取射频芯片中接受信号强度，平均丢包率等对应寄存器的值，以获取平均RSSI和PLR。

4.根据权利要求1所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，步骤S3中，从无线节点布置开始及时，在通信可靠性的基础上的每隔一定的时间对基础的发射功率进行较大幅度的调整，如下公式所示：

P₀=P'+mod(T/T₀)△P

5.根据权利要求4所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，进一步包括：定时通过整个网络中的网关或是接收节点向感知节点发共接收信号强度测试数据包，感知节点通过此种方案，读取并记录自己所处位置信号强度，为发射功率的动态调整做准备。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，根据不同生长周期农作物的株高、作物密度、叶面积等参数对信号强度的影响，对发射功率做出较大的调整。

7.根据权利要求1所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，步骤S4中，通过无线节点和网关或是接收节点之间的通信，获取接收信号强度和平均丢包率进一步对无线传感器网络节点的发射功率做出微调，调整的具体方法如下公式所示：

P_{T} = \{\begin{matrix} P_{0} + nΔK & P_{R} < P_{r 1}, L > L_{0} \\ P_{0} & P_{r 1} \leq P_{R} \leq P_{r 2}, 0 \leq \\ P_{0} - nΔK & P_{R} > P_{r 2} \end{matrix}, L \leq L_{0}

其中PT为节点的发射功率，单位dBm，P0为基发射功率，单位dBm，n为增大倍数，△K为发射功率基量，单位dBm，PR节点接收信号强度，单位dBm，Pr1理想低功耗最小接收信号强度，单位dBm,Pr2为理想低功耗通最大接收信号强度，单位dBm,L为平均丢包率,单位%，L0为最低可接受平均丢包率,单位%。

8.根据权利要求1所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，步骤S5中，节点通过睡眠和苏醒的模式进行数据通信，具体的工作过程是：当到达采集时刻时，节点从低功耗模式苏醒，打开传感器完成数据采集；然后对数据处理、打包并通过无线通信模块将数据发送出去；发送成功后节点进入低功耗睡眠模式，如果节点发送数据请求次数和丢包率超过一定阈值，节点将数据存储在本地空间上并进入低功耗睡眠模式。

9.根据权利要求1所述的一种基于农作物生长特性的WSN节点发射功率自适应算法，其特征在于，所述作物为水稻、小麦、油菜。