摘要：无线传感器网络（WSN）在智能农业发展中具有良好技术优势和广阔应用前景，作为连接外界应用系统的桥梁，网关在WSN中具有重要作用。针对传统网关设备主要基于平面路由组网方法，单一接收汇聚节点数据并进行转发的特点，本文基于分簇路由算法的思想，设计了一种能量自给且融合汇聚节点功能的网关，提高了网关数据传输效率和丢包率。针对稻田环境信息采集特点，设计了混合天线分簇组网方法，结合此网关和组网方法进行了稻田环境组网试验，试验结果表明：网络丢包率为3.8%，网关数据传输效率提高了300%，为大覆盖区域稻田的远程监测提供了一种可靠的解决方案。
关键词：无线传感器网络 网关设计 分簇路由 稻田
中图分类号：TN92；TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）03-0000-00
Abstract：Wireless sensor network （WSN） has unparalleled advantages and broad prospects in development of intelligent agriculture. As the bridge linking to external application system， gateway plays an important role in WSN. Different from the characteristics of traditional gateway equipment that mainly based on the planar routing network method and singly receiving and forwarding the data of sink node， in this paper a gateway that possesses energy self-sufficiency and fusing sink node function was designed based on clustering routing algorithm， which can improve the efficiency of data transmission and packet loss rate. Meanwhile， for the characteristics of large planting area， long monitoring cycle and strong interference to wireless signal transmission in the process of paddy environmental information collection， a clustering network method based on hybrid antenna was designed， and the paddy networking test was conducted combining with the gateway and networking method. Test result shows that the network packet loss rate is less than 3.8%， and the data transmission efficiency of gateway increased by 300%， This study could provide a reliable solution to the remote monitoring of large coverage area paddy.
Key words： Wireless Sensor Network （WSN）， Gateway Design， Clustering Routing， Paddy Fields
作为我国主要粮食作物之一，水稻在我国粮食结构中处于举足轻重的地位[1-2]，其种植面积和产量都位居世界第1位。及时准确地获取并远程传输稻田环境信息，对提高其产量和效益都起着至关重要的作用。无线传感器网络（Wireless sensor network， WSN）具有低功耗、低成本、高可靠性等特点，是可应用于农业领域的一种新型的信息获取和处理技术[3]，应用该技术获取农田环境信息，在国内外已有很多成功实例[4-8]。
作为网络间的协议转换器，网关在无线传感器网络中地位特殊，作用关键，具着不同网络类型网络路由器、全网数据聚集、存储、处理等功能，是网络间连接的不可缺少的纽带。高效稳定是网关节点设计的重要性能指标之一。
在生产应用中，研究人员已设计多种网关应用于不同的环境。其中，在环境监测[9]、农田环境[10-14]和水产养殖[15-16]方面，国内外已进行了相关研究。然而网关缺少多种通信方式的切换和能量的自我补给，且组网方式多为星型[17]和树型[18]，不适合稻田环境的大面积应用特点。基于此，本研究设计基于分簇路由的融合汇聚节点功能且能量自给的网关，并在此基础上进行组网优化。
1 硬件设计
