基于定向天线WSNs的水稻田温湿度监测系统设计*

郑少雄， 王卫星， 孙宝霞， 雷 刚， 郭惠凯

(华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

0 引 言

在推进农业信息化进程中，利用先进技术实现对农田环境信息的采集，对于精细农业生产中为农田耕作者提供科学决策具有重要意义[1]。无线传感器网络(WSNs)作为新兴的技术，具有成本低、功耗小、可移动等特点，将其应用于周期长的农田信息采集中，能够支持精准农业的实施[2～6]。在国外，美国缅因州上的大鸭岛项目通过WSNs节点监测海燕栖息地的环境信息[7]；哈佛大学Mate Wel领导的研究小组利用WSNs对活火山Volcan Tungurahua进行了持续观察，节点将采集的次声波数据传回距离火山几万米的监测站中[8]。这些都表明了WSNs在生态环境信息监测方面具有重大潜能。在国内，肖德琴[9]等人采用无线传感器WFDMS，提出满足水稻田采样要求的低功耗传输控制协议，设计了稻田水分监测的WSNs系统并进行组网验证，该网络在稻田中的可靠通信距离可达60 m，4 h周期采样实验中，节点生命周期可达190 d，但该系统未能灵活支持数据的实时采集，有待进一步优化。刘航[10]等人采用J2EE技术，开发了具有实时环境信息采集，具有可视化监测平台的基于WSNs的稻田监测系统，但该系统主要研究可视化监测平台的关键技术，没有进行水稻田实地组网试验，系统的优化有待加强。蔡义华等人[11]采用基于Zig Bee协议的WSNs技术，结合嵌入式技术，对小麦的3个典型生长期进行实验，得出了最佳天线高度下的传输距离；曹明华等人[12]采用了兼容Zig Bee/IEEE 802.15.4的芯片，构建农田WSNs，实时对农田温湿度进行检查,并具有较高的精确性。

本文通过设计适用于定向天线的WSNs节点，采用了适合水稻田大面积种植的基于定向天线分簇(cluster-based with directional antenna，CBDA)路由协议，以及WSNs多级分簇路由算法簇头更替策略，有效实现网络能量平衡，进行了对水稻田的温湿度监测实验。

1 系统组成

本系统由硬件部分和软件部分组成，硬件部分由传感器网络节点和网络协调器组成，软件部分由监控终端组成。传感器节点通过自组织方式构成网络，传感器采集网络覆盖内水稻田的温湿度等环境信息，节点将收集到的数据进行处理，并将数据通过网络协调器传送到监控终端，从而实现对环境的实时监测[13]。系统组成如图1所示。

图1 系统组成示意图

1.1 传感器节点构成

根据定向天线WSNs节点的设计准则[14]，结合水稻田地地势平坦，监测面积广等特点，设计出的节点包括6个模块(如图2所示)：电源模块、串口通信模块、处理器模块、传感器模块以及无线通信模块。

处理器模块采用超低功耗、具有强大时钟系统的MSP430F149单片机作为主控芯片，工作电压为3.3 V。串口通信模块采用USART0，电平转换芯片采用AMX232。无线通信模块选择nRF905射频模块，发送与接收频率为433～915 MHz，其抗干扰能力较强，具有较远的传输距离。传感器模块选择锦州阳光科技公司的温湿度复合传感器DHT22，具有响应快、抗干扰能力强的特点[15]。图3(a)为本文设计的节点实物图，图3(b)为实验过程中便于节点在不同高度进行测试，而设计的将节点与定向天线装载于三脚架上面的实验装置图。

