鄭少雄， 王衛(wèi)星， 孫寶霞， 雷 剛， 郭惠凱

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

0 引 言

在推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程中，利用先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信息的采集，對于精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為農(nóng)田耕作者提供科學(xué)決策具有重要意義[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為新興的技術(shù)，具有成本低、功耗小、可移動等特點，將其應(yīng)用于周期長的農(nóng)田信息采集中，能夠支持精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實施[2～6]。在國外，美國緬因州上的大鴨島項目通過WSNs節(jié)點監(jiān)測海燕棲息地的環(huán)境信息[7]；哈佛大學(xué)Mate Wel領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用WSNs對活火山Volcan Tungurahua進(jìn)行了持續(xù)觀察，節(jié)點將采集的次聲波數(shù)據(jù)傳回距離火山幾萬米的監(jiān)測站中[8]。這些都表明了WSNs在生態(tài)環(huán)境信息監(jiān)測方面具有重大潛能。在國內(nèi)，肖德琴[9]等人采用無線傳感器WFDMS，提出滿足水稻田采樣要求的低功耗傳輸控制協(xié)議，設(shè)計了稻田水分監(jiān)測的WSNs系統(tǒng)并進(jìn)行組網(wǎng)驗證，該網(wǎng)絡(luò)在稻田中的可靠通信距離可達(dá)60 m，4 h周期采樣實驗中，節(jié)點生命周期可達(dá)190 d，但該系統(tǒng)未能靈活支持?jǐn)?shù)據(jù)的實時采集，有待進(jìn)一步優(yōu)化。劉航[10]等人采用J2EE技術(shù)，開發(fā)了具有實時環(huán)境信息采集，具有可視化監(jiān)測平臺的基于WSNs的稻田監(jiān)測系統(tǒng)，但該系統(tǒng)主要研究可視化監(jiān)測平臺的關(guān)鍵技術(shù)，沒有進(jìn)行水稻田實地組網(wǎng)試驗，系統(tǒng)的優(yōu)化有待加強(qiáng)。蔡義華等人[11]采用基于Zig Bee協(xié)議的WSNs技術(shù)，結(jié)合嵌入式技術(shù)，對小麥的3個典型生長期進(jìn)行實驗，得出了最佳天線高度下的傳輸距離；曹明華等人[12]采用了兼容Zig Bee/IEEE 802.15.4的芯片，構(gòu)建農(nóng)田WSNs，實時對農(nóng)田溫濕度進(jìn)行檢查,并具有較高的精確性。

本文通過設(shè)計適用于定向天線的WSNs節(jié)點，采用了適合水稻田大面積種植的基于定向天線分簇(cluster-based with directional antenna，CBDA)路由協(xié)議，以及WSNs多級分簇路由算法簇頭更替策略，有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量平衡，進(jìn)行了對水稻田的溫濕度監(jiān)測實驗。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成，軟件部分由監(jiān)控終端組成。傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)水稻田的溫濕度等環(huán)境信息，節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送到監(jiān)控終端，從而實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測[13]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.1 傳感器節(jié)點構(gòu)成

根據(jù)定向天線WSNs節(jié)點的設(shè)計準(zhǔn)則[14]，結(jié)合水稻田地地勢平坦，監(jiān)測面積廣等特點，設(shè)計出的節(jié)點包括6個模塊(如圖2所示)：電源模塊、串口通信模塊、處理器模塊、傳感器模塊以及無線通信模塊。

處理器模塊采用超低功耗、具有強(qiáng)大時鐘系統(tǒng)的MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片，工作電壓為3.3 V。串口通信模塊采用USART0，電平轉(zhuǎn)換芯片采用AMX232。無線通信模塊選擇nRF905射頻模塊，發(fā)送與接收頻率為433～915 MHz，其抗干擾能力較強(qiáng)，具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。傳感器模塊選擇錦州陽光科技公司的溫濕度復(fù)合傳感器DHT22，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的特點[15]。圖3(a)為本文設(shè)計的節(jié)點實物圖，圖3(b)為實驗過程中便于節(jié)點在不同高度進(jìn)行測試，而設(shè)計的將節(jié)點與定向天線裝載于三腳架上面的實驗裝置圖。

