基于780 MHz頻段的農(nóng)田信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

鄭寶周， 李富強(qiáng)， 吳莉莉， 袁 帥， 林愛英， 滕紅麗， 豆根生， 袁 超

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014)

基于780 MHz頻段的農(nóng)田信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

鄭寶周1， 李富強(qiáng)1， 吳莉莉1， 袁 帥2， 林愛英1， 滕紅麗1， 豆根生1， 袁 超1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014)

基于MSP430F5438A單片機(jī)和AT86RF212射頻芯片設(shè)計(jì)了一種工作在780 MHz中國(guó)專用頻段且符合IEEE802.15.4c標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。介紹了無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信電路的設(shè)計(jì)，并給出了空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照度傳感器的選型和指標(biāo)參數(shù)。選取豫東平原一塊麥田作為試驗(yàn)環(huán)境，在小麥的拔節(jié)期和抽穗期，對(duì)工作于780 MHz、433 MHz和2.4 GHz頻段的3種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，給出了3種節(jié)點(diǎn)的平均丟包率曲線和接收信號(hào)強(qiáng)度值隨通信距離變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，在小麥不同生長(zhǎng)期，780 MHz和433 MHz頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和傳輸性能明顯優(yōu)于2.4 GHz的無線網(wǎng)絡(luò)，而且780 MHz網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量表現(xiàn)更佳，完全能夠滿足農(nóng)田間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

農(nóng)田信息采集;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);780 MHz頻段;接收信號(hào)強(qiáng)度

精細(xì)農(nóng)業(yè)需要高速度、高密度、高準(zhǔn)確度的農(nóng)田信息作為實(shí)施依據(jù)，農(nóng)田信息的遠(yuǎn)程獲取成為精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)施中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，具有低成本、低功耗和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有研究人員將WSN應(yīng)用于農(nóng)田信息采集，并取得一定進(jìn)展[2-3]。史兵等[4]將基于2.4 GHz的無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，以滿足大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化的需要。VELLIDIS等[5]設(shè)計(jì)了一種無線實(shí)時(shí)智能灌溉系統(tǒng)；李小敏等[6]研究了蘭花大棚內(nèi)433 MHz無線射頻信號(hào)的傳播特性，以及無線信號(hào)與影響因素之間的關(guān)系。馮友兵等[7]、曹元軍等[8]將WSN技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田氣象信息獲取和節(jié)水灌溉中，取得了較好的效果；張瑞瑞等[9-10]設(shè)計(jì)了針對(duì)農(nóng)田信息采集的傳感器節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用系統(tǒng)，采用ATmega128+CC1000作為核心模塊，監(jiān)測(cè)農(nóng)田空氣的溫、濕度及土壤水分含量和土壤溫度，該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功耗較低，但是節(jié)點(diǎn)的通信距離有待進(jìn)一步的提高。劉卉等[11]采用JN5121作為無線通信模塊，設(shè)計(jì)開發(fā)了農(nóng)田土壤溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于采用星型組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受到了限制，難以滿足應(yīng)用的要求。國(guó)內(nèi)農(nóng)用WSN使用的頻段主要有2.4 GHz、433 MHz和780MHz。2.4 GHz是全球公開通用的無線頻段，廣泛應(yīng)用于商業(yè)及家庭領(lǐng)域，Wi-Fi、藍(lán)牙以及其他短距離無線通信技術(shù)使用該頻段，功耗偏高，需要面對(duì)設(shè)備間的兼容性和共存性問題。試驗(yàn)表明，在農(nóng)田有作物遮擋、傳輸距離超過75 m時(shí)基于2.4 GHz的WSN穩(wěn)定性并不理想[1]。433 MHz頻段下的WSN傳輸距離較遠(yuǎn)、繞射能力較強(qiáng)，但系統(tǒng)采用單頻點(diǎn)工作和落后的窄帶條幅技術(shù)。該頻段有車載通信設(shè)備、對(duì)講機(jī)等業(yè)余通信設(shè)備，該頻段的WSN受到環(huán)境干擾比較大，不能有效抵抗農(nóng)作物遮擋而產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，系統(tǒng)可靠性不高，能耗較大。2009年IEEE組織通過了802.15.4c標(biāo)準(zhǔn)，為中國(guó)WPAN技術(shù)開辟779～787 MHz的免費(fèi)專用頻段并且設(shè)定了介質(zhì)鏈路層和物理層標(biāo)準(zhǔn)。780 MHz頻段符合RFID800M/900M頻段要求，具有干擾少、繞射能力強(qiáng)、抗多徑衰減效果好和傳輸距離更遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，將成為中國(guó)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向[12-14]。現(xiàn)有的農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多工作在2.4 GHz和433 MHz頻段，基于780 MHz的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還比較少。針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到干擾大、能耗高、傳輸性能不理想等問題，本研究選用MSP430F5438A單片機(jī)、AT86RF212無線射頻芯片等元器件，設(shè)計(jì)了一種符合IEEE802.15.4c標(biāo)準(zhǔn)工作在780 MHz頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GPRS/3G)和INTERNET的無縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

