基于茶園旱情監測的無線傳感器節點能耗檢測

潘小紅

摘要：針對茶園旱情監測設計適用于無線傳感器節點能量檢測的功率計，該系統采用AVR系列Mega16單片機，通過測量精密電阻兩端的電壓差，從而測量出通過節點的電流和加在節點兩端的電壓，功率計1 s刷新1次顯示，實時顯示節點當前所消耗的電能和平均功率。對茶園中節點采用隨機部署和確定型部署，并用功率計對2種部署中的節點能量進行測試。結果表明，該系統能以較高精度監測節點的功耗，為今后無線傳感器網絡的能耗分析提供了數據依據。

關鍵詞：無線傳感器節點；茶園；能量檢測；功率計

中圖分類號： TP212文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）06-0207-04

茶園中溫濕度是影響茶葉產量的決定性因素。近些年來，絕大部分地區的茶園都因高溫干旱受到嚴重影響，所以茶園旱情監測越來越受到人們的重視。由于傳統的茶園旱情監測方式已經不能適應當前形勢的需要，將無線傳感器網絡技術應用于茶園旱情監控，實現監控管理自動化勢在必行。

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的無線傳感器節點組成，并通過無線通信方式形成的多跳自組織的網絡系統。無線傳感器網絡節點負責傳感和信息預處理，響應監控主機的指令進行數據收發，是構成無線傳感器網絡的基本單元，節點的穩定運行是整個網絡可靠性的基本保證。無線傳感器節點通常采用電池供電，所以使用的能量有限。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能地降低消耗，延長無線傳感器網絡的生命周期，提高網絡性能，達到應用要求，成為無線傳感器網絡研究的核心問題。

本研究對部署在茶園中的傳感器節點設計了1個可以實時測量節點能量的系統，并對菱形部署、隨機部署2種方式的無線傳感器網絡進行了測試，結果顯示測量數據準確。

1典型節點的能耗測量方法

節點的能耗監測是無線傳感器網絡能耗研究的基礎問題，目前國內外關于節點的能耗測量方法主要有仿真方法、硬件試驗方法。仿真方法是使用ns-2、simulink、Power TOSSIM等軟件對節點的能耗進行分析，而試驗方法是采用硬件電路對節點的功耗進行測量分析。

PowerTOSSIM采用實測的MICA2節點的能耗模型對節點所消耗的能量進行跟蹤，實現了對無線傳感器網絡的能耗性能評價[1-2]。但是使用模擬工具進行仿真都是在給定參數下進行的，與實際的情況存在一定差距。

文獻[3]中提出了1種使用軟件探針的方法，該方法通過插入代碼和使用外部電路配合組件可以對無線傳感器網絡的能耗情況進行實時監測，且抗干擾性較好；但是這種方法對硬件要求很高，而且還受到節點的軟件平臺限制[3]。

Panthachai等提出了一種基于外部電流測量的實測能耗方法，它通過給外接的電流取樣電阻加上數字示波器來測量節點的能耗[4]。但是這種方法由于電流取樣電阻過大，會影響節點的運行，另外通過人工觀測示波器測量電阻上的電壓，很難實現對數據的連續性分析和存儲。

由于現有的功率因素測量方法都有局限性，本研究通過微處理技術和數字電路技術實現了對無線傳感器網絡節點的功耗在線測量。

2無線傳感器節點功率計系統

系統功率計由單片機最小系統、模/數（A/D）轉換模塊、差分放大模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、電源模塊和精密電阻等模塊組成，系統框架見圖1。

3無線傳感器節點功率計硬件設計

本設計中使用的單片機是ATMEL公司的ATMegal6單片機，它是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位互補金屬氧化物半導體（CMOS）微控制器。ATMegal6的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，它有16 kB的程序存儲空間，1 kB內部SRAM，512B內置EEPROM。外部共有32個通用輸入/輸出（GPIO），1路通用同步/異步串行接收/發送器（USART），1路主從串行外設接口（SPI），1路I2C，2個8位定時器，1個16位定時器，4通道脈沖寬度調制（PWM）輸出，8路10位A/D輸入。ATMegal6單片機性能穩定、性價比高。

