精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

嚴(yán) 妍， 孫 桐， 嚴(yán)錫君

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)被稱為人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一場革命，并依托于信息技術(shù)。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信息供給是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的首要條件，它的實(shí)現(xiàn)依賴于大氣溫濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度況等多種先進(jìn)的傳感器。近年來，出現(xiàn)了許多采用無線公共網(wǎng)絡(luò)等無線通訊方式進(jìn)行農(nóng)、林、牧業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測的研究。這些無線通信技術(shù)的優(yōu)勢是傳輸速度快、信息量大、傳距離輸遠(yuǎn)，但因其功耗高、時(shí)延長、通信費(fèi)用高等因素，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中未得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有監(jiān)測精度高、實(shí)時(shí)性好、容量大、覆蓋區(qū)域大、功耗和成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，適合于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。開發(fā)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究降低其能耗、提高其生命周期和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

大多數(shù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，各個(gè)監(jiān)測區(qū)域相距較近，所布設(shè)的光照、濕度和溫度等傳感器節(jié)點(diǎn)可在同一無線節(jié)點(diǎn)的輻射區(qū)域內(nèi)；同時(shí)，控制中心一般都可持續(xù)提供能量，匯聚節(jié) 點(diǎn)能量不限。為此，監(jiān)測WSN采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測WSN總體架構(gòu)圖Fig.1 Structure of precision agriculture WSN

1）信息中心 即管理節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上行發(fā)送的數(shù)據(jù)，并提供Web服務(wù)功能；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作失常，或者“死亡”時(shí)，應(yīng)能及時(shí)采取相應(yīng)措施。

2）匯聚節(jié)點(diǎn) 周期性發(fā)送信標(biāo)幀，接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向信息中心轉(zhuǎn)發(fā)；接受信息中心查詢命令，并向傳感器節(jié)點(diǎn)下傳完成查詢?nèi)蝿?wù)。

3）傳感器節(jié)點(diǎn) 采集監(jiān)測信息，并及時(shí)地向匯聚節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)；當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量低于一定門限時(shí)能及時(shí)上傳低電量告警信息。傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在非工作狀態(tài)時(shí)一般處于休眠狀態(tài)。

2 通信協(xié)議

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測WSN具有單覆蓋、匯聚節(jié)點(diǎn)能量不限、實(shí)時(shí)性要求不高等特點(diǎn)，為了降低節(jié)點(diǎn)功耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，改進(jìn)傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，提出一種基于TDMA的星型MAC協(xié)議—START-MAC協(xié)議。

START-MAC協(xié)議采用信標(biāo)幀、確認(rèn)幀和數(shù)據(jù)幀3種幀格式。其中信標(biāo)幀用于匯聚節(jié)點(diǎn)的廣播同步；確認(rèn)幀用于匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)答傳感器節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)幀則用于承載傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

協(xié)議中匯聚節(jié)點(diǎn)始終處于發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，處于發(fā)送和處于接收狀態(tài)的時(shí)間比為1:1。匯聚節(jié)點(diǎn)每隔周期T即發(fā)送一定數(shù)目的廣播幀對全網(wǎng)進(jìn)行廣播，該廣播幀包括了匯聚節(jié)點(diǎn)的同步信息。網(wǎng)內(nèi)要傳送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)任意接收一幀廣播幀，否則就丟棄。接收了廣播幀的節(jié)點(diǎn)延時(shí)一段時(shí)間后待匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，在規(guī)定的時(shí)隙里發(fā)送數(shù)據(jù)，否則轉(zhuǎn)入睡眠。這樣既避免了數(shù)據(jù)碰撞，又降低了能量的損耗。

將傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)協(xié)議步驟歸納如下：

1）控制傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，判斷是否為新數(shù)據(jù)，是則進(jìn)入步驟2）否則進(jìn)入步驟4）；

2）接收一幀信標(biāo)幀，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)；

3）延時(shí)至規(guī)定時(shí)隙，向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；

4）進(jìn)入低功耗，延時(shí)至下一周期。

匯聚節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)協(xié)議步驟如下：

1）進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)；

2）若有確認(rèn)幀需要發(fā)送，則發(fā)送確認(rèn)幀，然后發(fā)送信標(biāo)幀對全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步；

