定向天线技术环境监测论文
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一系统的实现
2．1系统硬件设计
系统硬件主要由传感器节点、协调器、控制开关器和上位机组成。传感器节点由传感器、处理芯片、及通信模块组成，主要有温湿度传感器、H2S气体传感器、NH3气体传感器等；控制开关器主要是由主芯片、继电器电路、接收通信模块组成，主要用于控制通风设备的工作状态；协调器负责网络的建立维护和数据的中转，主要任务是为各个传感器分配地址，建立和维护网络；上位机负责数据的接收、存储，并能根据设置的参数进行预警作用。传感器节点由MSP430系列处理器模块、无线通信模块、串口通信模块、传感器模块、电源模块和其它扩展模块组成。选取MSP430系列处理器主要考虑低功耗。为了提高节点间的通信距离，需要在发射器的输出端和发射天线之间增加一个功率放大器，并且采用定向传输技术。各种传感器模块、控制开关器和协调器都是独立设计的，利于节点的重复使用，提高灵活度。
定向天线（Directionalantenna）是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。定向天线具有增益高、方向性好等特点，能够有效抑制干扰信号，大大减少节点之间的信号干扰，增大了数据的传输距离和数据传送效率，降低信号传输的时延和节点的功耗、提高空间复用度，能够使多个节点同时传输，空间复用率高。并且通过定向天线传输增加额外增益能够实现WSN节点的远距离通信，协议可靠性高，时延小，有效提高了WSN网络吞吐量。
2．3节点软件系统的组成
软件的设计主要由传感器节点软件、控制开关器软件、监测软件组成，除监测软件外，所有程序采用C语言编程实现，监控软件采用eclipse软件结合an－droid－sdk完成。各个应用程序主要由各个传感器硬件模块的驱动、数据采集和通信协议。
2．4通信协议
2．4．1通信算法
针对养殖环境参数监测过程中存在有障碍物影响，会导致传输距离受限制、监测精度不高等结果，因此设计了传输通信协调。通信协议算法主要包含四个阶段：初始化阶段、路由发现阶段、数据传输阶段、路由重发现。
1）初始化阶段
当系统启动时，设置一个启动定时器tt1时间，当tt1时间到达后，节点就定期时间（tt2时间内）向周围节点发送信号HELLO信息，发送HEL－LO信息后就等待回复号RET信息，如果在tt2时间内收到周围节点的RET信息，标注节点已被发现。同时，周围节点在收到HELLO信息后，就会把此节点作为邻节点保存在临时列表中，在tt3时间内向发送节点发送RET信息。如果此节点在自己的通信范围内，就作为自己的邻节点保存在正式邻点列表中，否则抛弃此节点。
2）路由发现阶段
每个节点计算邻居节点的数量，并且根据本身的能量、与基站节点的距离、整个网络节点的均衡等因素，设置成为初始的簇头节点，各个簇头负责簇内数据的采集。除此，各个簇头之间，为了保证路由的可靠性和降低传输数据消耗的能量，采用单跳或多跳的传输方式传输数据。如果簇头节点在基站的接收范围内，就直接把数据传送给基站，如果不在基站接收范围内，就计算各个簇头离基站的位置、本身剩余的能量，保证传输消耗能量最低原则，采用多跳方式传输数据到基站。
3）数据传输阶段
当网络进入稳定状态，簇内成员节点将采集的数据传送给簇头节点，为了避免数据冗余，簇头节点进行数据融合后发送给基站。数据会按照设计的数据传送格式进行传输。
4）路由重发现阶段
由于能量的限制，如果一直保持原路由进行数据传输，就会导致节点能量过多而不能工作，从而破坏整个网络的正常运行。考虑到簇头在网络运行中承担更重任务，设计簇头更换策略。簇头更换策略主要取决于三个因素：选举系数、边缘位置、阈值能量。选举系数决定簇头选举的时间和更换的轮数，设置合理可行的选举系数保证整个网络性能；处于边缘位置的节点若成为簇头，会因传输距离太远，容易耗尽能量而死亡；阈值能量设置得太大，导致很多节点不能成为簇头，势必会因数据传输距离过远，导致网络的不稳定。所以，簇头更换策略是当簇头的满足选举系统时，进入到簇头更换，此时选取出簇内具有最大剩余能量的节点，判断此节点是否处于边缘位置，如果处于边缘位置，继续寻找簇内第二大剩余能量节点，一直到不处于边缘位置为此，然后判定其剩余能量是否大于阈值能量，如果满足则设置此节点为新一轮的新簇头，并向周围所有的节点发送成为簇头的标志信息，重新进行簇内成员的构建，再形成新的路由进行数据的传输。
2．4．2MAC协议