圖2 傳感器節(jié)點構(gòu)成框圖

圖3 節(jié)點實物圖與實驗裝置圖

1.2 通信協(xié)議

針對水稻田種植密集，多處于平原且種植環(huán)境較少有障礙物影響的特點，環(huán)境信息的采集與傳輸需要通過遠(yuǎn)距離通信，可以充分利用定向天線增益較全向天線高、天線能量集中、方向性強(qiáng)、抗干擾等特點[16]，針對上述硬件結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有典型的WSNs分簇路由協(xié)議的特征進(jìn)行對比，多數(shù)不能與水稻田環(huán)境特征有效的匹配，不能直接應(yīng)用于大規(guī)模水稻田的監(jiān)測當(dāng)中，本文采用CBDA的WSNs分簇路由算法，能夠滿足水稻田的大范圍監(jiān)測需要且減少能量在無效方向上的消耗[17]。

1.2.1 CBDA簇路由算法

本文設(shè)計的CBDA路由協(xié)議，利用了定向天線在一定角度范圍內(nèi)發(fā)射信號，使得相鄰節(jié)點間的通信效率較全向天線能夠減少無效方向上的能量消耗，而重復(fù)覆蓋的節(jié)點能夠成為簇頭，且節(jié)點在建立新簇頭前會檢查自身能否跟基站通信而成為簇頭[18]，如果能夠與基站實現(xiàn)通信,則直接向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);否則,將數(shù)據(jù)交給重復(fù)覆蓋區(qū)域的一級簇頭節(jié)點，一級簇頭再檢查自身能否與基站通信，如果能夠則直接向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);否則,將數(shù)據(jù)交給二級簇頭，然后再做判斷轉(zhuǎn)發(fā),定向分簇路由協(xié)議流程見圖4。當(dāng)水稻田的面積極大時，則可出現(xiàn)三級或者以上的簇頭，高層次簇頭在收集簇內(nèi)成員節(jié)點信息的同時，具有識別低一層次簇頭的功能，減少了對原始數(shù)據(jù)的重復(fù)壓縮，從而降低數(shù)據(jù)失真和丟失的風(fēng)險，且較近的成員節(jié)點可與基站直接通信，減少了網(wǎng)絡(luò)簇頭的數(shù)據(jù)負(fù)載[19]。

圖4 定向分簇路由協(xié)議算法流程圖

1.2.2 簇頭更替策略

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正常運行時，由于能量的有限性，原簇頭能量下降為一定程度后就必須更替簇頭，否則會導(dǎo)致節(jié)點能量消耗過多而死亡。本設(shè)計中采用CBDA中利用的簇頭更替策略為當(dāng)原簇頭能量消耗為原來1/2時，則判斷與鄰節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是否相同，若是，則將鄰節(jié)點更替為新簇頭;否則,判斷是否有低一級覆蓋程度的鄰節(jié)點，若有，則將低一級鄰節(jié)點更替為新簇頭。第二次替換過程為判斷第一次更替后形成的新簇頭能否被足夠多節(jié)點的天線發(fā)射范圍覆蓋，從而根據(jù)能量的不同而形成相應(yīng)的簇頭，如果能量剩余過低，則網(wǎng)絡(luò)重新初始化選擇新簇頭。在多次簇頭更替中，有利于找不到簇頭的節(jié)點及時改變自身的發(fā)射功率，以便尋找遠(yuǎn)處的簇頭，從而使得整個網(wǎng)絡(luò)能量平衡，防止出現(xiàn)部分節(jié)點過早死亡的現(xiàn)象[20]。簇頭更替策略流程如圖5。

圖5 簇頭更替策略流程圖

1.3 網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)體系包括以下4個部分：傳感器節(jié)點、簇頭、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、監(jiān)控終端。傳感器節(jié)點借助溫濕度傳感器對水稻田的環(huán)境信息進(jìn)行實時采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮融合后通過簇頭發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器當(dāng)中。簇頭的主要作用為拓寬網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，本文采用的CBDA路由協(xié)議能夠?qū)?shù)據(jù)通過簇頭的選擇將節(jié)點的信息傳送到更遠(yuǎn)的距離，能夠滿足水稻田種植面積廣的特點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)連接傳感器節(jié)點與監(jiān)控終端，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫之間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時也具有下達(dá)監(jiān)測任務(wù)的功能并將傳感器節(jié)點的信息傳送到上位機(jī)當(dāng)中[21]。監(jiān)控終端具有數(shù)據(jù)庫功能，將監(jiān)測到的信息進(jìn)行顯示與存儲[22]。在本網(wǎng)絡(luò)體系中為了實現(xiàn)更大的傳輸距離和覆蓋范圍，采用了如下2種策略：

