摘  要： 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Ad Hoc自組網(wǎng)技術(shù)及AODV技術(shù)，結(jié)合適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)穆酚商攸c(diǎn)，完成了農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的路由報(bào)文設(shè)計(jì)，并給出了按需平面距離矢量路由協(xié)議（AODV）的工作流程。該方案具有體積小、成本低、功耗低的特點(diǎn)，支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以快速組網(wǎng)，順利讀取農(nóng)業(yè)環(huán)境的土壤溫度、濕度、光照等信息。
關(guān)鍵詞： ZigBee；路由協(xié)議；AODV；網(wǎng)狀網(wǎng)；農(nóng)業(yè)信息

    隨著信息化和數(shù)字化在全球范圍內(nèi)的普及與應(yīng)用，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)也向著數(shù)字化農(nóng)業(yè)方向轉(zhuǎn)變，其核心是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。因此信息的實(shí)時(shí)采集、迅速傳輸與及時(shí)分析、處理就顯得非常重要。農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)傳輸具有需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多、要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高、要求設(shè)備成本低、體積很小、不便放置較大的充電電池或者電源模塊、電池供電、地形復(fù)雜、監(jiān)測點(diǎn)多、需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋等特點(diǎn)[1]。另外，現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋盲區(qū)，使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)效果差或成本太高。目前，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee技術(shù)以其設(shè)備成本低、電池壽命長、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活等獨(dú)特的優(yōu)勢，在家居智能化、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，所以基于ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)方案在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用就顯得很有必要。
    ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組網(wǎng)方式，有終端節(jié)點(diǎn)的加入和退出，網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)調(diào)整通信連接方式，核心是路由路徑的重新選擇。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有樹狀網(wǎng)、星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，在一個(gè)協(xié)調(diào)器管理的范圍內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)都通過自動(dòng)選擇的路由或預(yù)先設(shè)定的路由與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)命令的交換。農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)中，每塊試驗(yàn)田被設(shè)置為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由均設(shè)計(jì)為按需路由方式，也就是按需距離矢量路由協(xié)議AODV(Ad Hoc on-demand Distance Vector)[2]。本文在熟悉AODV的基礎(chǔ)上，給出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)框圖，進(jìn)行了無線網(wǎng)絡(luò)中按需距離矢量的路由設(shè)計(jì)，并給出了協(xié)議的工作流程。
1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)中，將每塊試驗(yàn)農(nóng)田設(shè)置成一個(gè)獨(dú)立的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[3]，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)（即協(xié)調(diào)器端），其他終端節(jié)點(diǎn)(由MCU和無線收發(fā)芯片構(gòu)成)都設(shè)置為具有路由器功能的路由節(jié)點(diǎn)，并連接有土壤PH值、氮濃度計(jì)、大氣溫濕度等傳感器。這些不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，彼此間通過ZigBee無線方式連接，然后將檢測到的數(shù)據(jù)資料匯集到ZigBee中心節(jié)點(diǎn)。由于每塊試驗(yàn)田的中心節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程中央控制中心均配置有GPRS模塊，所以中心節(jié)點(diǎn)就會(huì)將收集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信方式傳輸?shù)街醒肟刂浦行模?jīng)由系統(tǒng)軟件對該控制中心所管轄的農(nóng)田參數(shù)進(jìn)行綜合分析，并做出相應(yīng)控制決策。
    本文給出了如圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊、FFD路由器節(jié)點(diǎn)模塊和GPRS模塊采用相同的硬件和軟件設(shè)計(jì)。不同的是GPRS模塊通過在硬件中采用跳線的方式來選擇無線模塊工作在主協(xié)調(diào)器模式還是從路由器模式，以達(dá)到增強(qiáng)無線模塊的通用性、靈活性和節(jié)約成本的目的。系統(tǒng)工作時(shí)，由ZigBee協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。首先，ZigBee協(xié)調(diào)器會(huì)在允許的通道內(nèi)搜索其他的ZigBee協(xié)調(diào)器。并基于每個(gè)允許通道中所檢測到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號，選擇唯一的16 bit PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)。一旦一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)被建立，ZigBee路由器與終端設(shè)備就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中，從而在ZigBee無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、傳輸及控制[4]。各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是本系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在對比了多種路由協(xié)議后，本文選擇按需距離矢量路由協(xié)議AODV完成本系統(tǒng)的路由設(shè)計(jì)。