基于定向天线的MAC协议主要使用两种方式：使用RTS／CTS握手方式和不使用RTS／CTS握手方式。前者使用RTS获得邻节点的信息，RTS需要硬件设备获取邻节点的位置信息，后者则使用了音的信号帧，但是这两种方式会带来隐藏终端和聋节点等问题，从而降低了MAC的性能。为了解决这个问题，可以结合定向虚拟载波侦听（DVCS）机制、使用多跳、SDMA（空分多址）等的优点，充分利用定向天线的优势。
2．4．3数据通信格式
考虑到数据通信过程中的可靠性和安全性，设置了数据通信格式。1）传感器节点到协调器的数据格式。数据格式定义如：Head＋len＋data＋stx。其中：Head（2byte），固定为0xFF，0XFE；Len（1byte），data的字节数；Data：数据域———2byte本机地址＋2byte父节点地址＋nbyte传感器数据（n大于等于2）；stx（2byte），固定为0x0D，0X0A。具体发送命令如：FFFE0800010000031200000D0A。其中：FFFE为固定数据头；08为数据长度；0001为本机地址（子节点地址）；0000为父节点地址；03为传感器类型；12为传感器数据，1Lsb＝0．1，如0x10表示1．8；0D0A为数据的结束标志。2）协调器发往监测软件的数据格式。数据格式定义如：FFFD000430300000hhhhhh。其中：byte1byte2：传感器端数据发送的固定头，固定为FFFD；byte3：数据类型的标识，00为H2S传感器的数据，01为温湿度感测器的数据，02为NH3感测器的数据；byte4为传感数据长度（统一为04）；byte4～byte7：为传感器数据；Byte9～byte10：保留；byte11：byte1—byte10校验值（相加取低8位）。
2．5网络构建系统上电后
协调器进行搜索并寻找合理的信道，完成系统初始化和建立网络的任务。各个传感器节点通电后，扫描信道，寻找协调器，并加入到网络中。加入网络后，则开始采集环境数据，传输给协调器，协调器接收各个节点的数据，判定其格式正确后，将其传输给监测软件。
2．6监控软件设计
以eclipse软件为开以平台，结合android－sdk完成监控软件的开发。Android系统是一个源码公开、开放和完整的软件，是由操作系统、用户界面中间件和重要应用程序组成，得到手机运营商的广泛使用。在系统的设计中，应用到了Activity、Intent、Service、An－droidUI、多线程等技术。本系统主要由以下几个方面组成：Android软件与硬件传感器通信的底层驱动，包括打开串口、关闭串口、发送串口信息、接收串口信息以及异步方式读取传感器数据等；主界面内容显示，包含各种传感器数据显示、控制开关器的控制等信息。监控软件接收到数据时首先要对数据的格式进行分析，判定数据格式正确后，确定是哪个传感器的数据，然后进行数据处理，计算结果，在相应界面位置显示数值；把结果与设定的数值进行比较，如果不在设置数值范围内，就进行报警，并把报警信息通过串口发送到协调器，协调器再转发到控制开关器，驱动通风设备工作。
3系统的应用
根据设计的要求，系统设计完成并搭建，在猪舍做了相应的实验和相关的测试，系统测试结果说明，系统实现相应功能，成功读取相应的环境数据。主界面运行显示图中是各个传感器终端节点采集发送回来的数值显示和通风设备工作状态情况。可以通过“菜单键”设置逻辑状态的“关闭”和“启动”在逻辑状态都已关闭情况下，只能显示所有传感器的数据和此时通风设备工作状态，不能达到超限预警的效果。为了能实现环境参数监测的自动控制，必须要开启所有的逻辑状态。通过“菜单键”设置温度、湿度、H2S气体和NH3气体的范围，当采集数据中任一参数超出范围，都可以自动开启和关闭通风设备，达到自动控制效果。H2S和NH3参数范围设置的标准是依据《农产品安全质量无公害畜禽产地环境要求（GB／T18407．3—2001）中的标准来设置，H2S和NH3应控制在10、25mg•m－3以下。根据相关研究表明，猪舍最适宜的温度为8℃～20℃，相对湿度根据猪体质量类型的不同一般为65％～85％。
4结论
本文设计了一款适合应用于生猪养殖环境参数的无线传感器网络节点，并通过定向天线无线传感网络进行实时参数采集。试验结果表明该系统可以将生猪养殖环境参数进行实时的监控，并可以通过人为干预或者自动方式改变猪舍中相关环境参数，改善养殖环境质量，为生猪提供一个良好的生长环境，达到了预期效果。
作者：黄莺单位：柳州铁道职业技术学院电子技术学院
