劉 杰

(宿遷學(xué)院 三系， 江蘇 宿遷 223000)

自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水稻田監(jiān)測應(yīng)用*

劉 杰

(宿遷學(xué)院 三系， 江蘇 宿遷 223000)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測應(yīng)用中，每種應(yīng)用都有其對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)部署方案。像水稻田監(jiān)測這類室外監(jiān)測問題，需要考慮天線放置、節(jié)點(diǎn)部署密度、路由協(xié)議、能量消耗、基站設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于上述問題，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水稻田監(jiān)測的應(yīng)用，給出了具體的解決方案，利用太陽能電池板解決傳統(tǒng)WSN生命周期受傳感器節(jié)點(diǎn)能量限制的問題。在一塊面積為15 m×50 m的矩形水稻田中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了太陽能電池板于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水稻田監(jiān)測應(yīng)用中的有效性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);水稻田監(jiān)測；自供電；太陽能電板

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用始于小范圍的區(qū)域部署[3-4]，這種部署方式旨在通過短時(shí)間內(nèi)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集來分析、判斷下一時(shí)刻監(jiān)測環(huán)境中的各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，但這種監(jiān)測機(jī)制沒有考慮到延時(shí)的問題[5-6]。硬件和軟件上的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要用于設(shè)備電源管理和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，然而，這些優(yōu)化仍然受制于傳感器節(jié)點(diǎn)有限的供電資源[7]。為了解決這一問題，一個(gè)可行的方案是在網(wǎng)絡(luò)采用高效能量路由協(xié)議的前提下給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)安裝一個(gè)太陽能電池板。

本文結(jié)合水稻田監(jiān)測問題，首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述與分析，并相應(yīng)給出了解決方案。

1 水稻田監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、基站和監(jiān)控終端。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集覆蓋范圍內(nèi)水稻田的環(huán)境信息，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理傳送給基站?；緦⑹盏降乃袛?shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，之后送往監(jiān)控中心，從而完成對水稻田的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)和基站設(shè)計(jì)

本文使用MICAz無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該傳感器節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)7.37 MHz的處理器，帶有128 KB的ROM，4 KB的RAM和512 KB的Flash。其運(yùn)行在2.4 GHz頻段，16頻道可調(diào)，每個(gè)頻道間有5 MHz的頻帶間隔，無線數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到250 kb/s。默認(rèn)使用2AA電池組供電?；局饕梢粋€(gè)嵌入式主板MPC8241組成，其配有3G/4G模塊、Wi-Fi模塊，并通過接口電路板MIB520連有MICAz節(jié)點(diǎn)模塊。

1.2 天線安置

高效的無線通信要求通信環(huán)境具有良好的視距傳輸條件。因此，針對本文水稻田監(jiān)測應(yīng)用，并利用惠更斯-菲涅爾原理，天線高度應(yīng)保持在距水稻作物頂端上方50 cm的位置[8]，天線安置示意圖如圖2所示?？紤]到水稻的持續(xù)生長，需要定期調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)支撐桿的高度，以保證天線的相對高度在50 cm左右。

企業(yè)在使用大數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)建立完整的網(wǎng)絡(luò)信息管理制度，根據(jù)使用者的實(shí)際情況制定合理的管理制度，明確對于企業(yè)信息以及個(gè)人信息泄露的懲罰規(guī)定，使使用者能夠加強(qiáng)對于信息資源的管理能力，還應(yīng)對于企業(yè)信息的管理人員進(jìn)行專業(yè)的技術(shù)訓(xùn)練，使其能夠正確使用大數(shù)據(jù)中的信息資源，避免出現(xiàn)信息泄露的事件發(fā)生，同時(shí)，大數(shù)據(jù)運(yùn)用平臺(tái)應(yīng)加強(qiáng)對于信息的監(jiān)管制度，增加網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的安全性，加大對于網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的基金投入，使其能夠在信息資源的獲取中設(shè)立安全保障措施，防止黑客的入侵，以此來保障企業(yè)信息的安全。

圖2 天線安置示意圖

1.3 節(jié)點(diǎn)部署

水稻田間開放環(huán)境下的點(diǎn)對點(diǎn)通信，信號(hào)一般符合two-ray傳輸模型。由于水稻葉片具有較低的介電常數(shù)，因此發(fā)射到葉片上的信號(hào)會(huì)有很大衰減，其反射信號(hào)將會(huì)變得很差[9]。為了確保傳感器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枰治鱿噜弬鞲衅鞴?jié)點(diǎn)放置距離d的大小對接收信號(hào)強(qiáng)度的影響。

1.3.1 節(jié)點(diǎn)間距測定

為了得到合理的節(jié)點(diǎn)間距值d，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距不斷增加時(shí)，記錄接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值的變化情況以及接收節(jié)點(diǎn)信包接收情況?？紤]到水稻高度的變化，節(jié)點(diǎn)間距測定實(shí)驗(yàn)選擇在有一定時(shí)間跨度的兩個(gè)日期進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的基本信息如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)間距測定實(shí)驗(yàn)信息表

實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示[10]，兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的間距d從2 m增加到30 m，每次增加2 m，發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率保持為0 dBm。對不同的間距d，分別由發(fā)射節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送100個(gè)信包，接收節(jié)點(diǎn)記錄100個(gè)信包的RSSI值并取平均。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)間距離影響實(shí)驗(yàn)示意圖

圖4給出了兩次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際測量值和基于free space模型、two-ray模型的理論值。在two-ray模型中，其接收功率相當(dāng)于自由空間傳輸模型下的接收功率乘上一個(gè)干擾因子，即：

