滕道明

(江蘇省銅山中等專業學校，江蘇 徐州 221116)

0 引言

無線傳感器網絡是由部置在監測區域內的集成信息采集、數據處理和無線通信功能的大量廉價傳感器節點，通過無線通信方式形成，這種網絡可在沒有基站的條件下通過自組織形成多跳通信網絡，因此被廣泛地應用在農業、工業控制和環境監測等領域。無線傳感網絡可在較為惡劣的條件下，獲得大量較為精確的可靠數據，播種機在作業(特別是山區作業)時條件一般比較惡劣，如果將無線傳感自組織網絡引入到播種機質量監測控制系統中，將會有效提高播種機的播種質量監測效率。在多播種機協同作業時，除了使用多跳無線通信網絡之外，還可以采用多信道通信的方法，以保證數據的高效傳輸。因此，探討高效的中繼節點具有重要的意義。

1 智能播種機監控測系統設計

精密播種機在播種作業時可以采用智能檢測和通信模塊，實現播種精度的自動調節和遠程控制，這就需要無線網絡的支持；而由于作業條件的局限性，很難直接使用移動基站建立的無線網絡。因此，本研究主要采用自組織多跳和多信道通信的方式對播種機監測系統進行設計。其主要模塊包括供電模塊、PC微處理器、株距監測系統、漏播監測系統、播種速度控制模塊和反饋調節模塊，如圖1所示。

圖1 基于多跳和多信道通信的智能播種機監控測系統框架

系統實際使用時，可以通過觸摸屏等輸入模塊輸入監測系統的監測參數要求和系統反饋調節系數，通過作業工況的監測實現播種質量的監測和自適應調節，其流程如圖2所示。

為了保證系統硬件的高效運轉和可靠實現各自的功能，需要采用硬件設備和軟件設備結合使用的方法，使用編程軟件對每個模塊進行編程調試，保證無線傳感監測模塊、多跳多信道通信模塊和反饋調節模塊的順利運行。

圖2 播種質量的監測和自適應調節流程

2 無線傳感自組織網絡多信道通信和高效中繼節點算法

由于播種機作業條件區域不一定存在移動無線網絡，所以在實現播種質量遠程監測時需要考慮自組織無線局域網，在多農機作業時還需要采用多信道通信技術。多信道通信的原理是采用多組發射天線和多組接收天線，假設多組發射天線為S1、S2、...、Sn，接收天線為Y1、Y2、...、Yn，發射天線S1與接收Y1間距離設為h11，發射天線Sn與接收Yn間距離設為hnm，以4臺播種機同時作業時的通信為例，其4×4多信道信號傳輸的距離為

(1)

假設播種機監測發送信號為X，存在噪聲干擾A，則系統的接受信號為

Y=HX+A

(2)

播種機監測系統可以將數據流分為M個，且M的數值需要小于或者等于最小天線數。播種機質量多信道監測系統的容量可以表示為

C=Mlog2(1+S/N)

(3)

其中，S為發射天線數目；N為子載波數目。一個完整的播種機監測系統多信道通信的模型可以表示為

fk=fc+k·Δf

(4)

其中，TN為信道的寬度；X(k)為載波數據；fc為載波頻率；fk為第個載波頻率；Δf為子載波的頻率間隔。在實際進行通信時，需要將相對于的子載波通信數據的正弦和余弦相乘，則信道的接受數據為

exp(i2πfkt)·exp(-i2πfnt)dt

(5)

其中，fn=fc+n·Δf。假設子載波互相正交，則

(6)

在實際進行采樣時，零點在Δf的整數倍/置上，對播種監測信號x(t)以Ts/N的速率進行采樣，可以得到

(n=0,1,...,N-1)

(7)

其中，x(n)為傅里葉變換。通過對x(n)進行逆變換，可以將通信信號恢復出來，恢復后的信號為

(k=0,1,...,N-1)

(8)

播種機多信道通信系統的調制和解調可以通過離散傅里葉變換和傅里葉逆變換來實現，為了實現多信道的高效通信，需要借助于高效中繼節點通信方法。在無線傳感網中繼節點布局中，洪泛是一種傳統的中繼節點的布置算法，在多跳移動網和多信道網絡中是最常用的，如圖3所示。這種布置算法就像洪水泛濫一樣被傳播到整個無線傳感網絡，當監測節點達到了最大的跳數，或者通信容量達到最大后便開始對通信網絡進行控制。

