温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器.pdf

2 0 1 0年 7月农 业 机 械 学 报第 41卷 第 7期DO I:10.3969/.j issn.1000?1298.2010.07.038温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器*韩安太1?郭小华2?孙延伟1(1?中国计量学院电工与电子技术研究所,杭州 310018;2?杭州职业技术学院友嘉机电学院,杭州 310018)?摘要?针对基于无线传感器网络构建的温室环境监控系统的整体性能受时变传输延时、丢包、网络拥塞、延时抖动等不利网络属性的影响,提出一种采用事件驱动机制的反馈调度策略。该反馈调度策略以截止期错失率作为网络服务质量性能评价指标,针对传感器节点和汇聚节点间的数据传输,利用反馈控制技术在线调整各个传感器节点的采样周期,使传感器节点的带宽要求适应网络负载的动态变化,从而保证网络服务质量维持在一定水平;在此基础上,引入新型的事件驱动机制来降低反馈调度策略设计难度和资源消耗。实验表明,该事件驱动反馈调度策略合理、有效并实用。关键词:温室?无线传感器网络?事件驱动调度器?反馈控制中图分类号:S625?5;TN919?72文献标识码:A文章编号:1000?1298(2010)07?0186?05Event?driven Scheduler inM onitoring and Controlling System forGreenhouse Based onW ireless Sensor NetworksH an Antai1?Guo Xiaohua2?SunYanwei1(1?Institute of ElectricalEngineering and ElectronicT echnology,China J iliang University,H angzhou 310018,China2?Fair Friend Institute of Electro mechanics,H angzhou Vocational and TechnicalCollege,H angzhou 310018,China)AbstractIn order to reduce the adverse i mpact of network ti me?varying delay,packet loss,net workcongestion,jitter and other properties on perfor mance of the monitoring and controlling systemforgreenhouse environment based onw ireless sensor net works,the event?driven feedback scheduling strategywas proposed.The basic idea of the proposed event?driven feedback scheduling strategy was to usedeadlinem iss ratio as the indicator for the net work quality of service,adjust the sampling period of eachsensor nodes by means of feedback control technology at run ti me such that the bandw idth requirement ofeach sensor nodes could adapt the change of the network workload,and the quality of net work servicecould bem aintained at a certain leve.l The novel event?driven invocation mechanism for the feedbackscheduler was adopted to reduce the design difficulty and overhead of the feedback scheduler.Experi m ents indicated the proposed event?driven feedback scheduling strategy was w ith rationality,effectiveness and practicability.Key words?Greenhouse,W ireless sensor networks,Event?driven scheduler,Feedback control收稿日期:2009-09-01?修回日期:2009-10-15*浙江省自然科学基金资助项目(Y1080072)作者简介:韩安太,副教授,主要从事无线传感器网络、传感器设计等研究,E?mai:l anta.i han ?