摘 要： 基于無線傳感器網絡的Ad Hoc自組網技術及AODV技術，結合適用于農業(yè)環(huán)境參數傳輸的路由特點，完成了農業(yè)信息遠程數據采集與無線傳輸網絡的路由報文設計，并給出了按需平面距離矢量路由協議（AODV）的工作流程。該方案具有體積小、成本低、功耗低的特點，支持網狀拓撲結構，可以快速組網，順利讀取農業(yè)環(huán)境的土壤溫度、濕度、光照等信息。
關鍵詞： ZigBee；路由協議；AODV；網狀網；農業(yè)信息

隨著信息化和數字化在全球范圍內的普及與應用，傳統(tǒng)農業(yè)和現代農業(yè)也向著數字化農業(yè)方向轉變，其核心是精準農業(yè)。因此信息的實時采集、迅速傳輸與及時分析、處理就顯得非常重要。農業(yè)信息數據傳輸具有需要數據采集或監(jiān)控的網點多、要求傳輸的數據量不大且數據傳輸可靠性高、安全性高、要求設備成本低、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、地形復雜、監(jiān)測點多、需要較大的網絡覆蓋等特點[1]。另外，現有移動網絡存在覆蓋盲區(qū)，使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統(tǒng)效果差或成本太高。目前，在無線傳感器網絡中，ZigBee技術以其設備成本低、電池壽命長、數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活等獨特的優(yōu)勢，在家居智能化、工業(yè)自動化和醫(yī)療護理等領域獲得了廣泛應用，所以基于ZigBee技術的無線組網方案在精準農業(yè)中的應用就顯得很有必要。
ZigBee無線傳感器網絡結構是自組網方式，有終端節(jié)點的加入和退出，網絡可以自動調整通信連接方式，核心是路由路徑的重新選擇。網絡結構有樹狀網、星型網和網狀網，在一個協調器管理的范圍內，所有節(jié)點都通過自動選擇的路由或預先設定的路由與協調器節(jié)點進行數據命令的交換。農業(yè)信息采集系統(tǒng)中，每塊試驗田被設置為一個獨立的網絡，網絡中各個節(jié)點的路由均設計為按需路由方式，也就是按需距離矢量路由協議AODV(Ad Hoc on-demand Distance Vector)[2]。本文在熟悉AODV的基礎上，給出了基于ZigBee無線傳感器網絡技術的農業(yè)信息遠程采集系統(tǒng)框圖，進行了無線網絡中按需距離矢量的路由設計，并給出了協議的工作流程。
1 遠程數據采集系統(tǒng)整體架構
本文設計的農業(yè)信息采集系統(tǒng)中，將每塊試驗農田設置成一個獨立的ZigBee網狀網絡[3]，每個網絡只有一個中心節(jié)點（即協調器端），其他終端節(jié)點(由MCU和無線收發(fā)芯片構成)都設置為具有路由器功能的路由節(jié)點，并連接有土壤PH值、氮濃度計、大氣溫濕度等傳感器。這些不承擔網絡信息中轉任務的ZigBee終端節(jié)點在自己信號覆蓋的范圍內，彼此間通過ZigBee無線方式連接，然后將檢測到的數據資料匯集到ZigBee中心節(jié)點。由于每塊試驗田的中心節(jié)點和遠程中央控制中心均配置有GPRS模塊，所以中心節(jié)點就會將收集到的數據通過GPRS無線通信方式傳輸到中央控制中心，經由系統(tǒng)軟件對該控制中心所管轄的農田參數進行綜合分析，并做出相應控制決策。
本文給出了如圖1所示的結構設計，協調器節(jié)點模塊、FFD路由器節(jié)點模塊和GPRS模塊采用相同的硬件和軟件設計。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調器模式還是從路由器模式，以達到增強無線模塊的通用性、靈活性和節(jié)約成本的目的。系統(tǒng)工作時，由ZigBee協調器建立一個新的ZigBee網絡。首先，ZigBee協調器會在允許的通道內搜索其他的ZigBee協調器。并基于每個允許通道中所檢測到的通道能量及網絡號，選擇唯一的16 bit PAN ID，建立自己的網絡。一旦一個新網絡被建立，ZigBee路由器與終端設備就可以加入到網絡中，從而在ZigBee無線通信技術的基礎上，基于GPRS通信方式實現對農田數據的遠程采集、傳輸及控制[4]。各個數據采集節(jié)點到協調器節(jié)點之間的數據傳輸是本系統(tǒng)的重點和難點，在對比了多種路由協議后，本文選擇按需距離矢量路由協議AODV完成本系統(tǒng)的路由設計。

2 ZigBee無線傳感器網絡系統(tǒng)路由報文設計
AODV(Ad Hoc on-Demand Distance Vector)是基于距離矢量算法的路由協議，它是DSR和DSDV結合生成的一種按需路由協議，綜合運用了DSR路由發(fā)現/查找/維護和DSDV跳計數（hop-by-hop）、序列號和周期更新的原理機制。AODV協議只保持需要的路由信息，不需要節(jié)點維持通信過程中未激活到達目的節(jié)點的路由信息，因此在節(jié)點移動導致網絡拓撲發(fā)生快速變化或者鏈接中斷的情況下能夠快速收斂響應和修復中斷的鏈路[5]。其特點是：通過使用目的節(jié)點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數的問題。由于需要周期性地廣播報文分組和路由信息，以解決路由失效的問題，因此會帶來較大的協議開銷。
本系統(tǒng)網狀網結構中，每個終端節(jié)點到協調器節(jié)點的路由可以有多個，路由表的維護也比較復雜，為此對每個節(jié)點的路由請求、路由應答、路由錯誤及修復、路由節(jié)點應答的數據格式采用了雙字設計，便于路由識別和擴展[6]。
2.1 ZigBee路由請求RREQ報文設計
路由請求（RREQ）報文的字段設計如表1所示，其中各部分的含義：J為路由加入標記位，用于組播字段時多目標傳輸標記；R為路由有效標記(1表示路由有效)；G為無請求路由應答標識位，此位置為1，表示RREQ報文被中間節(jié)點響應，并使中間節(jié)點向目的節(jié)點單播一個RREQ報文；置0，表示不需要中間節(jié)點響應。D為單個目的節(jié)點標志位，表示只有一個目的節(jié)點可以對RREQ報文分組做出響應；U為未知目的地標識位，當目的節(jié)點序列號未知時置為1；Reserved為12位二進制保留位，發(fā)送時設0，接收時對其不作處理；Hop count為跳計數，記錄RREQ從信源到應答節(jié)點所經過的跳計數，長為1 B，8位二進制；RREQ ID為報文分組標記，設定為2 B，32位二進制，Destination IP address為32位二進制目的節(jié)點IP地址，Destination sequence number是路由進程中存儲的目的節(jié)點最新序列號， Originator IP address是廣播RREQ報文分組的信源節(jié)點IP地址，Originator sequence number是信源節(jié)點序列號，均為32位二進制數據格式。