基于無線傳感技術的稻田信息監測系統

黃　鶯

(柳州鐵道職業技術學院 電子技術學院，廣西 柳州　545616)

?

基于無線傳感技術的稻田信息監測系統

黃鶯

(柳州鐵道職業技術學院 電子技術學院，廣西 柳州545616)

摘要：針對稻田信息監測周期長、環境干擾大、采集速度慢、采集方式管理缺乏自動管理等特點，設計了一種基于無線傳感技術的稻田信息監測系統。同時，采用Cluster Tree+ AODVjr 路由算法和分簇算法進行組合，設計了具有異構性能的節點，配置了不同的天線類型，提高數據傳輸距離和質量。實驗數據表明：該系統可以采集稻田的溫度、濕度和土壤含水量，運行穩定，數據正確傳輸率都在90%以上，空氣溫度、空氣濕度和土壤含水量的相對誤差分別為0.43%、0.34%和0.73%。

關鍵詞：無線傳感技術；稻田信息；監測系統

0引言

合適的溫度、濕度和土壤含水量，對水稻產量和質量有著重要作用，為了提高水稻的產量和效益，需要對稻田信息進行監測。無線傳感器網絡憑借其功耗低、成本低、可靠性高等優勢，得到廣泛應用，但其在農業中的應用目前未得到重視[1]。在稻田信息監測系統中，利用大量傳感器節點構成無線網絡，通過自組網、多跳方式，實時地把溫濕度和土壤含水量等信息發送到用戶。在信息傳輸過程中，大部分采用了全向天線技術，定向天線技術也備受關注[2-4]。針對稻田信息監測周期長、環境干擾大、采集速度慢、采集方式管理缺乏自動管理等特點，將無線傳感技術應用于稻田信息監測中，實時采集空氣溫濕度和土壤含水量，采用優化策略的分簇算法進行組網，并設計配有不同類型天線且具有不同性能的節點，以提高傳輸的速度、質量、距離，保證系統穩定性和可靠性，并通過GPRS技術傳輸到用戶終端。

1系統總體結構

稻田信息實時監測系統由4部分組成，包括傳感器節點、路由節點、協調器節點和用戶終端(PC機或手機終端)。

傳感器節點具有處理信息的能力，采集稻田中空氣溫濕度和土壤含水量，并通過無線技術將數據發送到簇頭節點；簇頭節點融合各節點的數據再發送到協調器節點；協調器節點最后融合各簇頭節點的數據，通過有線或無線的方式把數據傳送用戶終端(包含電腦終端或手機終端)進行顯示和存儲，具體如圖1所示。

圖1　系統網絡組成框圖

2系統硬件設計

2.1傳感器節點

傳感器節點由單片機模塊、傳感器模塊、信號處理模塊、無線通信模塊和供電模塊組成，如圖2所示。傳感器節點布置在田間的監測點上，利用傳感器模塊采集空氣溫濕度和土壤含水量，經信號處理模塊調理后送入單片機模塊處理，定期地通過無線通信模塊把數據發送到簇頭節點。采用太陽能電池板供電的主要是為了不用頻繁更換電池，同時，在發射器的輸出端和發射天線之間增加一個功率放大器以提高傳感器節點的通信距離。

圖2　傳感器節點組成框圖

微處理器采用的是MSP430系列處理器芯片MSP430F5438A，具有256K Flash和16K RAM，集成16通道12位AD輸入、12路外部采樣、支持多種低功耗模式LPM。無線通信模塊均采用射頻收發芯片nRF905，具有433/868/915 MHz 3種頻率及抗干擾能力強、功耗低傳輸距離遠等特點。溫濕度傳感器采用的溫度精度±0.5℃、相對濕度精度±3%，體積含水率為±2%的數字溫濕度傳感器AM2301[5]。土壤含水量傳感器采用美國Decagon 公司的ECH2O系列電容型土壤含水率傳感器EC-5，量程為0～100%土壤體積含水率，測量準確度±2%，分辨率達到0.001m3/m3[6]。

2.2簇頭節點

在網絡的前半周期，由于采用Cluster Tree+ AODVjr 路由算法，RN+節點執行AODVjr路由協議，找到一條最短路徑，而可節省能量；在網絡的后半周期，即當RN+節點全部退化為RN-節點后，簇頭節點將由RN+節點和RN-節點擔任，要求簇頭有較強的處理和運算能力用于接收和轉發傳感器節點的數據。

2.3協調器節點

協調器節點負責收集各個簇頭發送過來的數據進行融合后，并通過它發送到網關或用戶終端，是用戶與傳感器節點進行通信的橋梁。為了能保證其與所有簇頭遠距離通信的質量，在協調器上安裝定向天線，并使用數字陀螺儀精確控制其旋轉方向，具備有多方位接收和定向發送的重功能，具體結構如圖3所示。