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由報(bào)文設(shè)計(jì)
    AODV(Ad Hoc on-Demand Distance Vector)是基于距離矢量算法的路由協(xié)議，它是DSR和DSDV結(jié)合生成的一種按需路由協(xié)議，綜合運(yùn)用了DSR路由發(fā)現(xiàn)/查找/維護(hù)和DSDV跳計(jì)數(shù)（hop-by-hop）、序列號和周期更新的原理機(jī)制。AODV協(xié)議只保持需要的路由信息，不需要節(jié)點(diǎn)維持通信過程中未激活到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，因此在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生快速變化或者鏈接中斷的情況下能夠快速收斂響應(yīng)和修復(fù)中斷的鏈路[5]。其特點(diǎn)是：通過使用目的節(jié)點(diǎn)序列號可有效降低閉環(huán)路由發(fā)生概率，解決基于距離矢量路由算法存在無限跳計(jì)數(shù)的問題。由于需要周期性地廣播報(bào)文分組和路由信息，以解決路由失效的問題，因此會(huì)帶來較大的協(xié)議開銷。
    本系統(tǒng)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的路由可以有多個(gè)，路由表的維護(hù)也比較復(fù)雜，為此對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由請求、路由應(yīng)答、路由錯(cuò)誤及修復(fù)、路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的數(shù)據(jù)格式采用了雙字設(shè)計(jì)，便于路由識別和擴(kuò)展[6]。
2.1 ZigBee路由請求RREQ報(bào)文設(shè)計(jì)
    路由請求（RREQ）報(bào)文的字段設(shè)計(jì)如表1所示，其中各部分的含義：J為路由加入標(biāo)記位，用于組播字段時(shí)多目標(biāo)傳輸標(biāo)記；R為路由有效標(biāo)記(1表示路由有效)；G為無請求路由應(yīng)答標(biāo)識位，此位置為1，表示RREQ報(bào)文被中間節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，并使中間節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)單播一個(gè)RREQ報(bào)文；置0，表示不需要中間節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。D為單個(gè)目的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位，表示只有一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)可以對RREQ報(bào)文分組做出響應(yīng)；U為未知目的地標(biāo)識位，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)序列號未知時(shí)置為1；Reserved為12位二進(jìn)制保留位，發(fā)送時(shí)設(shè)0，接收時(shí)對其不作處理；Hop count為跳計(jì)數(shù)，記錄RREQ從信源到應(yīng)答節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的跳計(jì)數(shù)，長為1 B，8位二進(jìn)制；RREQ ID為報(bào)文分組標(biāo)記，設(shè)定為2 B，32位二進(jìn)制，Destination IP address為32位二進(jìn)制目的節(jié)點(diǎn)IP地址，Destination sequence number是路由進(jìn)程中存儲的目的節(jié)點(diǎn)最新序列號， Originator IP address是廣播RREQ報(bào)文分組的信源節(jié)點(diǎn)IP地址，Originator sequence number是信源節(jié)點(diǎn)序列號，均為32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。

2.2 ZigBee路由應(yīng)答RREP報(bào)文設(shè)計(jì)
    RREP路由應(yīng)答報(bào)文分組格式如表2所示，其中R為路由修復(fù)標(biāo)記，用于組播字段；A為需要確認(rèn)標(biāo)記，表示是否需要確認(rèn)收到RREP報(bào)文分組；Prefix size為預(yù)置數(shù)據(jù)長度，長為1 B； Hop count為1 B跳計(jì)數(shù)，記錄從信源到相鄰或中間節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的跳計(jì)數(shù)值；Destination IP address為目的節(jié)點(diǎn)IP地址，數(shù)據(jù)長度為2 B；Originator IP address為雙字長度的信源IP地址，也是廣播RREQ報(bào)文分組的節(jié)點(diǎn)IP地址，Life time為路由存活時(shí)間。

2.3 ZigBee路由錯(cuò)誤RERR報(bào)文設(shè)計(jì)
    RERR報(bào)文分組格式如表3所示，各個(gè)部分的含義為：N為不刪除路由標(biāo)志，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)正在對一條鏈路路由進(jìn)行本地修復(fù)時(shí)，設(shè)置N為1，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的上行節(jié)點(diǎn)不刪除本條路由；Unreachable destination count為不能到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)長度為2 B，表示RERR報(bào)文分組不能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)值至少要為1；Unreachable destination sequence number為不能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)序列號，數(shù)據(jù)長度為2 B，是路由表中保存的原先不能到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的序列號；Unreachable destination IP address數(shù)據(jù)長度為雙字，表示由于鏈路中斷，不能到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)的IP地址。

2.4 ZigBee路由應(yīng)答反饋RREP-ACK報(bào)文設(shè)計(jì)
    RREP-ACK路由應(yīng)答認(rèn)可報(bào)文分組格式如表4所示。當(dāng)一個(gè)RREP中的控制位(A)被設(shè)置為1時(shí)，給RREP回傳一個(gè)路由應(yīng)答認(rèn)可報(bào)文分組(Route Reply Acknowledgement)。如果存在單向鏈路影響干擾路由尋找進(jìn)程時(shí)，也會(huì)發(fā)送RREP-ACK報(bào)文分組，以免形成路由環(huán)路。該應(yīng)答格式中TYPE 為1 B的數(shù)據(jù)類型，Reserved為擴(kuò)展保留位，長為3 B。

