基于定向天線WSNs的水稻田溫濕度監測系統設計*

鄭少雄， 王衛星， 孫寶霞， 雷 剛， 郭惠凱

(華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642)

0 引 言

在推進農業信息化進程中，利用先進技術實現對農田環境信息的采集，對于精細農業生產中為農田耕作者提供科學決策具有重要意義[1]。無線傳感器網絡(WSNs)作為新興的技術，具有成本低、功耗小、可移動等特點，將其應用于周期長的農田信息采集中，能夠支持精準農業的實施[2～6]。在國外，美國緬因州上的大鴨島項目通過WSNs節點監測海燕棲息地的環境信息[7]；哈佛大學Mate Wel領導的研究小組利用WSNs對活火山Volcan Tungurahua進行了持續觀察，節點將采集的次聲波數據傳回距離火山幾萬米的監測站中[8]。這些都表明了WSNs在生態環境信息監測方面具有重大潛能。在國內，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議，設計了稻田水分監測的WSNs系統并進行組網驗證，該網絡在稻田中的可靠通信距離可達60 m，4 h周期采樣實驗中，節點生命周期可達190 d，但該系統未能靈活支持數據的實時采集，有待進一步優化。劉航[10]等人采用J2EE技術，開發了具有實時環境信息采集，具有可視化監測平臺的基于WSNs的稻田監測系統，但該系統主要研究可視化監測平臺的關鍵技術，沒有進行水稻田實地組網試驗，系統的優化有待加強。蔡義華等人[11]采用基于Zig Bee協議的WSNs技術，結合嵌入式技術，對小麥的3個典型生長期進行實驗，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，構建農田WSNs，實時對農田溫濕度進行檢查,并具有較高的精確性。

本文通過設計適用于定向天線的WSNs節點，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)路由協議，以及WSNs多級分簇路由算法簇頭更替策略，有效實現網絡能量平衡，進行了對水稻田的溫濕度監測實驗。

1 系統組成

本系統由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分由傳感器網絡節點和網絡協調器組成，軟件部分由監控終端組成。傳感器節點通過自組織方式構成網絡，傳感器采集網絡覆蓋內水稻田的溫濕度等環境信息，節點將收集到的數據進行處理，并將數據通過網絡協調器傳送到監控終端，從而實現對環境的實時監測[13]。系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖

1.1 傳感器節點構成

根據定向天線WSNs節點的設計準則[14]，結合水稻田地地勢平坦，監測面積廣等特點，設計出的節點包括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、具有強大時鐘系統的MSP430F149單片機作為主控芯片，工作電壓為3.3 V。串口通信模塊采用USART0，電平轉換芯片采用AMX232。無線通信模塊選擇nRF905射頻模塊，發送與接收頻率為433～915 MHz，其抗干擾能力較強，具有較遠的傳輸距離。傳感器模塊選擇錦州陽光科技公司的溫濕度復合傳感器DHT22，具有響應快、抗干擾能力強的特點[15]。圖3(a)為本文設計的節點實物圖，圖3(b)為實驗過程中便于節點在不同高度進行測試，而設計的將節點與定向天線裝載于三腳架上面的實驗裝置圖。

圖2 傳感器節點構成框圖

圖3 節點實物圖與實驗裝置圖

1.2 通信協議

針對水稻田種植密集，多處于平原且種植環境較少有障礙物影響的特點，環境信息的采集與傳輸需要通過遠距離通信，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、抗干擾等特點[16]，針對上述硬件結構，對現有典型的WSNs分簇路由協議的特征進行對比，多數不能與水稻田環境特征有效的匹配，不能直接應用于大規模水稻田的監測當中，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

本文設計的CBDA路由協議，利用了定向天線在一定角度范圍內發射信號，使得相鄰節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，而重復覆蓋的節點能夠成為簇頭，且節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通信,則直接向基站轉發數據;否則,將數據交給重復覆蓋區域的一級簇頭節點，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發數據;否則,將數據交給二級簇頭，然后再做判斷轉發,定向分簇路由協議流程見圖4。當水稻田的面積極大時，則可出現三級或者以上的簇頭，高層次簇頭在收集簇內成員節點信息的同時，具有識別低一層次簇頭的功能，減少了對原始數據的重復壓縮，從而降低數據失真和丟失的風險，且較近的成員節點可與基站直接通信，減少了網絡簇頭的數據負載[19]。

圖4 定向分簇路由協議算法流程圖

1.2.2 簇頭更替策略

當網絡正常運行時，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，否則會導致節點能量消耗過多而死亡。本設計中采用CBDA中利用的簇頭更替策略為當原簇頭能量消耗為原來1/2時，則判斷與鄰節點的網絡覆蓋范圍是否相同，若是，則將鄰節點更替為新簇頭;否則,判斷是否有低一級覆蓋程度的鄰節點，若有，則將低一級鄰節點更替為新簇頭。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點的天線發射范圍覆蓋，從而根據能量的不同而形成相應的簇頭，如果能量剩余過低，則網絡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點及時改變自身的發射功率，以便尋找遠處的簇頭，從而使得整個網絡能量平衡，防止出現部分節點過早死亡的現象[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 網絡體系構建