1 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)和少量網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要包含傳感器模塊、處理器模塊、無線射頻模塊、電源管理模塊4部分。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是在傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上加配網(wǎng)關(guān)模塊，使該節(jié)點(diǎn)具有與外部網(wǎng)絡(luò)交換信息的能力。WSN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器模塊負(fù)責(zé)農(nóng)田相關(guān)環(huán)境參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊對(duì)本節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并控制本節(jié)點(diǎn)的所有操作；無線通信模塊負(fù)責(zé)本節(jié)點(diǎn)與其他WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集的數(shù)據(jù)；電源管理模塊為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，傳感器節(jié)點(diǎn)由兩節(jié)1.5 V干電池供電，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用3節(jié)1.5 V干電池作為電源，并借助穩(wěn)壓芯片TPS79533為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定電流。部署在農(nóng)田內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)的形式將采集到的信息發(fā)送到到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)模塊和外部網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照度信息的采集。

1.2 處理器模塊

處理器是WSN節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，所有的任務(wù)調(diào)度、控制設(shè)備、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、能量管理等都由處理器完成，處理器的選擇是硬件節(jié)能的重要方面。處理器的選型原則：微型化、低成本(傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，降低節(jié)點(diǎn)在生產(chǎn)和部署上的成本)、低能耗(節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，盡可能延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中壽命)、適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理能力(節(jié)點(diǎn)采集完信息后，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的處理，減少網(wǎng)絡(luò)中傳播的數(shù)據(jù)量)、SPI接口(與無線射頻模塊通信)、I2C接口(與數(shù)字傳感器通信)，集成A/D轉(zhuǎn)換器(便于后期擴(kuò)展采集模擬量)。綜合上述各方面的考慮，本文選取德州儀器(TI)公司的MSP430F5438A作為節(jié)點(diǎn)的處理器。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of wireless sensor network nodes

MSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗單片機(jī)，它集成了豐富的片內(nèi)資源，在發(fā)揚(yáng)低功耗特性的同時(shí)，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗與待機(jī)功耗非常低，分別為160 μA·MHz-1和1.5 μA，芯片采用1.8 V至3.6 V低電壓供電，具有5種節(jié)能方式，配有多種通信接口，各類數(shù)字傳感器可通過串口、SPI、I2C等接口與處理器通信。該單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)提供了MCLK、SMCLK、ACLK 3種時(shí)鐘，得益于獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)不同深度的系統(tǒng)休眠，盡可能地節(jié)省了能量[15]。單片機(jī)與無線射頻模塊接口電路如圖2所示，單片機(jī)與傳感器模塊接口電路如圖3所示。

1.3 780 MHz頻段無線射頻模塊設(shè)計(jì)

