精準農業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡
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無線傳感器網(wǎng)絡有監(jiān)測精度高、實時性好、容量大、覆蓋區(qū)域大、功耗和成本低等顯著優(yōu)點，適合于精準農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)。開發(fā)用于精準農業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡，研究降低其能耗、提高其生命周期和可靠性等關鍵技術，具有重要的實用價值。
1 系統(tǒng)總體設計
大多數(shù)精準農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，各個監(jiān)測區(qū)域相距較近，所布設的光照、濕度和溫度等傳感器節(jié)點可在同一無線節(jié)點的輻射區(qū)域內；同時，控制中心一般都可持續(xù)提供能量，匯聚節(jié)點能量不限。為此，監(jiān)測WSN采用星型拓撲結構，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。
1)信息中心即管理節(jié)點，負責接收匯聚節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡上行發(fā)送的數(shù)據(jù)，并提供Web服務功能；當傳感器節(jié)點工作失常，或者“死亡”時，應能及時采取相應措施。
2)匯聚節(jié)點周期性發(fā)送信標幀，接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并通過GPRS網(wǎng)絡向信息中心轉發(fā)；接受信息中心查詢命令，并向傳感器節(jié)點下傳完成查詢任務。
3)傳感器節(jié)點采集監(jiān)測信息，并及時地向匯聚節(jié)點上傳數(shù)據(jù)；當某個節(jié)點的能量低于一定門限時能及時上傳低電量告警信息。傳感器節(jié)點采用電池供電，在非工作狀態(tài)時一般處于休眠狀態(tài)。
2 通信協(xié)議
精準農業(yè)監(jiān)測WSN具有單覆蓋、匯聚節(jié)點能量不限、實時性要求不高等特點，為了降低節(jié)點功耗、延長網(wǎng)絡生命周期，改進傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，提出一種基于TDMA的星型MAC協(xié)議一START-MAC協(xié)議。
START—MAC協(xié)議采用信標幀、確認幀和數(shù)據(jù)幀3種幀格式。其中信標幀用于匯聚節(jié)點的廣播同步；確認幀用于匯聚節(jié)點應答傳感器節(jié)點；數(shù)據(jù)幀則用于承載傳感器節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。
協(xié)議中匯聚節(jié)點始終處于發(fā)送／接收轉換的狀態(tài)，處于發(fā)送和處于接收狀態(tài)的時間比為1：1。匯聚節(jié)點每隔周期T即發(fā)送一定數(shù)目的廣播幀對全網(wǎng)進行廣播，該廣播幀包括了匯聚節(jié)點的同步信息。網(wǎng)內要傳送數(shù)據(jù)的節(jié)點任意接收一幀廣播幀，否則就丟棄。接收了廣播幀的節(jié)點延時一段時間后待匯聚節(jié)點轉入接收狀態(tài)，在規(guī)定的時隙里發(fā)送數(shù)據(jù)，否則轉入睡眠。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)點一個周期內協(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)，是則進入步驟2)否則進入步驟4)；
2)接收一幀信標幀，然后進入低功耗狀態(tài)；
3)延時至規(guī)定時隙，向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；
4)進入低功耗，延時至下一周期。
匯聚節(jié)點一個周期內協(xié)議步驟如下：
1)進入發(fā)送狀態(tài)；
2)若有確認幀需要發(fā)送，則發(fā)送確認幀，然后發(fā)送信標幀對全網(wǎng)進行時間同步；
3)轉入接收狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)；
4)若接收狀態(tài)接收到數(shù)據(jù)，需要進行存儲、串口操作或LCD顯示，則進行該操作，結束后轉到步驟1。
一個完整的START—MAC協(xié)議如圖2所示。
3 傳感器節(jié)點設計與實現(xiàn)
低功耗是設計傳感器節(jié)點的關鍵指標，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)定而廣泛地應用于的傳感器節(jié)點設計。選用MSP430F149和CC1000射頻芯片設計溫濕度傳感器節(jié)點和光照傳感器節(jié)點。
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