1)CBDA路由策略:節(jié)點數(shù)據(jù)先通過判斷與基站距離后再通過多級簇頭實現(xiàn)與基站的通信，這樣節(jié)點信息能夠覆蓋更大的范圍，從而實現(xiàn)大面積的監(jiān)控。

2)簇頭更替算法策略:節(jié)點通過判斷簇頭能量的下降，自動更替簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)能量平衡，減少網(wǎng)絡(luò)簇頭的負(fù)載，為大面積監(jiān)控提供能量保障。

2 系統(tǒng)的建立與測試

根據(jù)本文設(shè)計的傳感器節(jié)點進(jìn)行試驗，采用6個節(jié)點進(jìn)行組網(wǎng)實驗，將1個匯聚節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與監(jiān)控終端相連接，1個節(jié)點為路由節(jié)點，其他4個節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點。以本文設(shè)計的通信協(xié)議和應(yīng)用程序作為軟件平臺，數(shù)據(jù)采集節(jié)點每0.5 h采集1次數(shù)據(jù)，通過無線電波將數(shù)據(jù)直接傳送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者通過路由節(jié)點傳送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[23]，匯聚節(jié)點則通過串行通信將實驗數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控終端進(jìn)行顯示和存儲。圖6為節(jié)點布置三維模型圖。

圖6 傳感器節(jié)點布置三維模型圖

2.1 節(jié)點傳輸性能測試

水稻田多數(shù)種植面積較大，為了適用于水稻田環(huán)境信息的監(jiān)測，傳感器節(jié)點必須擁有較遠(yuǎn)的傳輸距離。針對水稻在3個不同生長期植株高度不同的特點，在水稻的苗期、拔節(jié)期、抽穗期分別進(jìn)行實驗并設(shè)置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點天線距離地面高度分別為0.5,1.0,1.5 m，采用2個傳感器節(jié)點進(jìn)行點對點通信，工作電壓為3.3 V，通信頻率為433 MHz，固定發(fā)射功率為6 dBm，每隔5 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)，利用激光測距儀測量兩節(jié)點間距離，以對比CBDA的WSNs在水稻植株高度不同時候信號傳輸距離的差別，為在不同生長期的水稻田組網(wǎng)實驗提供參考。測量的5次最大通信距離數(shù)據(jù)與平均值如表2所示。實驗地點為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)岑村水稻田實驗基地。

表2 天線處于不同高度時節(jié)點的最大通信距離(m)

2.2 數(shù)據(jù)采集實驗

2.2.1 節(jié)點溫濕度采集精度實驗

水稻生長過程中從秧苗期、分蘗期到開花受精期等階段都受空氣溫度和田間水分的影響[24]，而田間水分含量與空氣濕度成正相關(guān)關(guān)系。本實驗采用用精準(zhǔn)的空氣溫濕度系統(tǒng)在相同環(huán)境下，相同時間里對空氣溫濕度進(jìn)行測量，將測量得到的數(shù)據(jù)與節(jié)點的測量值進(jìn)行比較，以此計算傳感器節(jié)點對空氣溫濕度采集的精度。系統(tǒng)精準(zhǔn)測試工具采用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的TNHY—11手持農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測儀，測試時間為2013年4月10日8時至20時，測試地點為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)岑村水稻田實驗基地，所得見表3。

表3 空氣溫濕度采集精度測試數(shù)據(jù)

通過SPSS軟件，對表3中節(jié)點和農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測儀采集的溫濕度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行獨立樣本t檢驗，溫度組數(shù)據(jù)測得的t=-0.044,sig=0.965>0.05，說明2組溫度數(shù)據(jù)間差異不顯著。濕度組數(shù)據(jù)測得的t=-0.026,sig=0.98>0.05，說明2組濕度數(shù)據(jù)間差異不顯著。

2.2.2 節(jié)點間空氣溫濕度采集實驗

水稻的生長與其根部水分含量、葉面接收光照時間、空氣溫濕度緊密相關(guān)，本實驗通過搭載在WSNs節(jié)點上的溫濕度傳感器對水稻田中空氣溫濕度進(jìn)行實時監(jiān)測，實驗組網(wǎng)模型如圖6所示，各節(jié)點坐標(biāo)布置分別為：節(jié)點1(0,0,1.5)m，節(jié)點2(5,5,1.5)m，節(jié)點3(53,8,1.5)m，節(jié)點4(12,48,1.5)m，節(jié)點5(55,32,1.5)m，節(jié)點6(28,68,1.5)m。以2013年4月12日，8:00至20：00的實驗數(shù)據(jù)為例，測得的結(jié)果如表4所示。