图2 传感器节点构成框图

图3 节点实物图与实验装置图

1.2 通信协议

针对水稻田种植密集，多处于平原且种植环境较少有障碍物影响的特点，环境信息的采集与传输需要通过远距离通信，可以充分利用定向天线增益较全向天线高、天线能量集中、方向性强、抗干扰等特点[16]，针对上述硬件结构，对现有典型的WSNs分簇路由协议的特征进行对比，多数不能与水稻田环境特征有效的匹配，不能直接应用于大规模水稻田的监测当中，本文采用CBDA的WSNs分簇路由算法，能够满足水稻田的大范围监测需要且减少能量在无效方向上的消耗[17]。

1.2.1 CBDA簇路由算法

本文设计的CBDA路由协议，利用了定向天线在一定角度范围内发射信号，使得相邻节点间的通信效率较全向天线能够减少无效方向上的能量消耗，而重复覆盖的节点能够成为簇头，且节点在建立新簇头前会检查自身能否跟基站通信而成为簇头[18]，如果能够与基站实现通信,则直接向基站转发数据;否则,将数据交给重复覆盖区域的一级簇头节点，一级簇头再检查自身能否与基站通信，如果能够则直接向基站转发数据;否则,将数据交给二级簇头，然后再做判断转发,定向分簇路由协议流程见图4。当水稻田的面积极大时，则可出现三级或者以上的簇头，高层次簇头在收集簇内成员节点信息的同时，具有识别低一层次簇头的功能，减少了对原始数据的重复压缩，从而降低数据失真和丢失的风险，且较近的成员节点可与基站直接通信，减少了网络簇头的数据负载[19]。

图4 定向分簇路由协议算法流程图

1.2.2 簇头更替策略

当网络正常运行时，由于能量的有限性，原簇头能量下降为一定程度后就必须更替簇头，否则会导致节点能量消耗过多而死亡。本设计中采用CBDA中利用的簇头更替策略为当原簇头能量消耗为原来1/2时，则判断与邻节点的网络覆盖范围是否相同，若是，则将邻节点更替为新簇头;否则,判断是否有低一级覆盖程度的邻节点，若有，则将低一级邻节点更替为新簇头。第二次替换过程为判断第一次更替后形成的新簇头能否被足够多节点的天线发射范围覆盖，从而根据能量的不同而形成相应的簇头，如果能量剩余过低，则网络重新初始化选择新簇头。在多次簇头更替中，有利于找不到簇头的节点及时改变自身的发射功率，以便寻找远处的簇头，从而使得整个网络能量平衡，防止出现部分节点过早死亡的现象[20]。簇头更替策略流程如图5。

图5 簇头更替策略流程图

1.3 网络体系构建

网络体系包括以下4个部分：传感器节点、簇头、网络协调器、监控终端。传感器节点借助温湿度传感器对水稻田的环境信息进行实时采集，并将采集的数据进行压缩融合后通过簇头发送至网络协调器当中。簇头的主要作用为拓宽网络的覆盖范围，本文采用的CBDA路由协议能够将数据通过簇头的选择将节点的信息传送到更远的距离，能够满足水稻田种植面积广的特点。网络协调器主要负责连接传感器节点与监控终端，能够实现节点与监控中心的数据库之间通信协议的转换，同时也具有下达监测任务的功能并将传感器节点的信息传送到上位机当中[21]。监控终端具有数据库功能，将监测到的信息进行显示与存储[22]。在本网络体系中为了实现更大的传输距离和覆盖范围，采用了如下2种策略：

1)CBDA路由策略:节点数据先通过判断与基站距离后再通过多级簇头实现与基站的通信，这样节点信息能够覆盖更大的范围，从而实现大面积的监控。

2)簇头更替算法策略:节点通过判断簇头能量的下降，自动更替簇头，使得网络能量平衡，减少网络簇头的负载，为大面积监控提供能量保障。

2 系统的建立与测试

根据本文设计的传感器节点进行试验，采用6个节点进行组网实验，将1个汇聚节点作为网络协调器与监控终端相连接，1个节点为路由节点，其他4个节点作为数据采集节点。以本文设计的通信协议和应用程序作为软件平台，数据采集节点每0.5 h采集1次数据，通过无线电波将数据直接传送到网络协调器或者通过路由节点传送至网络协调器[23]，汇聚节点则通过串行通信将实验数据传送至监控终端进行显示和存储。图6为节点布置三维模型图。

