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

作者：時間：2013-10-21 來源：網(wǎng)絡(luò)

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2)匯聚節(jié)點軟件設(shè)計
匯聚節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)初始化。然后進入周期的開始狀態(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)點接收到來自傳感器節(jié)點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)點回復(fù)確認(rèn)幀。接下來，匯聚節(jié)點開始發(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)點進行時間同步。發(fā)送完所有的信標(biāo)幀后，匯聚節(jié)點即轉(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)點進行其他操作，若接收到傳感器數(shù)據(jù)，則讀當(dāng)前時間值，將其存儲在外部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)點進入下一周期。匯聚節(jié)點的主程序流程圖如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試
1)丟包率測試
實驗條件：射頻收發(fā)頻率為433．3 MHz，節(jié)點發(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。
取一傳感器節(jié)點于實驗室環(huán)境下，傳感器節(jié)點共發(fā)送3000個數(shù)據(jù)包，根據(jù)匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)，得到單點通信時網(wǎng)絡(luò)的丟包率，實驗結(jié)果如表1所示；取3個傳感器節(jié)點于實驗室環(huán)境下，對匯聚節(jié)點發(fā)送不同數(shù)據(jù)。每個節(jié)點均發(fā)送3000個數(shù)據(jù)，根據(jù)匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)，得到多點通信時網(wǎng)絡(luò)的丟包率，實驗結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看到，系統(tǒng)的每個節(jié)點丟包率都在1％以下，能滿足系統(tǒng)的要求。

2)功耗測試
傳感器節(jié)點主要有發(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個狀態(tài)。經(jīng)實驗測得，傳感器節(jié)點發(fā)射狀態(tài)電流為24．72 mA，接收狀態(tài)電流為12．74 mA，活動狀態(tài)電流為2．53 mA，溫濕度傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)時電流為3．20 mA，光照傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)時電流為3．40 mA，節(jié)點處于休眠狀態(tài)時電流為2．1μA。
射頻模塊從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入接收或發(fā)射狀態(tài)所需時間為4．3 ms和4．6 ms。傳感器節(jié)點接收信標(biāo)幀和發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間經(jīng)試驗測得分別為9．45 ms和7．95 ms。同時溫濕度傳感器采集一次完整數(shù)據(jù)的時間為4．1 ms，光照傳感器采集一次完整數(shù)據(jù)的時間約為100μs。
當(dāng)系統(tǒng)采用電池供電時，系統(tǒng)的平均工作電流決定了系統(tǒng)的壽命。根據(jù)系統(tǒng)平均工作電流的計算公式，Iavg為系統(tǒng)活動狀態(tài)時的工作電流與活動時間的乘積與休眠狀態(tài)電流與休眠時間的乘積之和再去除以總的工作時間。假設(shè)節(jié)點每個工作周期為2 s，節(jié)點每兩個周期上傳一次數(shù)據(jù)，每個周期都采集數(shù)據(jù)?？梢杂嬎愠鰷貪穸葌鞲衅鞴?jié)點平均工作電流為

因為光照傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)時間遠(yuǎn)小于溫濕度傳感器節(jié)點，因此平均工作電流小于0．111 8 mA。節(jié)點的工作截止電壓為2．7 V。假設(shè)采用常見的兩節(jié)15 V、容量為2700 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，電池容量損耗約2 000 mAh。可以粗略估計出節(jié)點的使用壽命約為2 000／0．1118=17 889 h=745．4天。可以看到，傳感器節(jié)點應(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)計和通訊協(xié)議兩個方面降低節(jié)點功耗，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，采用改進的MAC協(xié)議，可進一步降低節(jié)點功耗，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，以達到各種精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測WSN的實際需要。