網絡體系包括以下4個部分：傳感器節點、簇頭、網絡協調器、監控終端。傳感器節點借助溫濕度傳感器對水稻田的環境信息進行實時采集，并將采集的數據進行壓縮融合后通過簇頭發送至網絡協調器當中。簇頭的主要作用為拓寬網絡的覆蓋范圍，本文采用的CBDA路由協議能夠將數據通過簇頭的選擇將節點的信息傳送到更遠的距離，能夠滿足水稻田種植面積廣的特點。網絡協調器主要負責連接傳感器節點與監控終端，能夠實現節點與監控中心的數據庫之間通信協議的轉換，同時也具有下達監測任務的功能并將傳感器節點的信息傳送到上位機當中[21]。監控終端具有數據庫功能，將監測到的信息進行顯示與存儲[22]。在本網絡體系中為了實現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:節點數據先通過判斷與基站距離后再通過多級簇頭實現與基站的通信，這樣節點信息能夠覆蓋更大的范圍，從而實現大面積的監控。

2)簇頭更替算法策略:節點通過判斷簇頭能量的下降，自動更替簇頭，使得網絡能量平衡，減少網絡簇頭的負載，為大面積監控提供能量保障。

2 系統的建立與測試

根據本文設計的傳感器節點進行試驗，采用6個節點進行組網實驗，將1個匯聚節點作為網絡協調器與監控終端相連接，1個節點為路由節點，其他4個節點作為數據采集節點。以本文設計的通信協議和應用程序作為軟件平臺，數據采集節點每0.5 h采集1次數據，通過無線電波將數據直接傳送到網絡協調器或者通過路由節點傳送至網絡協調器[23]，匯聚節點則通過串行通信將實驗數據傳送至監控終端進行顯示和存儲。圖6為節點布置三維模型圖。

圖6 傳感器節點布置三維模型圖

2.1 節點傳輸性能測試

水稻田多數種植面積較大，為了適用于水稻田環境信息的監測，傳感器節點必須擁有較遠的傳輸距離。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、拔節期、抽穗期分別進行實驗并設置傳感器網絡節點天線距離地面高度分別為0.5,1.0,1.5 m，采用2個傳感器節點進行點對點通信，工作電壓為3.3 V，通信頻率為433 MHz，固定發射功率為6 dBm，每隔5 min發送1次數據，利用激光測距儀測量兩節點間距離，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實驗提供參考。測量的5次最大通信距離數據與平均值如表2所示。實驗地點為華南農業大學岑村水稻田實驗基地。

表2 天線處于不同高度時節點的最大通信距離(m)

2.2 數據采集實驗

2.2.1 節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關系。本實驗采用用精準的空氣溫濕度系統在相同環境下，相同時間里對空氣溫濕度進行測量，將測量得到的數據與節點的測量值進行比較，以此計算傳感器節點對空氣溫濕度采集的精度。系統精準測試工具采用浙江托普儀器有限公司生產的TNHY—11手持農業氣象監測儀，測試時間為2013年4月10日8時至20時，測試地點為華南農業大學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據

通過SPSS軟件，對表3中節點和農業氣象監測儀采集的溫濕度數據分別進行獨立樣本t檢驗，溫度組數據測得的t=-0.044,sig=0.965>0.05，說明2組溫度數據間差異不顯著。濕度組數據測得的t=-0.026,sig=0.98>0.05，說明2組濕度數據間差異不顯著。

2.2.2 節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，本實驗通過搭載在WSNs節點上的溫濕度傳感器對水稻田中空氣溫濕度進行實時監測，實驗組網模型如圖6所示，各節點坐標布置分別為：節點1(0,0,1.5)m，節點2(5,5,1.5)m，節點3(53,8,1.5)m，節點4(12,48,1.5)m，節點5(55,32,1.5)m，節點6(28,68,1.5)m。以2013年4月12日，8:00至20：00的實驗數據為例，測得的結果如表4所示。

表4 傳感器節點空氣溫濕度數據采集情況

表4數據通過Matlab軟件擬合出來的二維圖如圖7所示。

3 結 論

結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議，搭建了基于定向天線WSNs的水稻田環境信息監測系統，并進行節點傳輸性能的測試與對水稻田環境信息進行采集實驗，結果表明:

1)CBDA路由協議由于數據都在一定角度范圍內傳送，且網絡中的節點根據簇首更替算法能實現簇頭的更替和簇群的重組，節點消耗能量較為平衡。

2)一定范圍內，節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)節點測得的溫度、濕度跟環境監測儀測得的數據差異不大，能夠有效實現對水稻田環境的實時監測。

4)各節點間測得的溫濕度顯示穩定，表明網絡連通性較好。

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