引言随着无线传感器网络技术 1日益成熟,研究人员将其应用于温室环境监控系统构建,并取得一些研究成果 2 4。在无线传感器网络为温室环境监控系统构建带来便利的同时,系统整体性能也受到时变传输延时、丢包、网络拥塞、延时抖动等不利网络属性的严重影响 5 6。为此,研究人员从修改网络协议、设计系统控制器等角度提出解决方法 7 9;但是,由于难以建立描述无线传感器网络应用系统的精确数学模型、网络协议栈修改困难、使用过多假设条件等原因,这些方法的验证大多使用了软件仿真,其实用性仍需进一步探索。从通讯角度来看,上述不利网络属性与可用网络带宽(或网络负载)密切相关 10。只要网络带宽足够充分或网络负载足够小,这些网络属性对系统性能的影响微乎其微,即网络可为应用提供满意的服务质量;然而,实际无线传感器网络带宽十分有限,需要对其进行合理调度才可满足各个节点的带宽要求 11。基于上述分析,本文将网络调度与反馈控制技术相结合 12 14,提出一种以提高网络服务质量为目标的事件驱动反馈调度策略。该策略从管理可用网络带宽的角度出发,在网络负载变动的情况下,通过在线调整各个传感器节点的采样周期,使传感器节点的带宽要求适应网络服务质量的动态变化,从而减小时变传输延时、丢包、网络拥塞、延时抖动等网络属性对系统性能的不利影响。1?事件驱动反馈调度器设计1?1?系统体系结构图 1为基于星形拓扑结构无线传感器网络构建的温室环境监控系统 13。在该系统中,分布在温室环境内的大量传感器节点通过无线通讯网络与汇聚节点进行信息交换。图 1?系统体系结构Fig.1?A rchitecture of the whole syste m?系统运行时,传感器节点通过各类传感器从温室环境获得采样数据,并无线发送给汇聚节点;汇聚节点根据系统设计目标对收到的数据进行处理;基站可作为高层控制器和外部接口,通过与汇聚节点通讯,对系统进行协调、优化、管理。1?2?基本设计思路网络服务质量可通过截止期错失率、网络利用率等指标进行度量 10。对于实际无线传感器网络来说,节点带宽要求主要由数据包大小和采样频率决定;数据包大小、数据传输速率等参数取决于网络协议栈,一般难以进行修改,因此,节点带宽要求主要受采样频率影响 15。当采样频率较高时,节点发送的数据包数量增加,带宽要求增加,网络负载增加,节点间发生冲突的概率增大,数据包可能经历更长传输延时,甚至损失,而网络也可能发生拥塞,此时,网络利用率较高,截止期错失率较大,网络服务质量下降。为此,需要减少节点对网络的带宽要求,这可通过降低采样频率来实现。然而,由香浓采样定理可知,采样频率应根据监控对象特点确定,采样频率越高,系统性能越好;低采样频率虽可提高网络服务质量,但也造成网络利用率不足,网络带宽浪费。一般情况下,应保持较高网络利用率,但网络利用率并不是越高越好,当网络利用率高于安全界限时,会出现截止期错失 1,10,造成截止期错失率增大,网络服务质量下降。在动态变化的无线传感器网络中,确定具体的网络利用率安全界限非常困难;然而,如果能够使截止期错失率维持在一定水平,则无论网络负载是否变化,网络利用率都可达到最大值,同时保证一定的网络服务质量 16。根据以上分析,针对图 1所示系统,为提高网络服务质量,本文从管理可用网络带宽的角度,设计了图 2所示的事件驱动反馈调度策略。图 2?事件驱动反馈调度策略F ig.2?Event?driven feedback scheduling strategy?事件驱动反馈调度策略的核心是为各个传感器节点分别设计的事件驱动反馈调度器,它是在原系统上增加的一个反馈控制闭环,以函数形式保存、运行在汇聚节点上。针对各个传感器节点与汇聚节点间的通讯,当系统运行时,根据以截止期错失率表示的网络服务质量变化情况,事件驱动反馈调度器在线调整各个传感器节点的采样周期,使节点带宽要求适应网络187第 7期?韩安太 等:温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器服务质量的动态变化,从而保证网络利用率最大化且网络服务质量维持在一定水平。1?3?反馈调度器设计在第 k个调度周期 T(k)中,传感器节点 i向汇聚节点发送数据过程中发生的截止期错失事件个数为ni(k)=ni(k)(汇聚节点在 hi(x-1)hi(x)?内收到数据包)ni(k)+1(汇聚节点在 hi(x-1)hi(x)?内未收到数据包)0(hi(0)(1)式中,hi(x)为传感器节点 i 的采样周期,hi(x)!T(k),x=0,T(k)hi(x),?#为下取整运算符。在 T(k+1)开始之前,传感器节点 i对应的截止期错失率为di(k)=ni(k)?T(k)/hi(x)(2)由于无线通讯内在的不确定性,即使在相同网络条件下,相邻两个调度周期内的 di(k)也可能随机变化,为了消除这种不确定性和测量噪声对计算精度的影响,传感器节点 i对应的截止期错失率误差计为ei(k)=dir-?di(k)+(1-?)di(k-1)(3)式中?dir%传感器节点 i对应的截止期错失率设定值?%遗忘因子,0!?!1需要注意的是,式(3)包含一个数字低通滤波器,?决定了滤波性能;当?