精准农业无线传感器网络

作者：时间：2013-10-21来源：网络收藏

2)汇聚节点软件设计
汇聚节点上电后，首先进行系统初始化。然后进入周期的开始状态，即信标帧发送阶段。在此阶段中，若上一周期汇聚节点接收到来自传感器节点的加入申请或是告警数据帧，则需在该阶段的开始对传感器节点回复确认帧。接下来，汇聚节点开始发送信标帧，对网内欲发送数据的传感器节点进行时间同步。发送完所有的信标帧后，汇聚节点即转入接收状态，接收数据帧。等待接收周期结束后，汇聚节点进行其他操作，若接收到传感器数据，则读当前时间值，将其存储在外部Flash中，并通过串口上传信息中心。若接收到加入申请或告警数据，则也通过串口操作上传信息中心，待处理完成后标记确认帧。完成这些操作后，汇聚节点进入下一周期。汇聚节点的主程序流程图如图7所示。

5 系统测试
1)丢包率测试
实验条件：射频收发频率为433．3 MHz，节点发送增益为10 dBm，数据传输速率为9．6 kbit／s，数据编码格式为NRZ码，调制方式为FSK。
取一传感器节点于实验室环境下，传感器节点共发送3000个数据包，根据汇聚节点接收到的数据包数，得到单点通信时网络的丢包率，实验结果如表1所示；取3个传感器节点于实验室环境下，对汇聚节点发送不同数据。每个节点均发送3000个数据，根据汇聚节点接收到的数据包数，得到多点通信时网络的丢包率，实验结果如表2所示。从表中数据可以看到，系统的每个节点丢包率都在1％以下，能满足系统的要求。

2)功耗测试
传感器节点主要有发射数据、接收数据、采集数据和休眠状态4个状态。经实验测得，传感器节点发射状态电流为24．72 mA，接收状态电流为12．74 mA，活动状态电流为2．53 mA，温湿度传感器节点采集数据时电流为3．20 mA，光照传感器节点采集数据时电流为3．40 mA，节点处于休眠状态时电流为2．1μA。
射频模块从休眠状态转入接收或发射状态所需时间为4．3 ms和4．6 ms。传感器节点接收信标帧和发送数据帧的时间经试验测得分别为9．45 ms和7．95 ms。同时温湿度传感器采集一次完整数据的时间为4．1 ms，光照传感器采集一次完整数据的时间约为100μs。
当系统采用电池供电时，系统的平均工作电流决定了系统的寿命。根据系统平均工作电流的计算公式，Iavg为系统活动状态时的工作电流与活动时间的乘积与休眠状态电流与休眠时间的乘积之和再去除以总的工作时间。假设节点每个工作周期为2 s，节点每两个周期上传一次数据，每个周期都采集数据。可以计算出温湿度传感器节点平均工作电流为

因为光照传感器节点采集数据时间远小于温湿度传感器节点，因此平均工作电流小于0．111 8 mA。节点的工作截止电压为2．7 V。假设采用常见的两节15 V、容量为2700 mAh左右的锂电池供电，根据锂电池放电特性，当放电至2．7 V时，电池容量损耗约2 000 mAh。可以粗略估计出节点的使用寿命约为2 000／0．1118=17 889 h=745．4天。可以看到，传感器节点应当可以使用1年以上。

6 结束语
无线传感器网络的生命周期是其应用的关键，从硬件设计和通讯协议两个方面降低节点功耗，是目前普遍采用的主要措施。选用低功耗的MCU和射频器件，可降低节点的工作功耗，选用具有微静态功耗的MCU，能够大大降低节点的平均功耗。针对小规模的农田WSN星型结构的特殊性，采用改进的MAC协议，可进一步降低节点功耗，延长网络的生命周期。对中、大规模的农田WSN，研究其网络结构及其通讯协议，以达到各种精准农业监测WSN的实际需要。