2.4天線配置設計

全向天線以其360°水平輻射特點廣泛應用于點對多的無線通信系統中，能有效接收所有節點的數據通信，并且不受節點水平轉動的影響，安裝和管理極其方便。而定向天線能把能量集中、增益高、方向性好，多被應用于點對點的通信系統中。由于定向天線能量集中，抗干擾能力強、數據傳輸距離遠、傳送效率高、可靠性高、傳輸質量好，在系統中，不要求布置在監測區域內傳感器節點具有傳輸距離和方向性的規定，適宜采用全向天線。而簇頭節點負責收集傳感器節點數據并與協調器進行通信，為了保證可靠的通信質量，配有定向天線，并使其方向朝向協調器節點。協調器能夠全方位接收所有簇頭的數據并具有定向發送功能，因此配有定向天線，并在數字陀螺儀模塊的控制下旋轉近360°，保證具有可靠的遠距離通信。

圖3　協調器節點組成框圖

2.5太陽能充電電路

太陽能板采用的是8V/800mA的規格，采用DC-DC交換式轉換芯片MC34063，將電壓提升到15V，經過7812芯片輸出+12V供電給數字陀螺儀模塊和充電保護電路，再經過7805芯片穩壓輸出給微處理器模塊；微處理器模塊實時檢測蓄電池的電壓，當充電滿后給一個指令給充電保護電路，切斷充電，達到保護蓄電池作用，具體如圖4所示。

圖4　充電模塊結構圖

3系統軟件設計

3.1軟件組成

節點程序、太陽能充電控制程序和數字陀螺儀控制程序采用C語言完成，是在IAR集成環境下設計，監測程序采用的是易語言開發平臺設計。

3.2數據傳輸算法

為了使稻田信息監測系統網絡性能比較理想，并能準確地采集數據，需要采用一些優化的算法，既能有一條最優的傳輸路徑，又能節省能量，本系統中采用一種混合的算法：前半部分采用了Cluster Tree+ AODVjr 路由算法，后半部分采用優化的傳統分簇算法。

在Cluster Tree+ AODVjr 路由算法中將路由節點分成RN+節點或RN-節點，RN+節點執行AODVjr路由協議，找到一條最短路徑；RN-節點執行的是Cluster Tree路由算法，判斷本身與目的節點間的父子關系，根據式(1)來決定是轉發給父節點還是本身的某個子節點，則有

A

(1)

其中，A是自身地址，D是目的節點地址，Cskip(d-1)是偏移量[9]。

為了消除RN+在路由發現時產生冗余的RREQ分組，設置允許最大傳輸跳數、或是設置每節節點的通信半徑，或者根據公式(1)來進行判定，將RREQ分組發給子節點或父節點和鄰居節點。

由于RN+節點在網絡中承擔大部分數據的傳輸，有可能因為傳輸大量數據而將自身能量耗盡。為了保證網絡的良好性能，當RN+節點的能量低于EMR時，將退化成RN-節點。EMR由節點的初始能量E0、當前節點的深度(Depthi)和控制系數λ(一般取2～4)決定[7]，則有

(2)

當RN+節點全部退化成RN-節點后，采用傳統分簇算法。為了達到良好的網絡性能，承擔大量數據傳輸的簇頭需要不斷重新選擇，以達到能量均衡。簇頭的更新選舉主要由選舉系數[8]、邊緣位置[9]、閾值能量[10]3個因素來決定。

選舉系數與網絡中節點數n，傳感器節點每次發送數據消耗的能量Ecm和簇頭消耗能量Ech有關。選舉系數為

ε=0.003579n +0.152Ecm-0.0291Ech+0.682

(3)

邊緣位置與監測網絡的面積S、節點數量N、簇頭選舉比例p、簇頭的最大通訊半徑RT、最大通訊范圍與半徑之比γ有關，則

(4)

而閾值能量與簇半徑內所有成員節點的平均剩余能量Ea、簇內節點數m、節點剩余能量Eres等有關[11]，則有

(5)