3.1鍵盤電路和顯示電路

鍵盤電路由復位按鈕Reset button、開始按鈕Start button和停止按鈕Stop button組成。電路如圖2所示。液晶顯示模塊1602如圖3所示，能對無線傳感器節點的電壓、電流和消耗的平均功率以及消耗的總電能等數據1 s刷新1次顯示。

3.2電源模塊的設計

本設計可以輸出5 V直流電源和3 V直流電源。其中，單片機使用5 V工作電壓，無線傳感器節點使用3 V工作電壓，其原理如圖4所示。

4無線傳感器節點功率計軟件設計

軟件設計主要包含鍵盤掃描、顯示模塊、定時器中斷、模數轉換（ADC）中斷、數據處理模塊。顯示模塊以1 s刷新1次顯示，其主程序設計流程如圖5所示。

中斷服務程序包括定時器中斷服務程序和A/D模數轉換中斷服務程序，如圖6所示。定時器中斷服務程序可以產生1 ms定時中斷，并啟動A/D模數轉化。通過設置標示位對2路模擬信號進行輪流采樣，采樣頻率設置為1 kHz。

5功耗測試

對茶園進行無線傳感器節點部署，并采用菱形部署、隨機

部署2種方案[5]，詳見圖7、圖8。

設定傳感器節點MicaZ每20 min開啟傳感器模塊進行數據采集，待采集結束后啟動發射模塊。隨機部署網絡中節點的發射功率為0dbm，菱形部署網絡中節點的發射功率為

-3 dbm，試驗中對隨機部署、菱形部署中2、4、5、6號節點電流、功耗分別進行了測試，結果分別見表1、表2。

從表1、表2可以看出，與隨機部署中節點2、4、5、6號電流和功耗對比，菱形部署中節點2、4、5、6號電流和功耗要小些。顯然，相對隨機部署網絡，菱形部署網絡壽命較長，跟實

利用MATLAB軟件對數據進行處理，從圖9、圖10可以看出，在傳感器節點發射功率相同時，節點的功耗與發送的信息包比特數大小呈線性關系，與發送端和接收端之間的距離的平方也呈線性關系。對于相同大小的發送包，節點的功耗隨發射功率增加而增大，所得測試結果與無線傳感器節點的功耗情況符合。

6結論

節點的能耗監測是無線傳感器網絡能耗研究的基礎問題。本研究設計了1種針對節點能量檢測的功率計，并對茶園實際節點部署進行測試，結果表明，該功率測試方法符合實際情況，為節點的功耗測量提供了準確的數據。下一步將研究1個通過圖形用戶（QT）界面實現對所有節點的實時能量監測系統。

參考文獻：

[1]Shnayder V，Hempstead M，Chen B R，et al. Simulating the power consumption of large-scale sensor network applications[C]//International Conference on Embedded Networked Sensor Systems，SENSYS 2004，Baltimore，Maryland，USA. 2004：188-200.

[2]Crossbow Technology Inc. MICA2 data sheet[EB/OL]. [2016-05-16]. http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/Wireless_pdf/MICA2_Data.

[3]Hohlt B，Doherty L，Brewer E. Flexible power scheduling for sensor networks[C]//IPSN `04：Third International Symposium on Information Processing in Sensor Networks，Berkeley，California，USA. 2004：205-214.

[4]Panthachai Y，Keeratiwintakorn P. An energy model for transmission in telos-based wireless sensor networks[C]//International Joint Conference on Computer Science & Software Engineering，Las Vegas，USA. 2007：2-4

[5]謝潔銳，劉才興，胡月明，等. 無線傳感器網絡的部署[J]. 傳感器與微系統，2007，26（1）：4-7.孫磊，索雪松，張夢，等. 一種新型農業納網DC-DC變換器的研究[J]. 江蘇農業科學，2017，45（6）：211-215.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.055