基于收/發(fā)一體、低功耗、穩(wěn)定性等方面的考慮，本研究選用Atmel公司的AT86RF212無線射頻芯片。該芯片可工作在779～787 MHz在中國(guó)免費(fèi)的ISM頻段，是一款專為適合IEEE802.15.4c標(biāo)準(zhǔn)的ISM (Industrial Scientific Medical)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低電壓、低功耗、低成本的無線收發(fā)芯片。該芯片最大發(fā)射功率達(dá)10 dBm，接收靈敏度高達(dá)-110 dBm，睡眠狀態(tài)下電流消耗為0.2 μA，接收狀態(tài)下消耗電流9.0 mA，射頻收發(fā)器關(guān)閉后消耗電流0.4 mA，當(dāng)發(fā)送功率為5 dBm時(shí)，電流消耗為18 mA。以上特性能夠滿足WSN節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)要求。AT86RF212工作在1.8～3.6 V低電壓，與處理器MSP430F5438A相匹配，保證了WSN節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)的一致性。射頻模塊天線部分采用差分方式，有效減少了其他芯片造成的雜散輻射干擾。無線射頻模塊除了晶體振蕩器、去耦電容和天線等簡(jiǎn)單電路外，所有的主要RF元件都集成在AT86RF212內(nèi)部，MAC及AES硬件加速改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗利用率和時(shí)效性。AT86RF212提供一個(gè)三線制SPI串行接口、少量控制引腳和一個(gè)中斷請(qǐng)求引腳，SPI總線接口以Slaver 的身份負(fù)責(zé)同Master身份的MSP430F5438A進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制引腳負(fù)責(zé)AT86RF212狀態(tài)的快速切換，而射頻芯片發(fā)生的所有事件通過唯一的中斷請(qǐng)求引腳通知處理器。無線射頻模塊與處理器MSP430F5438A的連接電路如圖2所示。

圖2 無線射頻模塊原理圖

圖2中第Ⅰ部分為AT86RF212與MSP430F5438A的數(shù)字接口，由SPI 總線接口和附加控制信號(hào)組成，主要用于處理器與無線射頻模塊之間的數(shù)字信號(hào)傳輸；第Ⅱ部分為無線射頻收/發(fā)電路，平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?0 Ω單端RF(Radio Frequency)輸入變換為100 Ω的差分RF端口阻抗；第Ⅲ部分為AT86RF212的基本配置電路，主要包括去耦電容和晶振電路。

1.4 傳感器模塊

本研究設(shè)計(jì)的WSN用來監(jiān)測(cè)農(nóng)田的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度和土壤溫濕度。為降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗，均選用數(shù)字傳感器。

1.4.1 土壤溫濕度傳感器 選用上海搜博實(shí)業(yè)有限公司的低功耗SLS2421土壤溫濕度傳感器，相對(duì)濕度量程0～100%，準(zhǔn)確度±1.8%；溫度量程-40～123.8 ℃，準(zhǔn)確度±0.4 ℃，工作電壓2.4～5.5 V，數(shù)字輸出，I2C接口。

1.4.2 空氣溫濕度傳感器 選用瑞士Sensirion公司的微功耗SHT11數(shù)字傳感器，相對(duì)濕度量程0～100%，準(zhǔn)確度±2%；溫度測(cè)量范圍-40～123.8 ℃，準(zhǔn)確度±0.3 ℃，工作電壓2.4～5.5 V，數(shù)字輸出，I2C接口。

1.4.3 光照度傳感器 選用日本ROHM公司的BH1710FVC傳感器，量程0～65 535 lx，分辨率0.35 lx，工作電壓2.4～3.6 V，數(shù)字輸出，I2C接口。

傳感器與處理器MSP430F5438A連接電路如圖3所示。

圖3 傳感器與MSP430F5438A連接原理圖

1.5 低功耗節(jié)能設(shè)計(jì)

考慮到農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化的特征，為進(jìn)一步降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命，本研究除選用低微功耗的處理器、無線射頻芯片和傳感器之外，還從以下幾方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)[15]。