=1时,式(3)可转换为ei(k)=dir-di(k)(4)将 ei(k)代入 PID控制器,得到在 T(k+1)内传感器节点 i的采样周期值为hi(k+1)=hi(k)+KP(ei(k)-ei(k-1)+KIei(k)+KD(ei(k)-2ei(k-1)+ei(k-2)(5)式中?KP、KI、KD%PI D控制器参数根据传感器节点 i 与被监控对象的特点,对hi(k+1)进行双向限幅,即hi(k+1)=him in(hi(k+1)!him in)hi(k+1)(him in hi(k+1)hi m ax)him ax(hi(k+1)&himax)(6)式中?him in、hi m ax%被监控对象容许的采样周期最小值、最大值最后,汇聚节点将限幅后的 hi(k+1)发送给传感器节点 i,在 T(k+1)内,节点 i按照 hi(k+1)进行采样。1?4?事件驱动机制在系统运行过程中,上述反馈调度器以 T(k)为周期重复执行,即采用时间触发机制。T(k)取值对系统性能具有重要影响。例如:较小的 T(k)可提高反馈调度器对网络动态的响应速度,但导致 di(k)计算误差增大,调节精度下降;较大的 T(k)虽可减小 di(k)计算误差,但降低了反馈调度器响应速度,易造成较大超调量、较长调节时间和振荡。事实上,由于无线传感器网络应用系统的动态变化相对复杂且具有随机性、非线性,确定合适的 T(k)非常困难 17。另外,反馈调度器的周期执行也会增加系统存储、运算、通讯等资源消耗,特别是系统长时间处于稳态时,周期性调用反馈调度器将造成资源浪费,缩短无线传感器网络应用系统寿命。针对上述问题,本文在文献 3,18基础上,将时间触发和事件触发机制相结合,引入事件检测条件|ei(k)|&?i(7)式中?i%用于传感器节点 i的事件检测门限值从而得到按以下步骤执行的事件驱动反馈调度器:在 T(k)中,反馈调度器使用式(1)(3)计算 ni(k)、di(k)和 ei(k)。(判断式(7)是否成立。)如果式(7)成立,使用式(5)、(6)计算 hi(k+1)并发送给传感器节点 i;否则,在 T(k+1)中继续重复步骤 )。采用事件驱动机制后,反馈调度器不需要每次执行步骤),因此,可有效减少系统资源消耗;同时,从平均意义上减少了汇聚节点的运算、通讯时间,可在保证 di(k)计算精度的前提下为 T(k)选取较小的值,从而降低 T(k)选择难度。另外,测量噪声对 ei(k)的影响也可通过合理选择?i来避免,可直接使用式(4)计算 ei(k)。2?实验验证与分析2?1?实验方案为了验证本文提出的事件驱动反馈调度策略的有效性,在杭州市某农场的盆栽番茄培养温室中进行模拟实验。该普通日光温室长 70m、宽 8?2m、檐高 4?9m、脊高 6?2m。温室内布置 14个网络节点,构成图 3所示的实验系统。该实验系统是温室环境监控系统的自动灌溉子系统。所有网络节点为自制,设计细节及参数设置方法见文献 19,无线通188农?业?机?械?学?报?2 0 1 0年讯使用 Zigbee协议,工作频率为 2?4 GHz,最大数据传输速率为 250 kb/s,最大传输距离为 30m,数据包大小为 64字节。图 3?模拟实验系统F ig.3?Si mulated experi mental syste m?为了简化实验过程,此处仅使用配置电容式湿度传感器的 S1来检测土壤湿度,测量值直接发送给汇聚节点;汇聚节点收到测量数据后,根据预先设定的门限值,通过直流电磁阀控制喷水系统通断,实现自动灌溉。S2 S10为干扰节点,随机发送任意内容数据包给汇聚节点,模拟无线传感器网络;R1R3为中继节点,实现数据包转发;汇聚节点通过串行口与计算机进行信息交换,在计算机上使用Matlab进行数据记录和图形绘制;所有数据采用单数据包传递,S2 S10采用时间触发方式工作,R1R3和汇聚节点采用事件触发方式工作。S1 S10的实验参数设置为 hi(0)=20 m s,him i n=10m s,himax=50m s,i=1 10;用于 S1的事件驱动反馈调度器参数分别为 T(k)=1 s、d1r=10%、?=1、?1=0?05。KP=0?008、KI=0?006、KD=0?003是通过 TrueT i me软件仿真得到的 PID控制器参数;除了 S1外,S2 S10的采样周期不进行反馈调节。实验时间为 360 s。实验初始,打开汇聚节点,S1 S3;120 s时,打开 S4 S6、R1 R3;240 s时,打开 S7 S10;360 s时,停止实验,计算机从汇聚节点读取数据并进行曲线绘制。2?2?实验结果图 4、5分别给出了 h1(k)、d1(k)随时间的变化曲线;图中一般方法指使用标准 Zigbee协议进行通讯;本文方法指除了使用标准 Zigbee协议进行通讯外,在应用层上调用并执行了本文提出的事件驱动反馈调度策略。从图 4、5可以看到,在不进行反馈调度的情况下,由于 h1(k)固定为 20ms,在网络负载很轻的 0120 s内,d1(k)小于 10%;随着网络负载逐步增加,d1(k)迅速增加,在 120 240 s内,d1(k)约 58%78%;在 240 360 s内,d1(k)约 88%100%。这就意味着来自 S1的绝大多数数据包不能在规定时间内到达汇聚节点,网络不能提供满意的服务质量。图 4?