自供电无线传感器网络水稻田监测应用*

刘 杰

(宿迁学院 三系， 江苏 宿迁 223000)

自供电无线传感器网络水稻田监测应用*

刘 杰

(宿迁学院 三系， 江苏 宿迁 223000)

无线传感器网络已被广泛应用于各种监测应用中，每种应用都有其对应的节点部署方案。像水稻田监测这类室外监测问题，需要考虑天线放置、节点部署密度、路由协议、能量消耗、基站设计和数据传输等关键环节。对于上述问题，针对无线传感器网络在水稻田监测的应用，给出了具体的解决方案，利用太阳能电池板解决传统WSN生命周期受传感器节点能量限制的问题。在一块面积为15 m×50 m的矩形水稻田中进行实验，实验结果验证了太阳能电池板于无线传感器网络水稻田监测应用中的有效性。

无线传感器网络;水稻田监测；自供电；太阳能电板

0 引言

无线传感器网络在环境生态监测中的应用始于小范围的区域部署[3-4]，这种部署方式旨在通过短时间内经验数据的收集来分析、判断下一时刻监测环境中的各项监测数据的变化，但这种监测机制没有考虑到延时的问题[5-6]。硬件和软件上的优化设计主要用于设备电源管理和延长网络生命周期，然而，这些优化仍然受制于传感器节点有限的供电资源[7]。为了解决这一问题，一个可行的方案是在网络采用高效能量路由协议的前提下给每个传感器节点安装一个太阳能电池板。

本文结合水稻田监测问题，首先对无线传感器网络应用的关键环节进行了较为详细的阐述与分析，并相应给出了解决方案。

1 水稻田监测系统设计

本系统的整体架构主要包括传感器节点、基站和监控终端。传感器节点通过自组织的方式形成网状网络，各节点负责采集覆盖范围内水稻田的环境信息，并将采集到的数据进行处理传送给基站。基站将收到的所有数据进行融合处理，之后送往监控中心，从而完成对水稻田的实时监控。系统架构图如图1所示。

图1 系统架构图

1.1 传感器节点和基站设计

本文使用MICAz无线传感器节点，该传感器节点拥有一个7.37 MHz的处理器，带有128 KB的ROM，4 KB的RAM和512 KB的Flash。其运行在2.4 GHz频段，16频道可调，每个频道间有5 MHz的频带间隔，无线数据传输速率达到250 kb/s。默认使用2AA电池组供电。基站主要由一个嵌入式主板MPC8241组成，其配有3G/4G模块、Wi-Fi模块，并通过接口电路板MIB520连有MICAz节点模块。

1.2 天线安置

高效的无线通信要求通信环境具有良好的视距传输条件。因此，针对本文水稻田监测应用，并利用惠更斯-菲涅尔原理，天线高度应保持在距水稻作物顶端上方50 cm的位置[8]，天线安置示意图如图2所示。考虑到水稻的持续生长，需要定期调整传感器节点支撑杆的高度，以保证天线的相对高度在50 cm左右。

企业在使用大数据时应建立完整的网络信息管理制度，根据使用者的实际情况制定合理的管理制度，明确对于企业信息以及个人信息泄露的惩罚规定，使使用者能够加强对于信息资源的管理能力，还应对于企业信息的管理人员进行专业的技术训练，使其能够正确使用大数据中的信息资源，避免出现信息泄露的事件发生，同时，大数据运用平台应加强对于信息的监管制度，增加网络平台的安全性，加大对于网络安全系统的基金投入，使其能够在信息资源的获取中设立安全保障措施，防止黑客的入侵，以此来保障企业信息的安全。

图2 天线安置示意图

1.3 节点部署

水稻田间开放环境下的点对点通信，信号一般符合two-ray传输模型。由于水稻叶片具有较低的介电常数，因此发射到叶片上的信号会有很大衰减，其反射信号将会变得很差[9]。为了确保传感器节点之间数据传输的可靠性，需要分析相邻传感器节点放置距离d的大小对接收信号强度的影响。

1.3.1 节点间距测定

为了得到合理的节点间距值d，设计实验：当节点间距不断增加时，记录接收信号强度RSSI值的变化情况以及接收节点信包接收情况。考虑到水稻高度的变化，节点间距测定实验选择在有一定时间跨度的两个日期进行，实验的基本信息如表1所示。

表1 节点间距测定实验信息表

实验示意图如图3所示[10]，两个传感器节点的间距d从2 m增加到30 m，每次增加2 m，发射节点发送功率保持为0 dBm。对不同的间距d，分别由发射节点向接收节点发送100个信包，接收节点记录100个信包的RSSI值并取平均。

图3 传感器节点间距离影响实验示意图

图4给出了两次实验的实际测量值和基于free space模型、two-ray模型的理论值。在two-ray模型中，其接收功率相当于自由空间传输模型下的接收功率乘上一个干扰因子，即：