3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路由過程設(shè)計(jì)
    本文對路由報(bào)文的設(shè)計(jì)是根據(jù)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信特點(diǎn)和要求進(jìn)行的，試驗(yàn)田內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離較長，而數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的路由選擇不是唯一的。ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)之間是網(wǎng)狀網(wǎng)，任意一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)為信源節(jié)點(diǎn)。
    本文設(shè)計(jì)的AODV協(xié)議對路由表的管理，若存在壽命周期較短或者接收RREQ和轉(zhuǎn)發(fā)RREP時(shí)建立的臨時(shí)路由，也應(yīng)相應(yīng)建立和維護(hù)其路由表信息。路由表建立后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)路由、管理路由表。當(dāng)拋棄路由或者路由失效時(shí)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)刪除對應(yīng)的路由表；當(dāng)發(fā)生鏈路斷開情況時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)發(fā)出路由錯(cuò)誤RERR并通知其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由修復(fù)，重新建立信源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。下面給出路由過程設(shè)計(jì)。
3.1 ZigBee廣播路由查找建立過程
    報(bào)文廣播路由查找建立過程如圖2所示。如果節(jié)點(diǎn)1（信源節(jié)點(diǎn)）到節(jié)點(diǎn)7（目的節(jié)點(diǎn)）之間一開始就有相互可到達(dá)的有效路由信息，則AODV路由查找進(jìn)程不起作用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)1沒有到達(dá)節(jié)點(diǎn)7的有效路由信息時(shí)，信源便啟動(dòng)廣播路由請求RREQ報(bào)文分組查找路由的過程，信源廣播RREQ包含信源地址、信源序列號、目的節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)序列號和跳計(jì)數(shù)等參數(shù)。相鄰節(jié)點(diǎn)4、6在收到RREQ時(shí)，則建立或更新到達(dá)信源的反向路由信息，并經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)4、6到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)7。目的節(jié)點(diǎn)7收到RREQ后，通過相鄰節(jié)點(diǎn)4、6轉(zhuǎn)發(fā)RREP至信源。信源為尋找有效路由，會(huì)沿多條路徑廣播RREQ，RREP則沿著建立好的反向路徑（節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)4）轉(zhuǎn)發(fā)至信源，同時(shí)對中間節(jié)點(diǎn)路由表信息進(jìn)行更新，以此建立信源節(jié)點(diǎn)1—節(jié)點(diǎn)4—節(jié)點(diǎn)6—目的節(jié)點(diǎn)7的一條有效報(bào)文分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由信息傳遞路徑。

3.2 ZigBee路由鏈路中斷修復(fù)過程
    當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓溌钒l(fā)生中斷，如圖3所示，目的節(jié)點(diǎn)7與節(jié)點(diǎn)6發(fā)生鏈路中斷。實(shí)線代表轉(zhuǎn)發(fā)鏈路方向，虛線代表RERR轉(zhuǎn)發(fā)或廣播方向。

    若目的節(jié)點(diǎn)7與節(jié)點(diǎn)6發(fā)生鏈路中斷，節(jié)點(diǎn)6將按照AODV協(xié)議路由機(jī)制，轉(zhuǎn)發(fā)RERR。節(jié)點(diǎn)6將RERR轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)5，維護(hù)路由表的節(jié)點(diǎn)收到RERR，更新路由表信息，將目的節(jié)點(diǎn)7與節(jié)點(diǎn)6之間的路由設(shè)置為無效，節(jié)點(diǎn)4在收到路由更新信息后，停止對節(jié)點(diǎn)6的RREQ轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)將RERR繼續(xù)廣播至網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

    AODV協(xié)議通過路由信息更新和廣播RERR的方式將路由鏈路中斷的情況播報(bào)給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如圖5所示，實(shí)線代表RREQ重新廣播方向，虛線代表RREP應(yīng)答方向。通過向全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播RERR，信源知道原傳輸路徑(信源節(jié)點(diǎn)1—節(jié)點(diǎn)4—節(jié)點(diǎn)6—目的節(jié)點(diǎn)7)已經(jīng)發(fā)生了鏈路中斷，所以信源重新發(fā)起路由查找過程，建立新的路徑(信源節(jié)點(diǎn)1—節(jié)點(diǎn)3—節(jié)點(diǎn)5—節(jié)點(diǎn)6—目的節(jié)點(diǎn)7)，完成鏈路中斷修復(fù)的過程。

    本系統(tǒng)在試驗(yàn)田設(shè)置的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)都是具有路由功能的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)狀網(wǎng)自組網(wǎng)時(shí)，路由比較靈活，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的路由可能有多條，因此還應(yīng)考慮路由優(yōu)化的設(shè)計(jì)。為了在試驗(yàn)中優(yōu)先保證路由暢通，本文未實(shí)現(xiàn)理想的路由最佳化。
    在對用于農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的AODV路由報(bào)文設(shè)計(jì)時(shí)做了擴(kuò)展預(yù)留，對地址等信息設(shè)置了較長的數(shù)據(jù)位數(shù)，以便系統(tǒng)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)時(shí)方便。本系統(tǒng)采用的路由方案成本低、功耗小、組網(wǎng)靈活，特別適合農(nóng)業(yè)信息傳遞所遇到的地形復(fù)雜，低成本和數(shù)據(jù)傳輸速率不高的特點(diǎn)。
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