基于780 MHz频段的农田信息采集无线传感器网络设计

郑宝周， 李富强， 吴莉莉， 袁 帅， 林爱英， 滕红丽， 豆根生， 袁 超

(1.河南农业大学理学院，河南 郑州 450002；2.四川农业大学机电学院，四川 雅安 625014)

基于780 MHz频段的农田信息采集无线传感器网络设计

郑宝周1， 李富强1， 吴莉莉1， 袁 帅2， 林爱英1， 滕红丽1， 豆根生1， 袁 超1

(1.河南农业大学理学院，河南 郑州 450002；2.四川农业大学机电学院，四川 雅安 625014)

基于MSP430F5438A单片机和AT86RF212射频芯片设计了一种工作在780 MHz中国专用频段且符合IEEE802.15.4c标准的无线传感器网络。介绍了无线传感器节点结构及传感器节点无线通信电路的设计，并给出了空气温湿度、土壤温湿度及光照度传感器的选型和指标参数。选取豫东平原一块麦田作为试验环境，在小麦的拔节期和抽穗期，对工作于780 MHz、433 MHz和2.4 GHz频段的3种无线传感器网络节点进行试验，给出了3种节点的平均丢包率曲线和接收信号强度值随通信距离变化曲线。试验结果表明，在小麦不同生长期，780 MHz和433 MHz频段的无线传感器网络的通信质量和传输性能明显优于2.4 GHz的无线网络，而且780 MHz网络的通信质量表现更佳，完全能够满足农田间数据的可靠传输。

农田信息采集;无线传感器网络;780 MHz频段;接收信号强度

精细农业需要高速度、高密度、高准确度的农田信息作为实施依据，农田信息的远程获取成为精细农业实施中的关键环节[1]。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)作为一种全新的信息获取和处理技术，具有低成本、低功耗和高可靠性的优点，国内外已有研究人员将WSN应用于农田信息采集，并取得一定进展[2-3]。史兵等[4]将基于2.4 GHz的无线传感网络应用到规模化水产养殖生产中，以满足大规模水产养殖智能化的需要。VELLIDIS等[5]设计了一种无线实时智能灌溉系统；李小敏等[6]研究了兰花大棚内433 MHz无线射频信号的传播特性，以及无线信号与影响因素之间的关系。冯友兵等[7]、曹元军等[8]将WSN技术应用到农田气象信息获取和节水灌溉中，取得了较好的效果；张瑞瑞等[9-10]设计了针对农田信息采集的传感器节点及其应用系统，采用ATmega128+CC1000作为核心模块，监测农田空气的温、湿度及土壤水分含量和土壤温度，该系统节点功耗较低，但是节点的通信距离有待进一步的提高。刘卉等[11]采用JN5121作为无线通信模块，设计开发了农田土壤温湿度无线传感器网络监测系统，由于采用星型组网方式，网络规模受到了限制，难以满足应用的要求。国内农用WSN使用的频段主要有2.4 GHz、433 MHz和780MHz。2.4 GHz是全球公开通用的无线频段，广泛应用于商业及家庭领域，Wi-Fi、蓝牙以及其他短距离无线通信技术使用该频段，功耗偏高，需要面对设备间的兼容性和共存性问题。试验表明，在农田有作物遮挡、传输距离超过75 m时基于2.4 GHz的WSN稳定性并不理想[1]。433 MHz频段下的WSN传输距离较远、绕射能力较强，但系统采用单频点工作和落后的窄带条幅技术。该频段有车载通信设备、对讲机等业余通信设备，该频段的WSN受到环境干扰比较大，不能有效抵抗农作物遮挡而产生的多径效应，系统可靠性不高，能耗较大。2009年IEEE组织通过了802.15.4c标准，为中国WPAN技术开辟779～787 MHz的免费专用频段并且设定了介质链路层和物理层标准。780 MHz频段符合RFID800M/900M频段要求，具有干扰少、绕射能力强、抗多径衰减效果好和传输距离更远等优点，将成为中国无线传感器网络发展的主要方向[12-14]。现有的农用无线传感器网络多工作在2.4 GHz和433 MHz频段，基于780 MHz的无线传感器网络在农业中的应用还比较少。针对现有农用无线传感器网络受到干扰大、能耗高、传输性能不理想等问题，本研究选用MSP430F5438A单片机、AT86RF212无线射频芯片等元器件，设计了一种符合IEEE802.15.4c标准工作在780 MHz频段的无线传感器网络，通过网关节点与无线移动网络(GPRS/3G)和INTERNET的无缝连接，实现数据远程传输。