1.5.1 采用更靈活的數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)制 現(xiàn)有的農(nóng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用固定采集周期的方式上報(bào)環(huán)境參數(shù)。如果采集周期比較短，則頻繁的無線收發(fā)數(shù)據(jù)會(huì)消耗大量電能，間隔周期過長(zhǎng)，則不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化。本文采用參數(shù)變化達(dá)到設(shè)定變化幅度閾值時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。比如土壤濕度變化±5%或者溫度變化±3 ℃時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。各參數(shù)變化幅度閾值根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求進(jìn)行設(shè)置。農(nóng)田環(huán)境參數(shù)變化快時(shí)，該方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境并及時(shí)將參數(shù)上報(bào)監(jiān)測(cè)中心；參數(shù)比較穩(wěn)定時(shí)，比如夜間光照度基本沒變化，該方法能有效避免頻繁地進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)傳輸，降低節(jié)點(diǎn)通信能耗。

1.5.2 降低器件的工作電壓和振蕩器頻率 處理器主頻降低一半功耗也下降一半，降低處理器的時(shí)鐘頻率是一個(gè)有效節(jié)能措施。MSP430F5438A提供了低功耗、低頻率內(nèi)部時(shí)鐘源VLOCLK，典型頻率為12 kHz；另有可選擇的高頻振蕩器XT2CLK，可外接4 MHz～40 MHz的外部時(shí)鐘源。根據(jù)WSN監(jiān)測(cè)任務(wù)需要，選擇合適的時(shí)鐘頻率，找到一個(gè)功耗與性能最佳的結(jié)合點(diǎn)。

1.5.3 關(guān)閉不使用的硬件模塊 處理器內(nèi)的看門狗定時(shí)器和掉電檢測(cè)器，在休眠模式下會(huì)持續(xù)消耗電流；基準(zhǔn)電壓以及模擬比較器等模塊也會(huì)消耗電量。根據(jù)農(nóng)田監(jiān)測(cè)需要，可考慮禁止這些模塊在運(yùn)行狀態(tài)。另外，避免輸出引腳驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載可以減少能量消耗。1.5.4 盡可能使用器件的休眠模式 MSP430F5438A提供了五種低功耗模式。在正常運(yùn)行模式下，處理器功耗為230 μA·MHz-1，在低功耗LPM3模式下功耗為2.1 μA，在LPM4模式下為1.2 μA，LPM5模式下功耗低至0.1 μA。豫東地區(qū)夜間農(nóng)田光照度接近0 lx，土壤溫濕度比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集任務(wù)比白天少很多?？紤]到這些特點(diǎn)，借助于軟件系統(tǒng)的周期性睡眠機(jī)制，夜間可使處理器工作在LPM4低功耗模式；白天傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)，使處理器工作于LPM3模式；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)以及無線收發(fā)時(shí)處理器工作在正常運(yùn)行模式。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

無線電信號(hào)在農(nóng)田作物間傳播時(shí)存在著直射、反射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象，對(duì)無線電信號(hào)的傳播造成很大的路徑損耗，導(dǎo)致不同WSN節(jié)點(diǎn)收到的射頻信號(hào)有很大衰減并且鏈路信號(hào)的質(zhì)量有很大差異性[16]。不同通信距離下接收信號(hào)強(qiáng)度值(Received Signal Strength Indication,RSSI)和平均丟包率(Packet Loss Rate，PLR)可對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。

