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

作者：時(shí)間：2013-10-21 來源：網(wǎng)絡(luò)

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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(qǐng)或是告警數(shù)據(jù)幀，則需在該階段的開始對(duì)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(duì)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(qǐng)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(cè)試
1)丟包率測(cè)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。
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3000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(duì)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3000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。

2)功耗測(cè)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(cè)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2．1μA。
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(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(cè)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100μs。
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。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?jī)蓚€(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)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(shí)，電池容量損耗約2 000 mAh。可以粗略估計(jì)出節(jié)點(diǎn)的使用壽命約為2 000／0．1118=17 889 h=745．4天?？梢钥吹剑瑐鞲衅鞴?jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)可以使用1年以上。

6 結(jié)束語(yǔ)
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(duì)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。對(duì)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(cè)WSN的實(shí)際需要。