3）轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)；

4）若接收狀態(tài)接收到數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行存儲(chǔ)、串口操作或LCD顯示，則進(jìn)行該操作，結(jié)束后轉(zhuǎn)到步驟1。

一個(gè)完整的START-MAC協(xié)議如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Communication-structure protocol

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

低功耗是設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，MSP430F149MCU芯片因具有超低功耗、較高的數(shù)據(jù)處理速度快和系統(tǒng)工作穩(wěn)定而廣泛地應(yīng)用于的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[3-4]。選用MSP430F149和CC1000射頻芯片設(shè)計(jì)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)和光照傳感器節(jié)點(diǎn)。

1）溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

選用SHT10作溫濕度傳感器，采集農(nóng)田的大氣溫度和濕度，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖Fig.3 Hardware diagram of temperature and humidity sensor node

MSP430F149通過I/O口對SHT10的配置操作以及兩者間的數(shù)據(jù)通信，采用模擬串行方式對CC1000芯片進(jìn)行配置操作、設(shè)置無線傳輸模塊的收發(fā)頻率、發(fā)送功率、數(shù)據(jù)速率等參數(shù)，采用中斷方式，對CC1000寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)或讀出接收到的數(shù)據(jù)。

2）光照傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

選用TSL230B作光照強(qiáng)度傳感器，采集農(nóng)田作物的光照情況，硬件原理圖如圖4所示。

MSP430F149通過I/O口對TSL230B進(jìn)行配置操作，通過P1.1讀取芯片的輸出信號(hào)，計(jì)算頻率值，并通過換算，獲得最終的光照值。

圖4 光照強(qiáng)度傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖Fig.4 Hardware diagram of light intensity sensor node

3）傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化。然后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，若節(jié)點(diǎn)為新節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)行申請入網(wǎng)操作。若不為新節(jié)點(diǎn)，則操作傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與上一周期采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若相同則丟棄，直接進(jìn)入下一步，若不同，則記錄該數(shù)據(jù)。若檢測電量周期超時(shí)，則啟動(dòng)ADC模塊進(jìn)行低電量監(jiān)測，若達(dá)到門限值，則標(biāo)記告警數(shù)據(jù)幀。如果當(dāng)前周期內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀或告警數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送，則等待兩個(gè)信標(biāo)幀的時(shí)長接收一幀信標(biāo)幀，然后關(guān)閉無線傳輸模塊進(jìn)入LPM3低功耗狀態(tài)，延時(shí)一段時(shí)間到規(guī)定時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，完成后再進(jìn)入低功耗狀態(tài)等待下一周期。傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖Fig.5 Main program flow chat of sensor nodes

4 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1）匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

選用高性能的ARM處理器LM3S6918設(shè)計(jì)匯聚節(jié)點(diǎn)，無低功耗要求，該節(jié)點(diǎn)硬件主要有時(shí)鐘模塊、射頻模塊、外部存儲(chǔ)模塊、電源模塊、串口模塊、看門狗及復(fù)位電路、LCD顯示模塊等模塊組成。匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Sink Node hardware structure chart

當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳及存儲(chǔ)時(shí)，要記錄當(dāng)前的時(shí)間信息，選用PCF8563作實(shí)時(shí)鐘芯片，MCU通過I2C控制該芯片，由鋰電池為實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供后備電源，采用CN3052A芯片控制鋰電池的充電過程[5]。LM3S6918提供2個(gè)全雙工同步/異步串口，擴(kuò)展成一個(gè)RS232和一個(gè)RS485，分別用于連接顯示設(shè)備和GPRS模塊。

2）匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。然后進(jìn)入周期的開始狀態(tài)，即信標(biāo)幀發(fā)送階段。在此階段中，若上一周期匯聚節(jié)點(diǎn)接收到來自傳感器節(jié)點(diǎn)的加入申請或是告警數(shù)據(jù)幀，則需在該階段的開始對傳感器節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)幀。接下來，匯聚節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送信標(biāo)幀，對網(wǎng)內(nèi)欲發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步。發(fā)送完所有的信標(biāo)幀后，匯聚節(jié)點(diǎn)即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)幀。等待接收周期結(jié)束后，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行其他操作，若接收到傳感器數(shù)據(jù)，則讀當(dāng)前時(shí)間值，將其存儲(chǔ)在外部Flash中，并通過串口上傳信息中心。若接收到加入申請或告警數(shù)據(jù)，則也通過串口操作上傳信息中心，待處理完成后標(biāo)記確認(rèn)幀。完成這些操作后，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一周期。匯聚節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試