1 关键技术设计

1.1 无线传感器网络节点结构

无线传感器网络由大量的传感器节点和少量网关节点组成。传感器节点主要包含传感器模块、处理器模块、无线射频模块、电源管理模块4部分。网关节点是在传感器节点的基础上加配网关模块，使该节点具有与外部网络交换信息的能力。WSN节点结构如图1所示。

传感器模块负责农田相关环境参数的采集和数据转换；处理器模块对本节点采集的数据以及其他节点发来的数据进行处理和存储，并控制本节点的所有操作；无线通信模块负责本节点与其他WSN节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集的数据；电源管理模块为整个节点提供运行所需的能量，传感器节点由两节1.5 V干电池供电，网关节点采用3节1.5 V干电池作为电源，并借助稳压芯片TPS79533为网关节点提供稳定电流。部署在农田内的大量传感器节点通过自组网的形式将采集到的信息发送到到网关节点，通过网关模块和外部网络将信息发送至监控中心，实现对农田空气温湿度、土壤温湿度和光照度信息的采集。

1.2 处理器模块

处理器是WSN节点的计算核心，所有的任务调度、控制设备、数据的存储管理、能量管理等都由处理器完成，处理器的选择是硬件节能的重要方面。处理器的选型原则：微型化、低成本(传感器节点数量巨大，降低节点在生产和部署上的成本)、低能耗(节点通常由电池供电，尽可能延长节点在网络中寿命)、适当的数据处理能力(节点采集完信息后，需对数据进行一定程度的处理，减少网络中传播的数据量)、SPI接口(与无线射频模块通信)、I2C接口(与数字传感器通信)，集成A/D转换器(便于后期扩展采集模拟量)。综合上述各方面的考虑，本文选取德州仪器(TI)公司的MSP430F5438A作为节点的处理器。

图1 无线传感器网络节点结构Fig.1 Structural diagram of wireless sensor network nodes

MSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗单片机，它集成了丰富的片内资源，在发扬低功耗特性的同时，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗与待机功耗非常低，分别为160 μA·MHz-1和1.5 μA，芯片采用1.8 V至3.6 V低电压供电，具有5种节能方式，配有多种通信接口，各类数字传感器可通过串口、SPI、I2C等接口与处理器通信。该单片机的时钟系统提供了MCLK、SMCLK、ACLK 3种时钟，得益于独立的时钟系统，单片机可实现不同深度的系统休眠，尽可能地节省了能量[15]。单片机与无线射频模块接口电路如图2所示，单片机与传感器模块接口电路如图3所示。

1.3 780 MHz频段无线射频模块设计

基于收/发一体、低功耗、稳定性等方面的考虑，本研究选用Atmel公司的AT86RF212无线射频芯片。该芯片可工作在779～787 MHz在中国免费的ISM频段，是一款专为适合IEEE802.15.4c标准的ISM (Industrial Scientific Medical)应用而设计的低电压、低功耗、低成本的无线收发芯片。该芯片最大发射功率达10 dBm，接收灵敏度高达-110 dBm，睡眠状态下电流消耗为0.2 μA，接收状态下消耗电流9.0 mA，射频收发器关闭后消耗电流0.4 mA，当发送功率为5 dBm时，电流消耗为18 mA。以上特性能够满足WSN节点低功耗的设计要求。AT86RF212工作在1.8～3.6 V低电压，与处理器MSP430F5438A相匹配，保证了WSN节点电源系统的一致性。射频模块天线部分采用差分方式，有效减少了其他芯片造成的杂散辐射干扰。无线射频模块除了晶体振荡器、去耦电容和天线等简单电路外，所有的主要RF元件都集成在AT86RF212内部，MAC及AES硬件加速改善了无线传感器网络的功耗利用率和时效性。AT86RF212提供一个三线制SPI串行接口、少量控制引脚和一个中断请求引脚，SPI总线接口以Slaver 的身份负责同Master身份的MSP430F5438A进行数据通信，控制引脚负责AT86RF212状态的快速切换，而射频芯片发生的所有事件通过唯一的中断请求引脚通知处理器。无线射频模块与处理器MSP430F5438A的连接电路如图2所示。

图2 无线射频模块原理图

图2中第Ⅰ部分为AT86RF212与MSP430F5438A的数字接口，由SPI 总线接口和附加控制信号组成，主要用于处理器与无线射频模块之间的数字信号传输；第Ⅱ部分为无线射频收/发电路，平衡/不平衡转换器能够将50 Ω单端RF(Radio Frequency)输入变换为100 Ω的差分RF端口阻抗；第Ⅲ部分为AT86RF212的基本配置电路，主要包括去耦电容和晶振电路。

