定向天線技術環境監測論文
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一系統的實現
2．1系統硬件設計
系統硬件主要由傳感器節點、協調器、控制開關器和上位機組成。傳感器節點由傳感器、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；協調器負責網絡的建立維護和數據的中轉，主要任務是為各個傳感器分配地址，建立和維護網絡；上位機負責數據的接收、存儲，并能根據設置的參數進行預警作用。傳感器節點由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。為了提高節點間的通信距離，需要在發射器的輸出端和發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、控制開關器和協調器都是獨立設計的，利于節點的重復使用，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射及接收電磁波特別強，而在其他的方向上發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，大大減少節點之間的信號干擾，增大了數據的傳輸距離和數據傳送效率，降低信號傳輸的時延和節點的功耗、提高空間復用度，能夠使多個節點同時傳輸，空間復用率高。并且通過定向天線傳輸增加額外增益能夠實現WSN節點的遠距離通信，協議可靠性高，時延小，有效提高了WSN網絡吞吐量。
2．3節點軟件系統的組成
軟件的設計主要由傳感器節點軟件、控制開關器軟件、監測軟件組成，除監測軟件外，所有程序采用C語言編程實現，監控軟件采用eclipse軟件結合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動、數據采集和通信協議。
2．4通信協議
2．4．1通信算法
針對養殖環境參數監測過程中存在有障礙物影響，會導致傳輸距離受限制、監測精度不高等結果，因此設計了傳輸通信協調。通信協議算法主要包含四個階段：初始化階段、路由發現階段、數據傳輸階段、路由重發現。
1）初始化階段
當系統啟動時，設置一個啟動定時器tt1時間，當tt1時間到達后，節點就定期時間（tt2時間內）向周圍節點發送信號HELLO信息，發送HEL－LO信息后就等待回復號RET信息，如果在tt2時間內收到周圍節點的RET信息，標注節點已被發現。同時，周圍節點在收到HELLO信息后，就會把此節點作為鄰節點保存在臨時列表中，在tt3時間內向發送節點發送RET信息。如果此節點在自己的通信范圍內，就作為自己的鄰節點保存在正式鄰點列表中，否則拋棄此節點。
2）路由發現階段
每個節點計算鄰居節點的數量，并且根據本身的能量、與基站節點的距離、整個網絡節點的均衡等因素，設置成為初始的簇頭節點，各個簇頭負責簇內數據的采集。除此，各個簇頭之間，為了保證路由的可靠性和降低傳輸數據消耗的能量，采用單跳或多跳的傳輸方式傳輸數據。如果簇頭節點在基站的接收范圍內，就直接把數據傳送給基站，如果不在基站接收范圍內，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據到基站。
3）數據傳輸階段
當網絡進入穩定狀態，簇內成員節點將采集的數據傳送給簇頭節點，為了避免數據冗余，簇頭節點進行數據融合后發送給基站。數據會按照設計的數據傳送格式進行傳輸。
4）路由重發現階段
由于能量的限制，如果一直保持原路由進行數據傳輸，就會導致節點能量過多而不能工作，從而破壞整個網絡的正常運行。考慮到簇頭在網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、邊緣位置、閾值能量。選舉系數決定簇頭選舉的時間和更換的輪數，設置合理可行的選舉系數保證整個網絡性能；處于邊緣位置的節點若成為簇頭，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，導致很多節點不能成為簇頭，勢必會因數據傳輸距離過遠，導致網絡的不穩定。所以，簇頭更換策略是當簇頭的滿足選舉系統時，進入到簇頭更換，此時選取出簇內具有最大剩余能量的節點，判斷此節點是否處于邊緣位置，如果處于邊緣位置，繼續尋找簇內第二大剩余能量節點，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點為新一輪的新簇頭，并向周圍所有的節點發送成為簇頭的標志信息，重新進行簇內成員的構建，再形成新的路由進行數據的傳輸。
2．4．2MAC協議