圖3 多跳多信道無線通信網絡洪泛算法

在洪泛算法中，由于多跳多信道無線通信過程中，其存在很多簇，并且每個簇都有簇頭節點，在通信時會存在重疊通信和通信不易被控制等現象。據此采用分層算法對洪泛進行了改進，改進后的模型如圖4所示。

圖4中，2號節點將命令分別發布到0號節點和6號節點，0號節點和6號節點將數據進行融合，依次將信息傳遞給各個節點，最終達到2號節點；2號節點待所有數據都匯集完畢后，將信息發送到目的節點。分層算法解決了洪泛算法中經常出現的數據重疊現象，算法采用多跳多信道網絡的內部數據結構，使用鏈型幾何模型，降低了模型的復雜程度，從而大大降低了能耗。

圖4 分層中繼節點布置算法原理圖

3 播種機監測系統測試

為了驗證多跳多信道系統在播種機監測系統中使用的可行性，驗證高效中繼節點在多信道多跳通信過程中發揮的效用，設計了播種機質量監測的測試系統，其原理如圖5所示。

1.無線通信設備 2.無線傳感器 3.播種速度控制器 4.排種盤 5.播種監測裝置

圖5中，測試系統采用閉環控制方式，由無線傳感器將測試數據傳送給無線傳輸設備，其網絡通信采用本次提出的多跳多信道控制算法，而中繼節點采用分層高效節點布局算法。在監測過程中，如果存在播種距離不合格時，反饋系統會通過無線通信自動調整播種速度控制器，改變播種盤的速度，從而實現播種距離的自動校正。

圖6為播種機播種質量監測系統的實際測試過程作業場景，播種機選用免耕播種機。為了驗證多信道通信的可靠性，在實際作業時，采用多臺協同控制的方式，通過測試得到了播種機的播種效果圖。

圖6 實際播種作業測試過程

圖7為采用傳統的播種機進行試驗測試，得到的播種效果圖。由于免耕播種機的播種溝穴開挖寬度較小，因此在播種時經常會出現播種距離不到位的情況，造成播種偏離溝穴現象嚴重。

圖7 傳統播種機播種效果

圖8為采用多跳多信道高效中繼通信對播種控制系統進行改進后，采用反饋調節的方式得到的測試結果。測試結果表明：種子可以正好播在溝穴中央，播種效果比傳統播種機的播種效果有了明顯的提升。在播種株距為30cm時，對其播種株距指數和漏播指數進一步測試，得到了如表1所示的結果。

圖8 多跳多信道高效中繼通信播種機播種效果

表1 株距合格指數和漏播數據測試結果

Table 1 The test result for conformity index and missing data of row spacing

測試序號株距合格指數/%漏播指數/%195.22.2296.81.3393.33.2492.53.5594.62.6693.22.8796.31.9

國家在標準《JB-T10293-2001單粒(精密)播種機技術條件》中關于精密播種機的性能指標做出了指導性的規定，包括株距的合格指數和漏播指數等。當株距大于20cm時，精密播種的株距合格指數需要達到80%以上，漏播的合格率要小于8%。由表1數據可以看出：本次設計的多跳多信道控制系統的精密播種機，其株距合格指數和漏播指數均在要求范圍內，符合精密播種機的設計標準。

4 結論

播種質量監測和控制系統是影響播種機作業精度和效率及自動化程度的重要因素，因此在精密播種機監測系統中引入了多跳多信道網絡，解決了播種機在信號條件差的山區作業的通信和數據傳輸問題。為了保證監測系統數據傳輸的高效性，提出了一種基于分層算法的高效中繼節點布置方法。該方法和洪泛算法相比，控制更容易實現，避免了重復通信，提高了通信效率。設計了基于多跳、多信道和高效中繼節點的播種機監測測試系統，并對系統進行了測試，將測試結果和傳統的播種機進行對比發現：這種系統可以有效提高免耕播種機的播種精度，且其株距和漏播系數滿足國家精密播種機的設計要求，為高精度播種機的設計提供了一種新的參考方法。

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