1.4 传感器模块

本研究设计的WSN用来监测农田的光照强度、空气温湿度和土壤温湿度。为降低传感器节点功耗，均选用数字传感器。

1.4.1 土壤温湿度传感器 选用上海搜博实业有限公司的低功耗SLS2421土壤温湿度传感器，相对湿度量程0～100%，准确度±1.8%；温度量程-40～123.8 ℃，准确度±0.4 ℃，工作电压2.4～5.5 V，数字输出，I2C接口。

1.4.2 空气温湿度传感器 选用瑞士Sensirion公司的微功耗SHT11数字传感器，相对湿度量程0～100%，准确度±2%；温度测量范围-40～123.8 ℃，准确度±0.3 ℃，工作电压2.4～5.5 V，数字输出，I2C接口。

1.4.3 光照度传感器 选用日本ROHM公司的BH1710FVC传感器，量程0～65 535 lx，分辨率0.35 lx，工作电压2.4～3.6 V，数字输出，I2C接口。

传感器与处理器MSP430F5438A连接电路如图3所示。

图3 传感器与MSP430F5438A连接原理图

1.5 低功耗节能设计

考虑到农田环境参数变化的特征，为进一步降低无线传感器网络节点能耗、延长网络使用寿命，本研究除选用低微功耗的处理器、无线射频芯片和传感器之外，还从以下几方面进行节能设计[15]。

1.5.1 采用更灵活的数据上报机制 现有的农用环境监测系统大多采用固定采集周期的方式上报环境参数。如果采集周期比较短，则频繁的无线收发数据会消耗大量电能，间隔周期过长，则不能实时监测参数的变化。本文采用参数变化达到设定变化幅度阈值时上报数据。比如土壤湿度变化±5%或者温度变化±3 ℃时上报数据。各参数变化幅度阈值根据农业生产需求进行设置。农田环境参数变化快时，该方法能够实时监测环境并及时将参数上报监测中心；参数比较稳定时，比如夜间光照度基本没变化，该方法能有效避免频繁地进行射频数据传输，降低节点通信能耗。

1.5.2 降低器件的工作电压和振荡器频率 处理器主频降低一半功耗也下降一半，降低处理器的时钟频率是一个有效节能措施。MSP430F5438A提供了低功耗、低频率内部时钟源VLOCLK，典型频率为12 kHz；另有可选择的高频振荡器XT2CLK，可外接4 MHz～40 MHz的外部时钟源。根据WSN监测任务需要，选择合适的时钟频率，找到一个功耗与性能最佳的结合点。

1.5.3 关闭不使用的硬件模块 处理器内的看门狗定时器和掉电检测器，在休眠模式下会持续消耗电流；基准电压以及模拟比较器等模块也会消耗电量。根据农田监测需要，可考虑禁止这些模块在运行状态。另外，避免输出引脚驱动电阻性负载可以减少能量消耗。1.5.4 尽可能使用器件的休眠模式 MSP430F5438A提供了五种低功耗模式。在正常运行模式下，处理器功耗为230 μA·MHz-1，在低功耗LPM3模式下功耗为2.1 μA，在LPM4模式下为1.2 μA，LPM5模式下功耗低至0.1 μA。豫东地区夜间农田光照度接近0 lx，土壤温湿度比较稳定，数据采集任务比白天少很多。考虑到这些特点，借助于软件系统的周期性睡眠机制，夜间可使处理器工作在LPM4低功耗模式；白天传感器节点采集数据时，使处理器工作于LPM3模式；对数据进行处理、存储以及无线收发时处理器工作在正常运行模式。

2 测试结果与分析

无线电信号在农田作物间传播时存在着直射、反射、绕射、散射和吸收等现象，对无线电信号的传播造成很大的路径损耗，导致不同WSN节点收到的射频信号有很大衰减并且链路信号的质量有很大差异性[16]。不同通信距离下接收信号强度值(Received Signal Strength Indication,RSSI)和平均丢包率(Packet Loss Rate，PLR)可对无线传感器网络的通信质量做出评价。