基于定向天線的MAC協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獲得鄰節點的信息，RTS需要硬件設備獲取鄰節點的位置信息，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點等問題，從而降低了MAC的性能。為了解決這個問題，可以結合定向虛擬載波偵聽（DVCS）機制、使用多跳、SDMA（空分多址）等的優點，充分利用定向天線的優勢。
2．4．3數據通信格式
考慮到數據通信過程中的可靠性和安全性，設置了數據通信格式。1）傳感器節點到協調器的數據格式。數據格式定義如：Head＋len＋data＋stx。其中：Head（2byte），固定為0xFF，0XFE；Len（1byte），data的字節數；Data：數據域———2byte本機地址＋2byte父節點地址＋nbyte傳感器數據（n大于等于2）；stx（2byte），固定為0x0D，0X0A。具體發送命令如：FFFE0800010000031200000D0A。其中：FFFE為固定數據頭；08為數據長度；0001為本機地址（子節點地址）；0000為父節點地址；03為傳感器類型；12為傳感器數據，1Lsb＝0．1，如0x10表示1．8；0D0A為數據的結束標志。2）協調器發往監測軟件的數據格式。數據格式定義如：FFFD000430300000hhhhhh。其中：byte1byte2：傳感器端數據發送的固定頭，固定為FFFD；byte3：數據類型的標識，00為H2S傳感器的數據，01為溫濕度感測器的數據，02為NH3感測器的數據；byte4為傳感數據長度（統一為04）；byte4～byte7：為傳感器數據；Byte9～byte10：保留；byte11：byte1—byte10校驗值（相加取低8位）。
2．5網絡構建系統上電后
協調器進行搜索并尋找合理的信道，完成系統初始化和建立網絡的任務。各個傳感器節點通電后，掃描信道，尋找協調器，并加入到網絡中。加入網絡后，則開始采集環境數據，傳輸給協調器，協調器接收各個節點的數據，判定其格式正確后，將其傳輸給監測軟件。
2．6監控軟件設計
以eclipse軟件為開以平臺，結合android－sdk完成監控軟件的開發。Android系統是一個源碼公開、開放和完整的軟件，是由操作系統、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。在系統的設計中，應用到了Activity、Intent、Service、An－droidUI、多線程等技術。本系統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動，包括打開串口、關閉串口、發送串口信息、接收串口信息以及異步方式讀取傳感器數據等；主界面內容顯示，包含各種傳感器數據顯示、控制開關器的控制等信息。監控軟件接收到數據時首先要對數據的格式進行分析，判定數據格式正確后，確定是哪個傳感器的數據，然后進行數據處理，計算結果，在相應界面位置顯示數值；把結果與設定的數值進行比較，如果不在設置數值范圍內，就進行報警，并把報警信息通過串口發送到協調器，協調器再轉發到控制開關器，驅動通風設備工作。
3系統的應用
根據設計的要求，系統設計完成并搭建，在豬舍做了相應的實驗和相關的測試，系統測試結果說明，系統實現相應功能，成功讀取相應的環境數據。主界面運行顯示圖中是各個傳感器終端節點采集發送回來的數值顯示和通風設備工作狀態情況。可以通過“菜單鍵”設置邏輯狀態的“關閉”和“啟動”在邏輯狀態都已關閉情況下，只能顯示所有傳感器的數據和此時通風設備工作狀態，不能達到超限預警的效果。為了能實現環境參數監測的自動控制，必須要開啟所有的邏輯狀態。通過“菜單鍵”設置溫度、濕度、H2S氣體和NH3氣體的范圍，當采集數據中任一參數超出范圍，都可以自動開啟和關閉通風設備，達到自動控制效果。H2S和NH3參數范圍設置的標準是依據《農產品安全質量無公害畜禽產地環境要求（GB／T18407．3—2001）中的標準來設置，H2S和NH3應控制在10、25mg•m－3以下。根據相關研究表明，豬舍最適宜的溫度為8℃～20℃，相對濕度根據豬體質量類型的不同一般為65％～85％。
4結論
本文設計了一款適合應用于生豬養殖環境參數的無線傳感器網絡節點，并通過定向天線無線傳感網絡進行實時參數采集。試驗結果表明該系統可以將生豬養殖環境參數進行實時的監控，并可以通過人為干預或者自動方式改變豬舍中相關環境參數，改善養殖環境質量，為生豬提供一個良好的生長環境，達到了預期效果。
作者：黃鶯單位：柳州鐵道職業技術學院電子技術學院
