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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精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)被稱為人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一場革命，并依托于信息技術(shù)。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信息供給是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的首要條件，它的實(shí)現(xiàn)依賴于大氣溫濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度況等多種先進(jìn)的傳感器。近年來，出現(xiàn)了許多采用無線公共網(wǎng)絡(luò)等無線通訊方式進(jìn)行農(nóng)、林、牧業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測的研究。這些無線通信技術(shù)的優(yōu)勢是傳輸速度快、信息量大、傳距離輸遠(yuǎn)。但因其功耗高、時(shí)延長、通信費(fèi)用高等因素，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中未得到廣泛的應(yīng)用。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有監(jiān)測精度高、實(shí)時(shí)性好、容量大、覆蓋區(qū)域大、功耗和成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，適合于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。開發(fā)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究降低其能耗、提高其生命周期和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
大多數(shù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，各個(gè)監(jiān)測區(qū)域相距較近，所布設(shè)的光照、濕度和溫度等傳感器節(jié)點(diǎn)可在同一無線節(jié)點(diǎn)的輻射區(qū)域內(nèi)；同時(shí)，控制中心一般都可持續(xù)提供能量，匯聚節(jié)點(diǎn)能量不限。為此，監(jiān)測WSN采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1)信息中心即管理節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上行發(fā)送的數(shù)據(jù)，并提供Web服務(wù)功能；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作失常，或者“死亡”時(shí)，應(yīng)能及時(shí)采取相應(yīng)措施。
2)匯聚節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送信標(biāo)幀，接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向信息中心轉(zhuǎn)發(fā)；接受信息中心查詢命令，并向傳感器節(jié)點(diǎn)下傳完成查詢?nèi)蝿?wù)。
3)傳感器節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)測信息，并及時(shí)地向匯聚節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)；當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量低于一定門限時(shí)能及時(shí)上傳低電量告警信息。傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在非工作狀態(tài)時(shí)一般處于休眠狀態(tài)。

2 通信協(xié)議
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測WSN具有單覆蓋、匯聚節(jié)點(diǎn)能量不限、實(shí)時(shí)性要求不高等特點(diǎn)，為了降低節(jié)點(diǎn)功耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，改進(jìn)傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，提出一種基于TDMA的星型MAC協(xié)議一START-MAC協(xié)議。
START—MAC協(xié)議采用信標(biāo)幀、確認(rèn)幀和數(shù)據(jù)幀3種幀格式。其中信標(biāo)幀用于匯聚節(jié)點(diǎn)的廣播同步；確認(rèn)幀用于匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)答傳感器節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)幀則用于承載傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。
協(xié)議中匯聚節(jié)點(diǎn)始終處于發(fā)送／接收轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，處于發(fā)送和處于接收狀態(tài)的時(shí)間比為1：1。匯聚節(jié)點(diǎn)每隔周期T即發(fā)送一定數(shù)目的廣播幀對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行廣播，該廣播幀包括了匯聚節(jié)點(diǎn)的同步信息。網(wǎng)內(nèi)要傳送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)任意接收一幀廣播幀，否則就丟棄。接收了廣播幀的節(jié)點(diǎn)延時(shí)一段時(shí)間后待匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，在規(guī)定的時(shí)隙里發(fā)送數(shù)據(jù)，否則轉(zhuǎn)入睡眠。這樣既避免了數(shù)據(jù)碰撞，又降低了能量的損耗。
將傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)協(xié)議步驟歸納如下：
1)控制傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，判斷是否為新數(shù)據(jù)，是則進(jìn)入步驟2)否則進(jìn)入步驟4)；
2)接收一幀信標(biāo)幀，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)；
3)延時(shí)至規(guī)定時(shí)隙，向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；
4)進(jìn)入低功耗，延時(shí)至下一周期。
匯聚節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)協(xié)議步驟如下：
1)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)；
2)若有確認(rèn)幀需要發(fā)送，則發(fā)送確認(rèn)幀，然后發(fā)送信標(biāo)幀對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步；
3)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)；
4)若接收狀態(tài)接收到數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行存儲(chǔ)、串口操作或LCD顯示，則進(jìn)行該操作，結(jié)束后轉(zhuǎn)到步驟1。
一個(gè)完整的START—MAC協(xié)議如圖2所示。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
低功耗是設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，MSP430F149MCU芯片因具有超低功耗、較高的數(shù)據(jù)處理速度快和系統(tǒng)工作穩(wěn)定而廣泛地應(yīng)用于的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。選用MSP430F149和CC1000射頻芯片設(shè)計(jì)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)和光照傳感器節(jié)點(diǎn)。