PR,2r=PR,fs|1+Γejφ|2

(1)

自由空间传输模型的接收功率为：

(2)

地面反射系数为：

(3)

其中，θi是信号射线与地面之间的夹角，εr是地面的相对介电常数。上述计算用到的参数为：发送功率PT=1mW=0dBm；发射天线和接收天线增益GT=GR=1=0dBi；发射天线和接收天线水平距离d=2～30m；相对介电常数εr=4；波长λ=c/2.48GHz≈0.1209m；两次实验中收发天线距地面的高度ht和hr(ht=hr)分别为0.836m和1.047m。

图4 节点间距与RSSI值关系图

从图4可以看出，随着节点间距的增大，实际测量到的RSSI值成起伏式下降，其整体下降趋势与two-ray模型理论值的变化趋势也是一致的。当节点间距较大时，RSSI测量值衰减加快。实际测量值和理论值之间有一定的差值，是因为水稻田存在多径效应。

1.3.2 节点部署位置

典型的水稻田面积一般为12 000 m2，通常是60 m×200 m并进一步平均分为两块，每一块为60 m×100 m[11]。本文在此基础上，从降低实验成本、提高实验效率的角度来考虑，将实验稻田面积缩小为15 m×50 m。

根据1.3.1节的分析，并结合本系统实际应用环境，节点间距d的取值为5 m，图5给出了传感器节点部署位置示意图。当然，如果传感器节点的硬件有所提升，通信性能有所增加，则可以相应减少传感器节点的部署数量，增大节点间距。

图5 传感器节点部署位置图

2 太阳能供电系统设计

为了解决传感器节点能量有限的问题，使用太阳能电池板为每个节点提供持续电能。虽然在持续光照条件下利用太阳能能够解决节点能量有限的问题，但仍需综合考虑天气条件易变性、电池初始容量和最大容量、电池过耗或过充等众多因素。

2.1 硬件设计

本文设计了3种不同的太阳能供电系统，分别是单太阳能板单电池组SSP-SSB、双太阳能板单电池组DSP-SSB和双太阳能板双电池组DSP-DSB，3种供电系统的电路设计图分别如图6、图7、图8所示。

图6 SSP-SSB供电系统

图7 DSP-SSB供电系统

图8 DSP-DSB供电系统

2.2 性能分析

太阳能电板能够产生4.3 V的标准电压。MICAz模块需要大约24 mA的供电，LP3871输入终端的实际供电需求为24.4 mA。另一方面，由太阳能电板提供的标准电流为0.5 W/4.3 V≈116 mA，因此实际充电电流为116 mA-24.4 mA=91.6 mA。理论上说，在电池组初始容量为总容量的一半时，要将其充满至少需要10.35 h的光照，对于实际应用来说是比较合理的。

图9 电池组24h充放电监测图

为了分析3类太阳能供电系统的工作性能，在同一块水稻田中同时对3个系统进行电池组充放电实验。图9给出了SSP-SSB、DSP-SSB和DSP-DSB电池组在一天当中的充放电情况。比较图9中的测量数据可以看出，即便是在光照条件一般甚至没有光照时，SSP-SSB、DSP-SSB对电池组电力的维持也较好，但是这两种太阳能供电系统更可能出现过充现象。DSP-DSB解决了过充问题，电池组充放电情况比较稳定。

3 结论

本文设计了一种自供电无线传感器网络部署的水稻田监测系统。对系统设计的关键环节进行了阐述，并使用太阳能电板为传感器节点持续供电的方案。方案中设计的3种供电系统都能完成传感器节点的持续供电，DSP-DSB供电系统的实际性能较其他两种供电系统更为优良。下一步的应用，可以考虑使用移动无线传感器设备的解决方案。

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Paddy field monitoring using self-powered wireless sensor network

Liu Jie

(Department of the Third, School of Suqian, Suqian 223800, China)

Wireless sensor network has been widely used in various monitoring applications, each with its deployment solution. In the case of paddy field monitoring, antenna placement, node deployed density, routing protocol, energy consumption, base station design and data collection should be considered. According to the above problems, this paper proposes some practical solutions about paddy field monitoring with wireless sensor network. The problem of energy constraint of WSN nodes can be solved by using solar panels. The experiments were conducted in a rectangular paddy field of size 15 m×50 m. The results verify the effectiveness of the solar panels used in the paddy field monitoring application.

wireless sensor network; paddy field monitoring; self-powered; solar panels

宿迁学院科研基金项目(2013KY13)

TN393

A

1674-7720(2016)02-0082-03

刘杰. 自供电无线传感器网络水稻田监测应用[J] .微型机与应用，2016,35(2)：82-84,89.

2015-09-16)

刘杰(1981-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：信息检索、移动互联网、网络和信息安全。