网关的主要任务是完全接收所有稻田环境监测节点的数据信息，进行本地存储并远程发送至远程数据监测中心。网关主要由处理器模块、无线通信模块、GPRS 模块、存储模块、电源模块和充电模块构成，其总体结构如图1所示。
图1 网关总体结构框图
处理器模块选用MSP430F149芯片，在节电模式下其工作电流下降至0.1μA，降低网关总功耗；无线通信模块选用nRF905芯片，功耗低且发射功率和发射频段可调，本设计工作在915 MHz频段；GPRS 模块选用MC55芯片设计，内置TCP/IP协议栈，可通过AT指令控制网络的连接与数据的收发；存储模块采用SD卡设计，将数据本地保存，保证数据存储的完整性；电源模块采用2节锂电池串联构成；充电模块采用太阳能电池对主板电路充电，选用BQ2057w芯片进行充电管理，最大充电电流达到0.7A，保证了网关的长时间工作。
2 软件设计
软件设计是网关的灵魂，控制着网关工作流程与数据流向。软件包括硬件驱动程序、网络拨号程序、数据转换协议和应用程序。
硬件驱动程序处于程序的最底层，包括处理器模块MSP430F149、无线通信模块nRF905与GPRS模块MC55的初始化。拨号程序用于GPRS网络的拨号，通过申请一个IP地址后对一个服务器进行申请连接，连接成功后试发一组数据，试发成功后说明路由正确。数据转换协议负责把监测节点的数据信息转换成服务器数据的格式，同时把服务器的指令转换为节点可识别的字码，保证透明传输。应用程序组合上述所有程序模块，管理网关的工作步调。软件结构如图2所示。
图2 网关软件结构
3 组网试验
3.1 组网要求
组网包括节点组网和网关部署。节点组网要综合考虑节点与节点、节点与网关之间的的最大通信距离。网关部署的位置关系到网络的稳定性与能量的均衡，至少要考虑如下3个限制因素：（1）网关最大流量限制，同时到达网关的数据量不能超过网关的吞吐量；（2）节点与节点、节点与网关之间的距离不能大于最大通信距离，保证节点信息可以到达网关，即二端可靠性；（3）网关应具有良好的数据融合及转发功能。
3.2 组网模型
稻田环境信息采集存在生长周期长、环境干扰大等特点，且能量受限是无线传感器网络的主要挑战之一，基于此，本研究以土壤含水率、空气温湿度为监测目标，设计了一种混合天线WSN稻田环境信息实时监测系统，采用分簇路由协议进行组网，为不同节点配置不同类型天线，以扩大网络的覆盖范围和提高系统的稳定性。组网模型结构框图如图3所示。
网关与服务器的通信采用C/S（Client/Server）架构，服务器接于有公网IP的路由器上且时刻处于侦听状态，网关发送数据时对服务器提出连接申请。路由设置是保证连接成功与网关正确发送数据的关键。方法是先在局域网为服务器设置一个静态IP，在路由器的虚拟服务中添加一条转发规则，转发端口为服务器接收程序的端口，地址为上述所设置的静态IP，最后在路由器上登录，把IP 绑定自己的域名，网关访问所绑定的域名即可向服务器发送数据。通过GPRS模块网关节点接入Internet网络，将网络采集数据传输至远程数据监测中心，其程序流程图如图4所示。
图3 组网模型结构框图
图4 网关节点程序流程图
3.3 组网试验
试验于2013年10月在华南农业大学岑村水稻试验田进行，利用本文设计的组网方法及网关，对网络数据丢包率进行了测试，从而验证系统网络传输的稳定性和可靠性（如表1）。
表1 网络丢包率统计结果
簇编号
传感器节点编号
发送数据包数
簇头接收数据包数
网关节点接收数据包数
网关节点转发数据包数
丢包率/%
1
1
960
950
950
950
1.04
2
960
950
949
949
1.15
3
960
948
948
948
1.25
4
960
952
950
950
1.04
2
1
960
954
954
954
0.62
2
960
951
951
950
1.04
3
960
953
950
950
1.04
4
960
948
948
948
1.25
3
1
960
942
942
942
1.88
2
960
943
943
941
1.98
3
960
951
951
950
1.04
4
960
950
948
948
1.25
4
1
960
946
946
946
1.46
2
960
950
949
948
1.25
3
960
944
942
940
2.08
4
960
948
948
946
1.46
平均值
960
948.8
948.1
947.5
1.30
4 结语
针对稻田应用环境监测特点及现有网关应用所存在的问题，本文设计了一款适用于稻田环境监测的无线传感器网络网关节点，并基于混合天线分簇路由组网模型进行组网试验，试验结果表明网关运行稳定，网络数据平均丢包率为1.3%，满足稻田环境监测的需要，实现了对稻田环境参数的远程监测。
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收稿日期：2016-01-21
基金项目：广东省自然科学基金项目（2014A030313451）；广东省科技计划项目（2015A020209013）。
作者简介：孙宝霞（1981—），女，天津人，博士，讲师，主要从事电子信息技术在农业上应用研究。
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