1）丟包率測試

實(shí)驗(yàn)條件：射頻收發(fā)頻率為433.3 MHz，節(jié)點(diǎn)發(fā)送增益為10 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kbit/s，數(shù)據(jù)編碼格式為NRZ碼，調(diào)制方式為FSK。

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)主程序流程Fig.7 Main program process of sink node

取一傳感器節(jié)點(diǎn)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，傳感器節(jié)點(diǎn)共發(fā)送3 000個(gè)數(shù)據(jù)包，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)，得到單點(diǎn)通信時(shí)網(wǎng)絡(luò)的丟包率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示；取3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均發(fā)送3 000個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)，得到多點(diǎn)通信時(shí)網(wǎng)絡(luò)的丟包率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看到，系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)丟包率都在1%以下，能滿足系統(tǒng)的要求。

表1 單點(diǎn)通信丟包率Tab.1 Packet loss rate of one-point

表2 多點(diǎn)通信丟包率Tab.2 Packet loss rate of multi-point communication

2）功耗測試

傳感器節(jié)點(diǎn)主要有發(fā)射數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)和休眠狀態(tài)4個(gè)狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射狀態(tài)電流為24.72 mA，接收狀態(tài)電流為12.74 mA，活動(dòng)狀態(tài)電流為2.53 mA，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)電流為3.20 mA，光照傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)電流為3.40 mA，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)電流為2.1 μA。

射頻模塊從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入接收或發(fā)射狀態(tài)所需時(shí)間為4.3 ms和4.6 ms。傳感器節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀和發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)間經(jīng)試驗(yàn)測得分別為9.45 ms和7.95 ms。同時(shí)溫濕度傳感器采集一次完整數(shù)據(jù)的時(shí)間為4.1 ms，光照傳感器采集一次完整數(shù)據(jù)的時(shí)間約為100 μs。

當(dāng)系統(tǒng)采用電池供電時(shí)，系統(tǒng)的平均工作電流決定了系統(tǒng)的壽命[6]。根據(jù)系統(tǒng)平均工作電流的計(jì)算公式，Iavg為系統(tǒng)活動(dòng)狀態(tài)時(shí)的工作電流與活動(dòng)時(shí)間的乘積與休眠狀態(tài)電流與休眠時(shí)間的乘積之和再去除以總的工作時(shí)間。假設(shè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)工作周期為2 s，節(jié)點(diǎn)每兩個(gè)周期上傳一次數(shù)據(jù)，每個(gè)周期都采集數(shù)據(jù)?？梢杂?jì)算出溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)平均工作電流為。

因?yàn)楣庹諅鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)間遠(yuǎn)小于溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，因此平均工作電流小于0.111 8 mA。節(jié)點(diǎn)的工作截止電壓為2.7 V。假設(shè)采用常見的兩節(jié)1.5 V、容量為2 700 mAh左右的鋰電池供電，根據(jù)鋰電池放電特性，當(dāng)放電至2.7 V時(shí)，電池容量損耗約2 000 mAh?？梢源致怨烙?jì)出節(jié)點(diǎn)的使用壽命約為2 000/0.1118=17 889 h=745.4天?？梢钥吹?，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)可以使用1年以上。

6 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是其應(yīng)用的關(guān)鍵，從硬件設(shè)計(jì)和通訊協(xié)議兩個(gè)方面降低節(jié)點(diǎn)功耗，是目前普遍采用的主要措施。選用低功耗的MCU和射頻器件，可降低節(jié)點(diǎn)的工作功耗，選用具有微靜態(tài)功耗的MCU，能夠大大降低節(jié)點(diǎn)的平均功耗。針對小規(guī)模的農(nóng)田WSN星型結(jié)構(gòu)的特殊性，采用改進(jìn)的MAC協(xié)議，可進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)功耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。對中、大規(guī)模的農(nóng)田WSN，研究其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其通訊協(xié)議，以達(dá)到各種精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測WSN的實(shí)際需要。

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