本研究选取豫东平原种植小麦的农田作为试验场地，在小麦的拔节期和抽穗期，分别测试了本研究设计的780 MHz无线传感器节点在不同距离下的平均丢包率PLR和接收信号强度RSSI值。测试参数为：发射功率为4 dBm，数据传输速率250 kbps，发射节点和接收节点距地面高度均为170 cm，天线增益为0，天线方向保持一致。发射节点每60 ms发送50个数据包，每个数据包为32字节。每个位置的接收信号强度RSSI值和平均丢包率LPR测试3次，取3组数据的平均值作为RSSI和LPR的有效数据。以间隔5 m逐步增大收发距离，共对30个点的RSSI和LPR进行测试。在同一农田环境下，采用上述方法对工作在2.4 GHz频段的CC2530节点和工作在433 MHz频段的RF1100SE射频模块的接收信号强度RSSI值和平均丢包率LPR进行测试。CC2530芯片是TI公司推出的新一代ZigBee无线射频模块，最大发射功率4.6 Bm，灵敏度高达-91 dBm、最大传送速率250 kbps。RF1100SE射频模块发送433 MHz信号，采用Chipcon公司的CC1100无线通信芯片，该芯片可编程最大发射功率达10 dBm，灵敏度达-110 dBm，最大传输速率达500 kbps。

2.1 接收信号强度测试结果

780 MHz、433 MHz和2.4 GHz的无线收发模块在小麦抽穗期和拔节期不同收发距离的RSSI曲线如图4和图5所示。

图5 小麦抽穗期不同收发距离的接收信号强度Fig.5 RSSI of different distances in heading stage of wheat

图4表明，在小麦拔节期时，3种不同频段无线收发模块的RSSI值都随收发距离增大而减小。通信距离小于20 m时，3 种频段信号的RSSI值基本相近；通信距离大于30 m以后，2.4 GHz信号的RSSI值明显小于780 MHz和433 MHz信号的RSSI值；整个测试过程中780 MHz信号的RSSI值略大于433 MHz信号的RSSI值。

由图5可见，在小麦抽穗期通信距离小于10 m时，3种频段的信号强度RSSI值比较接近并快速衰减；超过20 m后，433 MHz和780 MHz信号的RSSI值明显大于2.4 GHz信号的RSSI值，780 MHz信号的RSSI值稍高于433 MHz信号RSSI值。从图4和图5可以看出，在收发距离相同条件下，3种频段信号在小麦抽穗期的RSSI值要比小麦拔节期的RSSI值平均小5 dBm，说明小麦在抽穗期对无线电信号传播造成的损耗要比在拔节期造成的损耗大。

2.2 丢包率测试结果

780 MHz、433 MHz和2.4 GHz的无线收发模块在小麦拔节期和抽穗期不同收发距离下的丢包率LPR曲线如图6和图7所示。

图6 小麦拔节期不同收发距离的丢包率Fig.6 Packet loss rate of different distances in jointing stage of wheat

由图6可知，小麦拔节期收发距离在125 m的范围内，780 MHz和433 MHz无线收发模块的丢包率均为0；收发距离达130 m时433 MHz无线收发模块出现丢包现象，收发距离达140 m时780 MHz无线收发模块出现丢包现象。2.4 GHz模块在收发距离为95 m时出现丢包现象。

图7 小麦抽穗期不同收发距离的丢包率

由图7可见，小麦抽穗期收发距离达90 m时2.4 GHz无线模块出现丢包现象；收发距离达115 m时433 MHz无线模块出现丢包现象；收发距离达120 m时780 MHz无线收发模块开始出现丢包现象，同样在120 m距离处，433 MHz无线模块丢包率接近6%，2.4 GHz无线模块丢包率已经接近52%。

3 结论

本研究采用MSP430F5438A单片机、AT86RF212无线射频芯片设计了一种基于780 MHz中国专用频段的农田无线传感器网络，在小麦拔节期和抽穗期对433 MHz、780 MHz和2.4 GHz频段的WSN节点的丢包率和RSSI值进行了测试、统计与分析，绘制了3种频段无线收发模块不同收发距离下的接收信号强度与丢包率曲线。

1)小麦拔节期在收发距离超过30 m后，780 MHz信号的强度比433 MHz大，2.4 GHz信号强度最小。收发距离达140 m时，780 MHz无线收发模块开始出现丢包现象，此距离大于433 MHz无线收发模块出现丢包现象时的120 m和2.4 GHz模块出现丢包现象时的105 m。

2)小麦抽穗期收发距离大于15 m时，780 MHz模块的接收信号强度RSSI值大于2.4 GHz和433 MHz信号强度。收发距离达120 m时，780 MHz无线收发模块开始出现丢包现象，此距离大于433 MHz无线收发模块出现丢包现象时的105 m和2.4 GHz模块出现丢包现象时的90 m。

3)本研究结果表明，在农田环境监测无线传感器网络应用中，基于780 MHz和433 MHz频段的无线传感器网络的传输性能明显优于2.4 GHz频段的WSN。780 MHz频段的WSN的通信质量与传输性能更佳，能够满足农田信息采集的需要。

[1] 张伟.面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D].杭州:浙江大学，2013.