图6 传感器节点布置三维模型图

2.1 节点传输性能测试

水稻田多数种植面积较大，为了适用于水稻田环境信息的监测，传感器节点必须拥有较远的传输距离。针对水稻在3个不同生长期植株高度不同的特点，在水稻的苗期、拔节期、抽穗期分别进行实验并设置传感器网络节点天线距离地面高度分别为0.5,1.0,1.5 m，采用2个传感器节点进行点对点通信，工作电压为3.3 V，通信频率为433 MHz，固定发射功率为6 dBm，每隔5 min发送1次数据，利用激光测距仪测量两节点间距离，以对比CBDA的WSNs在水稻植株高度不同时候信号传输距离的差别，为在不同生长期的水稻田组网实验提供参考。测量的5次最大通信距离数据与平均值如表2所示。实验地点为华南农业大学岑村水稻田实验基地。

表2 天线处于不同高度时节点的最大通信距离(m)

2.2 数据采集实验

2.2.1 节点温湿度采集精度实验

水稻生长过程中从秧苗期、分蘖期到开花受精期等阶段都受空气温度和田间水分的影响[24]，而田间水分含量与空气湿度成正相关关系。本实验采用用精准的空气温湿度系统在相同环境下，相同时间里对空气温湿度进行测量，将测量得到的数据与节点的测量值进行比较，以此计算传感器节点对空气温湿度采集的精度。系统精准测试工具采用浙江托普仪器有限公司生产的TNHY—11手持农业气象监测仪，测试时间为2013年4月10日8时至20时，测试地点为华南农业大学岑村水稻田实验基地，所得见表3。

表3 空气温湿度采集精度测试数据

通过SPSS软件，对表3中节点和农业气象监测仪采集的温湿度数据分别进行独立样本t检验，温度组数据测得的t=-0.044,sig=0.965>0.05，说明2组温度数据间差异不显著。湿度组数据测得的t=-0.026,sig=0.98>0.05，说明2组湿度数据间差异不显著。

2.2.2 节点间空气温湿度采集实验

水稻的生长与其根部水分含量、叶面接收光照时间、空气温湿度紧密相关，本实验通过搭载在WSNs节点上的温湿度传感器对水稻田中空气温湿度进行实时监测，实验组网模型如图6所示，各节点坐标布置分别为：节点1(0,0,1.5)m，节点2(5,5,1.5)m，节点3(53,8,1.5)m，节点4(12,48,1.5)m，节点5(55,32,1.5)m，节点6(28,68,1.5)m。以2013年4月12日，8:00至20：00的实验数据为例，测得的结果如表4所示。

表4 传感器节点空气温湿度数据采集情况

表4数据通过Matlab软件拟合出来的二维图如图7所示。

3 结 论

结合水稻田种植面积广，水稻不同生长期植株高度不同的特点，利用基于定向天线的分簇路由协议，搭建了基于定向天线WSNs的水稻田环境信息监测系统，并进行节点传输性能的测试与对水稻田环境信息进行采集实验，结果表明:

1)CBDA路由协议由于数据都在一定角度范围内传送，且网络中的节点根据簇首更替算法能实现簇头的更替和簇群的重组，节点消耗能量较为平衡。

2)一定范围内，节点天线在水稻田中所处高度不同，其最大通信距离也不同，处于0.5 m高度时,为207.4 m;处于1.0 m高度时,为235.6 m;处于1.5 m高度时,为258.2 m。

3)节点测得的温度、湿度跟环境监测仪测得的数据差异不大，能够有效实现对水稻田环境的实时监测。

4)各节点间测得的温湿度显示稳定，表明网络连通性较好。

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