基于茶園旱情監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點能耗檢測

潘小紅

摘要：針對茶園旱情監(jiān)測設(shè)計適用于無線傳感器節(jié)點能量檢測的功率計，該系統(tǒng)采用AVR系列Mega16單片機，通過測量精密電阻兩端的電壓差，從而測量出通過節(jié)點的電流和加在節(jié)點兩端的電壓，功率計1 s刷新1次顯示，實時顯示節(jié)點當(dāng)前所消耗的電能和平均功率。對茶園中節(jié)點采用隨機部署和確定型部署，并用功率計對2種部署中的節(jié)點能量進行測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能以較高精度監(jiān)測節(jié)點的功耗，為今后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗分析提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器節(jié)點；茶園；能量檢測；功率計

中圖分類號： TP212文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）06-0207-04

茶園中溫濕度是影響茶葉產(chǎn)量的決定性因素。近些年來，絕大部分地區(qū)的茶園都因高溫干旱受到嚴(yán)重影響，所以茶園旱情監(jiān)測越來越受到人們的重視。由于傳統(tǒng)的茶園旱情監(jiān)測方式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前形勢的需要，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于茶園旱情監(jiān)控，實現(xiàn)監(jiān)控管理自動化勢在必行。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的無線傳感器節(jié)點組成，并通過無線通信方式形成的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負(fù)責(zé)傳感和信息預(yù)處理，響應(yīng)監(jiān)控主機的指令進行數(shù)據(jù)收發(fā)，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證。無線傳感器節(jié)點通常采用電池供電，所以使用的能量有限。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能地降低消耗，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)性能，達到應(yīng)用要求，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題。

本研究對部署在茶園中的傳感器節(jié)點設(shè)計了1個可以實時測量節(jié)點能量的系統(tǒng)，并對菱形部署、隨機部署2種方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了測試，結(jié)果顯示測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

1典型節(jié)點的能耗測量方法

節(jié)點的能耗監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗研究的基礎(chǔ)問題，目前國內(nèi)外關(guān)于節(jié)點的能耗測量方法主要有仿真方法、硬件試驗方法。仿真方法是使用ns-2、simulink、Power TOSSIM等軟件對節(jié)點的能耗進行分析，而試驗方法是采用硬件電路對節(jié)點的功耗進行測量分析。

PowerTOSSIM采用實測的MICA2節(jié)點的能耗模型對節(jié)點所消耗的能量進行跟蹤，實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗性能評價[1-2]。但是使用模擬工具進行仿真都是在給定參數(shù)下進行的，與實際的情況存在一定差距。

文獻[3]中提出了1種使用軟件探針的方法，該方法通過插入代碼和使用外部電路配合組件可以對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗情況進行實時監(jiān)測，且抗干擾性較好；但是這種方法對硬件要求很高，而且還受到節(jié)點的軟件平臺限制[3]。

Panthachai等提出了一種基于外部電流測量的實測能耗方法，它通過給外接的電流取樣電阻加上數(shù)字示波器來測量節(jié)點的能耗[4]。但是這種方法由于電流取樣電阻過大，會影響節(jié)點的運行，另外通過人工觀測示波器測量電阻上的電壓，很難實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的連續(xù)性分析和存儲。

由于現(xiàn)有的功率因素測量方法都有局限性，本研究通過微處理技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗在線測量。

2無線傳感器節(jié)點功率計系統(tǒng)

系統(tǒng)功率計由單片機最小系統(tǒng)、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊、差分放大模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、電源模塊和精密電阻等模塊組成，系統(tǒng)框架見圖1。

3無線傳感器節(jié)點功率計硬件設(shè)計

本設(shè)計中使用的單片機是ATMEL公司的ATMegal6單片機，它是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）微控制器。ATMegal6的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，它有16 kB的程序存儲空間，1 kB內(nèi)部SRAM，512B內(nèi)置EEPROM。外部共有32個通用輸入/輸出（GPIO），1路通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART），1路主從串行外設(shè)接口（SPI），1路I2C，2個8位定時器，1個16位定時器，4通道脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出，8路10位A/D輸入。ATMegal6單片機性能穩(wěn)定、性價比高。

3.1鍵盤電路和顯示電路

鍵盤電路由復(fù)位按鈕Reset button、開始按鈕Start button和停止按鈕Stop button組成。電路如圖2所示。液晶顯示模塊1602如圖3所示，能對無線傳感器節(jié)點的電壓、電流和消耗的平均功率以及消耗的總電能等數(shù)據(jù)1 s刷新1次顯示。

3.2電源模塊的設(shè)計

本設(shè)計可以輸出5 V直流電源和3 V直流電源。其中，單片機使用5 V工作電壓，無線傳感器節(jié)點使用3 V工作電壓，其原理如圖4所示。

4無線傳感器節(jié)點功率計軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包含鍵盤掃描、顯示模塊、定時器中斷、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）中斷、數(shù)據(jù)處理模塊。顯示模塊以1 s刷新1次顯示，其主程序設(shè)計流程如圖5所示。

中斷服務(wù)程序包括定時器中斷服務(wù)程序和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序，如圖6所示。定時器中斷服務(wù)程序可以產(chǎn)生1 ms定時中斷，并啟動A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化。通過設(shè)置標(biāo)示位對2路模擬信號進行輪流采樣，采樣頻率設(shè)置為1 kHz。

5功耗測試

對茶園進行無線傳感器節(jié)點部署，并采用菱形部署、隨機

部署2種方案[5]，詳見圖7、圖8。

設(shè)定傳感器節(jié)點MicaZ每20 min開啟傳感器模塊進行數(shù)據(jù)采集，待采集結(jié)束后啟動發(fā)射模塊。隨機部署網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的發(fā)射功率為0dbm，菱形部署網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的發(fā)射功率為

-3 dbm，試驗中對隨機部署、菱形部署中2、4、5、6號節(jié)點電流、功耗分別進行了測試，結(jié)果分別見表1、表2。

從表1、表2可以看出，與隨機部署中節(jié)點2、4、5、6號電流和功耗對比，菱形部署中節(jié)點2、4、5、6號電流和功耗要小些。顯然，相對隨機部署網(wǎng)絡(luò)，菱形部署網(wǎng)絡(luò)壽命較長，跟實

利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行處理，從圖9、圖10可以看出，在傳感器節(jié)點發(fā)射功率相同時，節(jié)點的功耗與發(fā)送的信息包比特數(shù)大小呈線性關(guān)系，與發(fā)送端和接收端之間的距離的平方也呈線性關(guān)系。對于相同大小的發(fā)送包，節(jié)點的功耗隨發(fā)射功率增加而增大，所得測試結(jié)果與無線傳感器節(jié)點的功耗情況符合。

6結(jié)論

節(jié)點的能耗監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗研究的基礎(chǔ)問題。本研究設(shè)計了1種針對節(jié)點能量檢測的功率計，并對茶園實際節(jié)點部署進行測試，結(jié)果表明，該功率測試方法符合實際情況，為節(jié)點的功耗測量提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。下一步將研究1個通過圖形用戶（QT）界面實現(xiàn)對所有節(jié)點的實時能量監(jiān)測系統(tǒng)。

參考文獻：

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.055