本研究選取豫東平原種植小麥的農(nóng)田作為試驗(yàn)場(chǎng)地，在小麥的拔節(jié)期和抽穗期，分別測(cè)試了本研究設(shè)計(jì)的780 MHz無線傳感器節(jié)點(diǎn)在不同距離下的平均丟包率PLR和接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值。測(cè)試參數(shù)為：發(fā)射功率為4 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率250 kbps，發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)距地面高度均為170 cm，天線增益為0，天線方向保持一致。發(fā)射節(jié)點(diǎn)每60 ms發(fā)送50個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包為32字節(jié)。每個(gè)位置的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值和平均丟包率LPR測(cè)試3次，取3組數(shù)據(jù)的平均值作為RSSI和LPR的有效數(shù)據(jù)。以間隔5 m逐步增大收發(fā)距離，共對(duì)30個(gè)點(diǎn)的RSSI和LPR進(jìn)行測(cè)試。在同一農(nóng)田環(huán)境下，采用上述方法對(duì)工作在2.4 GHz頻段的CC2530節(jié)點(diǎn)和工作在433 MHz頻段的RF1100SE射頻模塊的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值和平均丟包率LPR進(jìn)行測(cè)試。CC2530芯片是TI公司推出的新一代ZigBee無線射頻模塊，最大發(fā)射功率4.6 Bm，靈敏度高達(dá)-91 dBm、最大傳送速率250 kbps。RF1100SE射頻模塊發(fā)送433 MHz信號(hào)，采用Chipcon公司的CC1100無線通信芯片，該芯片可編程最大發(fā)射功率達(dá)10 dBm，靈敏度達(dá)-110 dBm，最大傳輸速率達(dá)500 kbps。

2.1 接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

780 MHz、433 MHz和2.4 GHz的無線收發(fā)模塊在小麥抽穗期和拔節(jié)期不同收發(fā)距離的RSSI曲線如圖4和圖5所示。

圖5 小麥抽穗期不同收發(fā)距離的接收信號(hào)強(qiáng)度Fig.5 RSSI of different distances in heading stage of wheat

圖4表明，在小麥拔節(jié)期時(shí)，3種不同頻段無線收發(fā)模塊的RSSI值都隨收發(fā)距離增大而減小。通信距離小于20 m時(shí)，3 種頻段信號(hào)的RSSI值基本相近；通信距離大于30 m以后，2.4 GHz信號(hào)的RSSI值明顯小于780 MHz和433 MHz信號(hào)的RSSI值；整個(gè)測(cè)試過程中780 MHz信號(hào)的RSSI值略大于433 MHz信號(hào)的RSSI值。

由圖5可見，在小麥抽穗期通信距離小于10 m時(shí)，3種頻段的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值比較接近并快速衰減；超過20 m后，433 MHz和780 MHz信號(hào)的RSSI值明顯大于2.4 GHz信號(hào)的RSSI值，780 MHz信號(hào)的RSSI值稍高于433 MHz信號(hào)RSSI值。從圖4和圖5可以看出，在收發(fā)距離相同條件下，3種頻段信號(hào)在小麥抽穗期的RSSI值要比小麥拔節(jié)期的RSSI值平均小5 dBm，說明小麥在抽穗期對(duì)無線電信號(hào)傳播造成的損耗要比在拔節(jié)期造成的損耗大。

2.2 丟包率測(cè)試結(jié)果

780 MHz、433 MHz和2.4 GHz的無線收發(fā)模塊在小麥拔節(jié)期和抽穗期不同收發(fā)距離下的丟包率LPR曲線如圖6和圖7所示。

圖6 小麥拔節(jié)期不同收發(fā)距離的丟包率Fig.6 Packet loss rate of different distances in jointing stage of wheat

由圖6可知，小麥拔節(jié)期收發(fā)距離在125 m的范圍內(nèi)，780 MHz和433 MHz無線收發(fā)模塊的丟包率均為0；收發(fā)距離達(dá)130 m時(shí)433 MHz無線收發(fā)模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，收發(fā)距離達(dá)140 m時(shí)780 MHz無線收發(fā)模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。2.4 GHz模塊在收發(fā)距離為95 m時(shí)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

