摘要 【摘 要】为了提高无线传感网的能量效率，本文设计并实现无线传感网低功耗农业监测系统，该系统主要用低功耗、高速的集成传感器采集数据，采用超低功耗、高性能单片机处理数据
【摘 要】为了提高无线传感网的能量效率，本文设计并实现无线传感网低功耗农业监测系统，该系统主要用低功耗、高速的集成传感器采集数据，采用超低功耗、高性能单片机处理数据。同时，为了进一步减少信道冲突问题和能耗，设计并实现一种新的 MAC 协议。经过软硬件联调与测试，该系统有效地降低节点功耗，可满足大面积农业环境监测的要求。
【关键词】无线传感网络;农业监测系统;MAC 协议;低功耗
1 引言
随着现代农业和物联网技术的发展，通过使用无线传感器网络实现农业监测系统，可随时监测影响农作物生长的光照、温度、土壤含水量、湿度、大气压力、风速、雨雪等环境量，获取精确数据并及时处理，实现科学种植和科学管理，因此是农业现代化水平的一个重要标志[1]。
无线传感器网络与一般网络不同，大量微型传感器节点部署在监测区域内，采集和监测信息，节点位置可随时改变，采用无线通信方式形成一种多跳自组织网络系统，汇集节点控制无线收发传感器节点的数据，再通过有线或无线方式与互联网连接，信息发送到监控终端[2]。无线传感器网络融合了传感器技术、通信技术、计算机技术、信号与信息处理技术等多学科的前沿研究领域，具有监测精度高、实时性好、功耗低、成本低廉等优点，是当前国际上备受关注的热点之一。
无线传感器网络中，传感器节点由于体积和成本的限制，且工作时间较长，需采用容量有限的电池供电，因此网络能量受到限制。尤其应用在农业生产中，节点数量众多，电池一般难以充电或进行更换。同时，传感器节点采集到的数据存在重复性和很大的冗余性，增加了网络的能量消耗。因此，提高能量效率以延长工作时间已成为无线传感网络的一个关键技术[3，4]。
2 农业监测系统结构设计
无线传感网络系统一般由传感器节点、汇集节点、Internet 和监控终端等结构组成。传感器节点：主要用于采集监测区域内的数据信息，响应汇聚节点发来的指令，传送监测到的数据，因其难以充电，工作时间长，能量有限。在农业监测系统中，传感器节点可在同一辐射区域内，拓扑结构可采用链型。考虑到节约能量，其大多数时间处于休眠状态，可由汇聚节点控制其及时转入休眠状态。
汇集节点：通过处理器控制无线收发单元接收传感器节点的数据，同时把信息上传到 Internet 网络，发送给监控终端。图 1 为无线传感网络农业监测系统的结构图。
3 低功耗系统硬件设计
3.1 传感节点硬件设计在农业监测系统中，需要依靠传感器节点随时监测温度、湿度、土壤的含水量等环境因素，而传感器节点没有外部的电源直接供电，对其所带电池进行更换工作量也较大，为使传感节点和整个网络系统尽可能长时间的保持正常工作，需要针对节点的功耗和通信提出要求，为降低该节点的功耗，设计传感器节点的关键指标非常重要，因此要选用低功耗传感器芯片。
基于无线传感器网络的农业监测系统中，传感器节点主要由传感器数据采集模块、数据处理模块、无线收发的射频模块和电源管理模块等多部分组成，图 2 为传感节点结构图。传感器数据采集模块由温湿度、光照、土壤含水量传感器构成，主要对农业环境因素进行数据采集，发送给处理器，再根据处理器指令，进行休眠和数据采集工作。
土壤水分传感器采用功率损耗低、输出直接与数据处理器进行通信的数字传感器 MS10xx。其测量精度高、响应速度快，可长期埋人土壤里，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。为了实现对光强的监测，光强传感器采用低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片 TSL256x，其具有直接 I2C 接口，直接把光照强度信号转换成数字信号输出，处理器可通过 I2C 总线协议对传感器进行读写。
数据处理模块主要对数据进行处理与存储，通过无线射频模块把信息发送给汇集节点。为降低该节点的功耗，本模块选用具有超低功耗、较高的数据处理速度和工作稳定等特点的处理器芯片。该芯片是 TI 公司生产的超低功耗单片机，各个外设的集成度更高，一个 UCS 模块统一管理所有的外部时钟和内部时钟，USCI)模块统一管理内部 Uart、I2C、SPI 串行接口，使用起来更灵活。
3.2 汇聚节点硬件设计无线传感器网络农业监测系统汇聚节点主要负责周期性向监测区域发送广播帧，接收传感节点发送的数据帧，通过 GPRS 网络进行转发，并接收任务管理模块命令向传感节点下达任务。汇聚节点主要包括无线通信射频模块、数据存储 FLASH 模块、数据处理模块、电源管理单元、时钟模块、串口模块、GPRS 模块、看门狗及复位电路和 LCD 显示模块等模块组成。
4 低功耗 MAC 协议设计
无线传感网农业监测系统中传感器节点的能量供应有限。在通信设备中，节点处于休眠期耗能最少，传感节点主要负责采集环境数据，通过接受汇聚节点的命令，再将数据传给汇聚节点，如果不进行数据的发送和接收时，转入休眠状态，使节点功耗降到最低。无线传感网中，MAC 协议主要负责在传感器节点之间分配无线信道资源，有效控制节点在不收发数据时能及时地转入睡眠状态，节省能耗。
MAC 协议主要有二种[5]，一是基于调度的 MAC 层协议，其通过某种调度算法，每个传感器节点只在特定的时间段、子频带或正交码下访问信道，如果节点没有新任务则进入休眠状态，优点是减少碰撞、空闲侦听和串音等，降低能耗。二是基于竞争的 MAC 层协议，传感器节点通过某种竞争机制访问无线信道，发送数据，如出现碰撞，重新发送数据，其能耗比前一种高。
在本系统中，基于 TDMA 的 MAC 协议基础上，设计一个 MAC 协议，该协议定义了信标帧和数据帧两种帧格式。信标帧用于汇聚节点的全网广播同步，协议通过分配固定时隙，在某些确定的时间传感节点侦听信标帧，信标帧内含有特定指令信息，传感节点根据侦听到的信标帧的指定信息判断自己的工作状态，在规定的时隙里发送数据，否则转入睡眠，从而避免信息的碰撞和减少能量的损耗。数据帧承载传感器节点向汇聚节点发送的数据。延时一段时间后汇聚节点转入接收状态，接收数据，传感节点向汇聚节点发送数据，发送完毕进入低功耗，延时至下一周期。
5 系统测试
系统经过软硬件联调，进行低功耗数据测试，经实验测得，传感节点接收状态电流为 12.13mA，发射状态电流为 23.57mA，活动电流为 2.51mA，休眠状态电流为 3.4μA。
6 结论
本文分别从硬件芯片和 MAC 通信协议出发，设计低功耗的农业无线传感网络。最后，经过系统软硬件联调和数据测试，该系统可实现低功耗，可满足农业环境监测的要求。
参考文献：
[1]汪金营.温室农作物自动滴灌测控系统的应用[J].节水灌溉,2012, (9):55 -58.
[2]李建中,高宏.无线传感网络的研究进展[J].计算机研究与发展, 2008,45(1):1-15.
[3]高峰.基于无线传感器网络的设施农业环境自动监控系统研究[D]. 浙江工业大学,2009,41-43.
《基于无线传感网的农业监测系统研究与应用》来源：《福 建 电 脑》，作者：姜春艳。
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