劉杰

　?。ㄋ捱w學(xué)院 三系， 江蘇 宿遷 223000）

摘要：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)點部署密度、路由協(xié)議、能量消耗、基站設(shè)計和數(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)行實驗，實驗結(jié)果驗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。

關(guān)鍵詞：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)由大量廉價、小型的傳感器節(jié)點組成，在不同的應(yīng)用中能夠同時監(jiān)測多種參數(shù)［12］。

　　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間內(nèi)經(jīng)驗數(shù)據(jù)的收集來分析、判斷下一時刻監(jiān)測環(huán)境中的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，但這種監(jiān)測機(jī)制沒有考慮到延時的問題［56］。硬件和軟件上的優(yōu)化設(shè)計主要用于設(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)點有限的供電資源［7］。為了解決這一問題，一個可行的方案是在網(wǎng)絡(luò)采用高效能量路由協(xié)議的前提下給每個傳感器節(jié)點安裝一個太陽能電池板。

　　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

　　本系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要包括傳感器節(jié)點、基站和監(jiān)控終端。傳感器節(jié)點通過自組織的方式形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點負(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時監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

   1.1傳感器節(jié)點和基站設(shè)計

　　本文使用MICAz無線傳感器節(jié)點，該傳感器節(jié)點擁有一個737 MHz的處理器，帶有128 KB的ROM，4 KB的RAM和512 KB的Flash。其運行在24 GHz頻段，16頻道可調(diào)，每個頻道間有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€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)點支撐桿的高度，以保證天線的相對高度在50 cm左右。

　　1.3節(jié)點部署

　　水稻田間開放環(huán)境下的點對點通信，信號一般符合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)射到葉片上的信號會有很大衰減，其反射信號將會變得很差［9］。為了確保傳感器節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，需要分析相鄰傳感器?jié)點放置距離d的大小對接收信號強(qiáng)度的影響。

　　1.3.1節(jié)點間距測定

　　為了得到合理的節(jié)點間距值d，設(shè)計實驗：當(dāng)節(jié)點間距不斷增加時，記錄接收信號強(qiáng)度RSSI值的變化情況以及接收節(jié)點信包接收情況?？紤]到水稻高度的變化，節(jié)點間距測定實驗選擇在有一定時間跨度的兩個日期進(jìn)行，實驗的基本信息如表1所示。表1節(jié)點間距測定實驗信息表組別實驗日期水稻高度/cm實驗一2015年3月28日336實驗二2015年4月28日547

　　實驗示意圖如圖3所示［10］，兩個傳感器節(jié)點的間距d從2 m增加到30 m，每次增加2 m，發(fā)射節(jié)點發(fā)送功率保持為0 dBm。對不同的間距d，分別由發(fā)射節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送100個信包，接收節(jié)點記錄100個信包的RSSI值并取平均。

　　圖4給出了兩次實驗的實際測量值和基于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干擾因子，即：

　　地面反射系數(shù)為：

　　其中，θi是信號射線與地面之間的夾角，εr是地面的相對介電常數(shù)。上述計算用到的參數(shù)為：發(fā)送功率PT=1 mW=0 dBm；發(fā)射天線和接收天線增益GT=GR=1=0 dBi；發(fā)射天線和接收天線水平距離d=2~30 m；相對介電常數(shù)εr=4；波長λ=c/248 GHz≈01209 m；兩次實驗中收發(fā)天線距地面的高度ht和hr（ht=hr）分別為0836 m和1047 m。

　　從圖4可以看出，隨著節(jié)點間距的增大，實際測量到的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)點間距較大時，RSSI測量值衰減加快。實際測量值和理論值之間有一定的差值，是因為水稻田存在多徑效應(yīng)。

　　1.3.2節(jié)點部署位置

　　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，從降低實驗成本、提高實驗效率的角度來考慮，將實驗稻田面積縮小為15 m×50 m。

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

2太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

　　為了解決傳感器節(jié)點能量有限的問題，使用太陽能電池板為每個節(jié)點提供持續(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

　　本文設(shè)計了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)計圖分別如圖6、圖7、圖8所示?！?/p>

      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，要將其充滿至少需要1035 h的光照，對于實際應(yīng)用來說是比較合理的。

　　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對3個系統(tǒng)進(jìn)行電池組充放電實驗。圖9給出了SSPSSB、DSPSSB和DSPDSB電池組在一天當(dāng)中的充放圖9電池組24h充放電監(jiān)測圖

　　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，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)點持續(xù)供電的方案。方案中設(shè)計的3種供電系統(tǒng)都能完成傳感器節(jié)點的持續(xù)供電，DSPDSB供電系統(tǒng)的實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，可以考慮使用移動無線傳感器設(shè)備的解決方案。

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