采样周期 h1(k)变化曲线F ig.4?Curves of sampling periodsh1(k)?图 5?截止期错失率 d1(k)变化曲线Fig.5?Curves of deadline miss ratiosd1(k)?在进行反馈调度的情况下,h1(k)可根据 d1(k)的变化进行动态调整,虽然网络负载逐步增加,但d1(k)仍可维持在设定值附近(除了在 0、120、240 s处的暂态过程),网络可提供满意的服务质量。由于反馈调度器使用了事件驱动机制,当不满足式(7)时,反馈调度器并不进行新采样周期计算和数据发送。因此,当 d1(k)围绕 d1r波动且满足|e1(k)|5%时,图 4的 h1(k)曲线保持平直。2?3?讨论实验结果证明,本文提出的事件驱动反馈调度策略在网络负载动态变化的情况下,能有效保证网络服务质量维持在设定水平,减小时变传输延时、丢包、网络拥塞、延时抖动等不利网络属性对系统性能的影响。在具体使用该事件驱动反馈调度策略时,应注意以下几点:(1)在实际温室环境监控系统中,传感器节点故障、监控区域扩大、监控点增加、监控点位置改变、随机性射频干扰、环境噪声等原因都可导致网络服务质量变化。因此,通过人为改变网络节点数量来实现网络服务质量变化,从而验证事件驱动反馈调度策略的有效性+的实验方案是对实际情况的模拟,实验结果具有一般性。(2)在使用本文提出的事件驱动反馈调度策略时,应在满足香浓采样定理前提下,根据被监控对象特点、应用系统要求、传感器节点硬件和网络条件等因素来合理确定各个传感器节点的采样周期变化范围。一般来说,在不影响系统整体性能指标的前提189第 7期?韩安太 等:温室无线传感器网络监控系统的事件驱动调度器下,数字控制器容许采样周期在一定范围内变动 17。但是,当采样周期变动范围较大时,需要考虑控制器参数的在线调整。(3)事件驱动反馈调度器保存、运行在资源相对丰富的汇聚节点上,很少消耗传感器节点资源。由于使用了兼顾时间触发和事件触发特点的事件驱动机制,在保持调度策略运行高效率的同时,也减少了调度开销。(4)由于所有事件驱动反馈调度器都保存、运行在汇聚节点上,当网络规模较大时,汇聚节点的资源负担将急剧增加。为了减少汇聚节点负担,可根据需要,仅为部分传感器节点设计反馈调度器。(5)可根据各个传感器节点对网络服务质量的不同要求,分别设计具有不同参数的事件驱动反馈调度器,实现灵活的分布式反馈调度。(6)反馈调度器的设计和使用是在网络协议栈的应用层上进行的,不涉及对底层协议的修改和调用。因此,可实现为不依赖具体硬件平台和网络协议栈的通用支持软件。3?结束语本文提出一种基于事件驱动机制的反馈调度策略。在网络负载动态变化的情况下,针对每个传感器节点与汇聚节点之间的无线通讯,所提出的反馈调度策略通过在线测量网络截止期错失率和 PID控制器动态调整各个传感器节点的采样周期,使节点带宽要求适应截止期错失率的动态变化,保证以截止期错失率表示的网络服务质量维持在设定水平。通过引入事件驱动机制,降低了反馈调度器的设计难度和资源消耗,提高了运行效率和系统整体性能。实验结果表明,所提出的事件驱动反馈调度策略可有效降低网络截止期错失率,提高网络服务质量。参考文献1?Cullar D,EstrinD,StrvastavaM.Overvie w of sensor networks J.Computer,2004,37(8):41 49.2?冯友兵,张荣标,沈敏.面向精确灌溉的无线传感器网络构建 J.农业机械学报,2009,40(1):56 59.Feng Youbing,Zhang Rongbiao,ShenM in.Construction ofw ireless sensor networks for precision irrigation J.Transactionsof the Chinese Society for AgriculturalM achinery,2009,40(1):56 59.(in Chinese)3?Pawlo wskiA,Guzman JL,Rodriguez F,et a.l Si mulation of greenhouse cli matemonitoring and controlw ith w ireless sensornetwork and event?based control J.Sensors,2009,9(1):232 252.4?张荣标,冯友兵,沈卓,等.温室动态星型无线传感器网络通信方法研究 J.农业工程学报,2008,24(12):107 110.Zhang Rongbiao,Feng Youbing,Shen Zhuo,et a.lCo mmunication method of star wireless sensor network for greenhousedyna m icmeasure ment J.Transactions of the CSAE,2008,24(12):107 110.(in Chinese)5?Rezgui A,Eltoweissy M.Service?oriented sensor?actuator 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