表4 傳感器節(jié)點空氣溫濕度數(shù)據(jù)采集情況

表4數(shù)據(jù)通過Matlab軟件擬合出來的二維圖如圖7所示。

3 結(jié) 論

結(jié)合水稻田種植面積廣，水稻不同生長期植株高度不同的特點，利用基于定向天線的分簇路由協(xié)議，搭建了基于定向天線WSNs的水稻田環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行節(jié)點傳輸性能的測試與對水稻田環(huán)境信息進(jìn)行采集實驗，結(jié)果表明:

1)CBDA路由協(xié)議由于數(shù)據(jù)都在一定角度范圍內(nèi)傳送，且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)簇首更替算法能實現(xiàn)簇頭的更替和簇群的重組，節(jié)點消耗能量較為平衡。

2)一定范圍內(nèi)，節(jié)點天線在水稻田中所處高度不同，其最大通信距離也不同，處于0.5 m高度時,為207.4 m;處于1.0 m高度時,為235.6 m;處于1.5 m高度時,為258.2 m。

3)節(jié)點測得的溫度、濕度跟環(huán)境監(jiān)測儀測得的數(shù)據(jù)差異不大，能夠有效實現(xiàn)對水稻田環(huán)境的實時監(jiān)測。

4)各節(jié)點間測得的溫濕度顯示穩(wěn)定，表明網(wǎng)絡(luò)連通性較好。

參考文獻(xiàn):

[1]韓文霆,郁曉慶,張增林,等.農(nóng)業(yè)環(huán)境信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(2):326-330.

[2]劉成良,李彥明,張佳寶,等.基于3S技術(shù)聯(lián)合的農(nóng)田墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(4):169-174.

[3]俞 立,張文安,徐青香,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(2):107-112.

[4]韓文霆,吳普特,郁曉慶,等.農(nóng)業(yè)環(huán)境信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(2):326-330.

[5]錢志鴻,王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報,2013,35(1):215-117.

[6]喬曉軍,張 馨,王 成,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(S2)：232-234.

[7]Polastre Mainwaring J,Szewczyk R,Culler D,et al.Wireless sensor networks for habitat monitoring[C]∥ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications,2002:88-97.

[8]Werner-Allen J Johnson,Ruiz M,Lees J,et al.Monitoring volcanic eruptions with a wireless sensor network[C]∥Proc of European Workshop on Sensor Networks (EWSN’05),2005.

[9]肖德琴,古志春,馮健昭,等.稻田水分監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(2):174-179.

[10] 劉 航.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的稻田環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[11] 蔡義華,劉 剛,李 莉,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息采集節(jié)點設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(4):176-178.

[12] 曹明華,王惠琴.基于WSNs的農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國農(nóng)機(jī)化,2011,237(5)：96-101.

[13] 劉向舉,劉麗娜.基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,31(3):37-39.

[14] 張 衡,陳東義,劉 冰,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)天線的應(yīng)用選擇研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2010,39(S1):85-88.

[15] 唐中一,王明勝,舒 領(lǐng).基于NRF24L01遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2011,156(4):44-45.

[16] 劉 軍,孫 茜,李少華,等.基于定向天線的無線自組網(wǎng)拓?fù)淇刂扑惴╗J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,133(9):1257-1260.

[17] 唐 琳,夏 越.基于定向天線的無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自適應(yīng)定位算法[J].電信科學(xué),2012(7):80-85.

[18] 劉 根.基于定向天線的WSN分簇路由協(xié)議[D].成都:電子科技大學(xué),2009.

[19] 馮延蓬,仵 博,鄭紅燕,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤動態(tài)簇成員調(diào)度策略[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(7):26-29.

[20] 劉 垠,吳援明.有向擴(kuò)散的無線傳感器分簇路由協(xié)議[J].信息技術(shù),2009(9):88-91.

[21] 馮友宏,麻金繼,楊凌云,等.基于物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW 高效環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(2):128-134.

[22] 李 震,Wang Ning,洪添勝,等.農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(2):212-217.

[23] 劉 卉,汪懋華,王躍宣,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2008,38(3):605-608.

[24] 于 強(qiáng),陸佩玲,劉建棟,等.作物光溫生產(chǎn)力模型及南方水稻適宜生長期的數(shù)值分析[J].自然資源學(xué)報,1999,14(2):164-168.