PR,2r=PR,fs|1+Γejφ|2

(1)

自由空間傳輸模型的接收功率為：

(2)

地面反射系數(shù)為：

(3)

其中，θi是信號(hào)射線與地面之間的夾角，εr是地面的相對介電常數(shù)。上述計(jì)算用到的參數(shù)為：發(fā)送功率PT=1mW=0dBm；發(fā)射天線和接收天線增益GT=GR=1=0dBi；發(fā)射天線和接收天線水平距離d=2～30m；相對介電常數(shù)εr=4；波長λ=c/2.48GHz≈0.1209m；兩次實(shí)驗(yàn)中收發(fā)天線距地面的高度ht和hr(ht=hr)分別為0.836m和1.047m。

圖4 節(jié)點(diǎn)間距與RSSI值關(guān)系圖

從圖4可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)間距的增大，實(shí)際測量到的RSSI值成起伏式下降，其整體下降趨勢與two-ray模型理論值的變化趨勢也是一致的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距較大時(shí)，RSSI測量值衰減加快。實(shí)際測量值和理論值之間有一定的差值，是因?yàn)樗咎锎嬖诙鄰叫?yīng)。

1.3.2 節(jié)點(diǎn)部署位置

典型的水稻田面積一般為12 000 m2，通常是60 m×200 m并進(jìn)一步平均分為兩塊，每一塊為60 m×100 m[11]。本文在此基礎(chǔ)上，從降低實(shí)驗(yàn)成本、提高實(shí)驗(yàn)效率的角度來考慮，將實(shí)驗(yàn)稻田面積縮小為15 m×50 m。

根據(jù)1.3.1節(jié)的分析，并結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，節(jié)點(diǎn)間距d的取值為5 m，圖5給出了傳感器節(jié)點(diǎn)部署位置示意圖。當(dāng)然，如果傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件有所提升，通信性能有所增加，則可以相應(yīng)減少傳感器節(jié)點(diǎn)的部署數(shù)量，增大節(jié)點(diǎn)間距。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)部署位置圖

2 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限的問題，使用太陽能電池板為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)電能。雖然在持續(xù)光照條件下利用太陽能能夠解決節(jié)點(diǎn)能量有限的問題，但仍需綜合考慮天氣條件易變性、電池初始容量和最大容量、電池過耗或過充等眾多因素。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了3種不同的太陽能供電系統(tǒng)，分別是單太陽能板單電池組SSP-SSB、雙太陽能板單電池組DSP-SSB和雙太陽能板雙電池組DSP-DSB，3種供電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 SSP-SSB供電系統(tǒng)

圖7 DSP-SSB供電系統(tǒng)

圖8 DSP-DSB供電系統(tǒng)

2.2 性能分析

太陽能電板能夠產(chǎn)生4.3 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。MICAz模塊需要大約24 mA的供電，LP3871輸入終端的實(shí)際供電需求為24.4 mA。另一方面，由太陽能電板提供的標(biāo)準(zhǔn)電流為0.5 W/4.3 V≈116 mA，因此實(shí)際充電電流為116 mA-24.4 mA=91.6 mA。理論上說，在電池組初始容量為總?cè)萘康囊话霑r(shí)，要將其充滿至少需要10.35 h的光照，對于實(shí)際應(yīng)用來說是比較合理的。

圖9 電池組24h充放電監(jiān)測圖

為了分析3類太陽能供電系統(tǒng)的工作性能，在同一塊水稻田中同時(shí)對3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電池組充放電實(shí)驗(yàn)。圖9給出了SSP-SSB、DSP-SSB和DSP-DSB電池組在一天當(dāng)中的充放電情況。比較圖9中的測量數(shù)據(jù)可以看出，即便是在光照條件一般甚至沒有光照時(shí)，SSP-SSB、DSP-SSB對電池組電力的維持也較好，但是這兩種太陽能供電系統(tǒng)更可能出現(xiàn)過充現(xiàn)象。DSP-DSB解決了過充問題，電池組充放電情況比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的水稻田監(jiān)測系統(tǒng)。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了闡述，并使用太陽能電板為傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電的方案。方案中設(shè)計(jì)的3種供電系統(tǒng)都能完成傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)供電，DSP-DSB供電系統(tǒng)的實(shí)際性能較其他兩種供電系統(tǒng)更為優(yōu)良。下一步的應(yīng)用，可以考慮使用移動(dòng)無線傳感器設(shè)備的解決方案。

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Paddy field monitoring using self-powered wireless sensor network

Liu Jie

(Department of the Third, School of Suqian, Suqian 223800, China)

Wireless sensor network has been widely used in various monitoring applications, each with its deployment solution. In the case of paddy field monitoring, antenna placement, node deployed density, routing protocol, energy consumption, base station design and data collection should be considered. According to the above problems, this paper proposes some practical solutions about paddy field monitoring with wireless sensor network. The problem of energy constraint of WSN nodes can be solved by using solar panels. The experiments were conducted in a rectangular paddy field of size 15 m×50 m. The results verify the effectiveness of the solar panels used in the paddy field monitoring application.

wireless sensor network; paddy field monitoring; self-powered; solar panels

宿遷學(xué)院科研基金項(xiàng)目(2013KY13)

TN393

A

1674-7720(2016)02-0082-03

劉杰. 自供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水稻田監(jiān)測應(yīng)用[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：82-84,89.

2015-09-16)

劉杰(1981-)，男，碩士，講師，主要研究方向：信息檢索、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)和信息安全。