[2] 郑宝周,李富强.基于ZigBee和GPRS技术的仓储环境监测系统设计[J].江西农业学报, 2013,25(3)：107-110.

[3] 陈晓栋. 基于780 MHz频段的温室无线传感器网络的设计及试验[J].农业工程学报，2014,30(1):113-120.

[4] 史兵,赵德安,刘星桥，等.基于无线传感器网络的规模化水产养殖智能监控系统[J].农业工程学报,2011,27(9):136-139.

[5] VELLIDIS G, TUCKER M, PERRY C, et al. A real-time wireless smart sensor array for scheduling irrigation[J]. Computer and Electronics in Agriculture,2008,61(1):44-50.

[6] 李小敏,臧英,罗锡文，等.兰花大棚内无线传感器网络433 MHz信道传播特性试验[J].农业工程学报,2013,29(13):182-187.

[7] 冯友兵,张荣标,谷国栋.无线传感器网络在节水灌溉中的应用研究[J].中国农村水利水电,2007(2):24-26．

[8] 曹元军,王新忠,杨建全.基于无线传感器网络的农田气象监测系统[J].农机化研究,2008(12):163-165．

[9] 张瑞瑞,赵春江,陈立平，等.农田信息采集无线传感器网络节点设计[J].农业工程学报,2009,25(11):213-217.

[10]张瑞瑞,陈立平,郭建华，等.农田土壤监测无线传感器网络通信平台[J].农业工程学报,2008,24(增刊):81-84.

[11]刘卉,汪懋华,王跃宣.基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发[J].吉林大学学报(工学版),2008, 38(3): 604-608.

[12]李道亮.农业物联网导论[M]. 北京：科学出版社，2012：151-157.

[13]RAUL M, MIGUEL A F, SAMUEL G M, et al. A ZigBee multi-powered wireless acquisition device for remote sensing applications in precision viticulture[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2008 , 62(2): 94-106.

[14]陈莉.基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计[D].上海:上海交通大学,2008．

[15]冯友兵.面向精确灌溉的WSN数据传输关键技术研究[D].镇江:江苏大学,2009.

[16]文韬,洪添胜,李震,等.橘园无线传感器网络不同节点部署方式下的射频信号传播试验[J].农业工程学报,2010，26(6)：211-215.

(责任编辑：蒋国良)

Design of wireless sensor network for field information acquisition based on 780 MHz

ZHENG Baozhou1, LI Fuqiang1, WU Lili1, YUAN Shuai2, LIN Aiying1, TENG Hongli1, DOU Gensheng1, YUAN Chao1

(1.College of Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China； 2．College of Mechanical and Electrical Engineering， Sichuan Agricultural University， Ya’an 625014， China)

A new type of wireless sensor network was developed with chips of MSP430F5438A and AT86RF212 which works on a Chinese dedicated band of 780 MHz and is compatible with the standard of IEEE802.15.4c for field information acquisition. This paper briefly described the structure of wireless sensor network node, mainly introducing the hardware design of a 780 MHz wireless sensor net-work. The choice and index parameters of sensor for soil moisture/temperature, air moisture/temperature and illuminance were listed. The paper also tested and analyzed the

signal strength index (RSSI) and the average packet loss rate (PLR) of the wireless sensor network node in 433 MHz, 780 MHz, and 2.4 GHz bands by changing the wireless communication distance in a wheat field of eastern Henan plain as the experiment-al environment. The experimental results showed that the transmission characteristics of the wireless sensor networks in the 433 MHz and 780 MHz bands were obviously better than the WSN of a 2.4GHz band in the application of field environmental monitoring. The 780 MHz band WSN was even superior as to transmission and communication quality performance, and could meet the demand of field information reliable transmission.

field information acquisition; wireless sensor networks; 780 MHz band; received signal intensity

2016-06-23

河南省科技攻关项目(162102110108)；河南省高等学校重点科研项目(15A510028; 16B413002)；河南农业大学科技创新基金项目(KJCX2015A17)

郑宝周(1979-)，男，河南桐柏人，讲师，硕士，从事信息检测与处理技术、嵌入式控制技术等方面的研究。

袁 超(1961-)，男，河南开封人，副教授。

1000-2340(2017)01-0060-06

TP212.6

A