圖7 小麥抽穗期不同收發(fā)距離的丟包率

由圖7可見，小麥抽穗期收發(fā)距離達(dá)90 m時(shí)2.4 GHz無線模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；收發(fā)距離達(dá)115 m時(shí)433 MHz無線模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；收發(fā)距離達(dá)120 m時(shí)780 MHz無線收發(fā)模塊開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，同樣在120 m距離處，433 MHz無線模塊丟包率接近6%，2.4 GHz無線模塊丟包率已經(jīng)接近52%。

3 結(jié)論

本研究采用MSP430F5438A單片機(jī)、AT86RF212無線射頻芯片設(shè)計(jì)了一種基于780 MHz中國(guó)專用頻段的農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在小麥拔節(jié)期和抽穗期對(duì)433 MHz、780 MHz和2.4 GHz頻段的WSN節(jié)點(diǎn)的丟包率和RSSI值進(jìn)行了測(cè)試、統(tǒng)計(jì)與分析，繪制了3種頻段無線收發(fā)模塊不同收發(fā)距離下的接收信號(hào)強(qiáng)度與丟包率曲線。

1)小麥拔節(jié)期在收發(fā)距離超過30 m后，780 MHz信號(hào)的強(qiáng)度比433 MHz大，2.4 GHz信號(hào)強(qiáng)度最小。收發(fā)距離達(dá)140 m時(shí)，780 MHz無線收發(fā)模塊開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，此距離大于433 MHz無線收發(fā)模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象時(shí)的120 m和2.4 GHz模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象時(shí)的105 m。

2)小麥抽穗期收發(fā)距離大于15 m時(shí)，780 MHz模塊的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值大于2.4 GHz和433 MHz信號(hào)強(qiáng)度。收發(fā)距離達(dá)120 m時(shí)，780 MHz無線收發(fā)模塊開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，此距離大于433 MHz無線收發(fā)模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象時(shí)的105 m和2.4 GHz模塊出現(xiàn)丟包現(xiàn)象時(shí)的90 m。

3)本研究結(jié)果表明，在農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，基于780 MHz和433 MHz頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能明顯優(yōu)于2.4 GHz頻段的WSN。780 MHz頻段的WSN的通信質(zhì)量與傳輸性能更佳，能夠滿足農(nóng)田信息采集的需要。

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(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

Design of wireless sensor network for field information acquisition based on 780 MHz

ZHENG Baozhou1, LI Fuqiang1, WU Lili1, YUAN Shuai2, LIN Aiying1, TENG Hongli1, DOU Gensheng1, YUAN Chao1

(1.College of Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China； 2．College of Mechanical and Electrical Engineering， Sichuan Agricultural University， Ya’an 625014， China)

A new type of wireless sensor network was developed with chips of MSP430F5438A and AT86RF212 which works on a Chinese dedicated band of 780 MHz and is compatible with the standard of IEEE802.15.4c for field information acquisition. This paper briefly described the structure of wireless sensor network node, mainly introducing the hardware design of a 780 MHz wireless sensor net-work. The choice and index parameters of sensor for soil moisture/temperature, air moisture/temperature and illuminance were listed. The paper also tested and analyzed the

signal strength index (RSSI) and the average packet loss rate (PLR) of the wireless sensor network node in 433 MHz, 780 MHz, and 2.4 GHz bands by changing the wireless communication distance in a wheat field of eastern Henan plain as the experiment-al environment. The experimental results showed that the transmission characteristics of the wireless sensor networks in the 433 MHz and 780 MHz bands were obviously better than the WSN of a 2.4GHz band in the application of field environmental monitoring. The 780 MHz band WSN was even superior as to transmission and communication quality performance, and could meet the demand of field information reliable transmission.

field information acquisition; wireless sensor networks; 780 MHz band; received signal intensity

2016-06-23

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(162102110108)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A510028; 16B413002)；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJCX2015A17)

鄭寶周(1979-)，男，河南桐柏人，講師，碩士，從事信息檢測(cè)與處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等方面的研究。

袁 超(1961-)，男，河南開封人，副教授。

1000-2340(2017)01-0060-06

TP212.6

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