3.3網絡組網

節點安置成功后，上電就進行自組開成網絡，整個組網過程由分簇階段、路由建立階段、數據傳輸階段及簇頭重選階段等4個階段組成。

1)分簇階段。在網絡建立初，按照ZIGBEE組網規則形成網絡拓撲結構，網絡建立完成進行分簇，方法如下：第1個分簇由協調器(cluster0)和其通信半徑范圍內的節點組成。協調器定期向周圍廣播，允許其它節點加入網絡。其它節點加入網絡后，先判定此節點類型是不是協調器，如果不是，協調器就與此節點建立鏈路連接。被找到的所有節點也以一定的通信半徑尋找新的節點，如果找到新的節點是cluster0的葉子節點，則建立新的鏈路，并把其所兄弟保存，并設置一個已建簇標志；如果不是葉子節點，由該節點形成新的簇并成為簇頭，則在其通信半徑內繼續尋找其它節點，并根據建簇標志形成新的鏈路。在此期間，如果新找到的節點與當前節點有父子關系，那么簇頭將由父節點擔任；如果不是則將有網址地址數較小的節點擔任簇頭，并以此方法，去遍歷其它剩余節點。在分簇算法中，距離協調器跳數為奇數的被設置成RN+節點，起網關的作用，跳數為偶數的路由器將形成一個新簇的簇頭，并且被設置成RN-節點[12]。簇建立好后，在其通信范圍內廣播其成為簇頭的信息，要求簇內成員節點將數據發送給它，這些數據包括節點網絡地址及節點剩余能量等。

2)路由建立階段。節點間需要進行數據通信時，將利用AODVjr路由算法，在網絡中廣播RREQ分組。RN-節點根據公式(1)來進行判定，若滿足公式則屏蔽自身父節點和鄰居節點的地址，只將RREQ分組發給子節點。若不滿足公式，則將子節點地址屏蔽，再RREQ分組發給自身的父節點和鄰居節點。而RN+在收到RREQ分組先判斷目的節點是還本節點的后代節點；如果是，屏蔽自身父節點和鄰居節點的地址，將RREQ分組發給子節點，如果不是，則查看目的節點是否本簇某成員節點的后代節點，如果是，則將RREQ傳給那個后代節點是目的節點的本簇節點，如果目的節點與本簇沒有關系，則將RREQ傳給父節點，直到找到目的節點[7]。

3)數據傳輸階段。數據將從建立好的路由路徑，傳送到指定的節點。

4)路由重發現階段。在保持原路由進行數據傳輸的同時，將不斷檢測RN+節點的剩余能量，如果RN+節點的能量低于EMR，將退化成RN-節點，當所有RN+節點全部退化成RN-節點時，網絡將重新組網，這一階段采用分簇算法，網絡將根據節點數量和成為簇頭的比例，進行重新分簇；組網穩定后，各個簇內節點成員將數據定期地發送給各自的簇頭，簇頭再將數據轉發到協調器。起初的分簇、數據傳輸和LEACH協議中相同，當簇頭的能量滿足式(3)時將重新選舉簇頭。簇頭更換策略是當簇頭的滿足選舉系統時，進入到簇頭更換，查找簇內具有最大剩余能量的節點。根據式(4)找到不處于邊緣位置的節點。判定其剩余能量是否大于Ea，如果滿足，此節點成為新的簇頭，并在自身通信范圍內廣播成為簇頭的信息；然后再重新分簇，形成新的路由后進行數據的傳輸。

4系統試驗

在華南農業大學岑村水稻試驗田對本文設計的系統進行了試驗，對數據傳輸的正確率和數據丟包率進行了測試。整個系統由1個協調器節點、7個RN+節點、4個RN-節點及10個傳感器節點組成。網絡組網后是一個不均勻的簇，共分成5個簇，分別安裝在田間不同的區域。傳感器節點以30min間隔發送數據，監測中心也定期以30min向傳感器發送讀取數據命令；傳感器節點接收命令后，把自身采集的數據向監測中心發送。傳感器每1次發送1個數據包，1h發送1次，每天發送數據包48個，系統連續監測24d，總數據包為1 152個，具體如表1所示。

表1　數據傳輸情況表

由表1可以看出：10個節點中有8個數據傳輸正確率高于90%，節點3和節點10的正確率稍微低點，分別是70.3%和65.8%。由于無線通信過程中受田間植被、自然環境、天線干擾及傳輸損耗等因素影響，正確率不能達到100%。通過分析發現：這兩個節點安裝的位置在數據傳輸過程中受田間植被擋住，而且定向天線在旋轉過程中旋轉不到位，經過調整節點3和節點10的位置和調整定向天線旋轉的角度，正確率都可以達到90%以上，數據傳輸率高，穩定且可靠。

系統在實際稻田情況中進行測試，采集了稻田相關數據，并經由路由節點和協調器節點發送到用戶的終端設備上顯示和保存。圖5、圖6和圖7分別是5個簇頭的5個節點發送回來的空氣溫度、空氣濕度和土壤含水量的曲線變化圖。

圖5　空氣溫度曲線圖

圖6　空氣濕度曲線圖

圖7　土壤含水量曲線圖

圖5中，節點3在上午8：30左右，收到一個偏高的數據；圖6中的節點5在2：00和9：00左右，節點7在13：00左右和23：00左右也會出現數據撥動過大。這是因為數據在傳輸過程中受到干擾產生，數量點不算多。在圖7中，節點7在8：00之前一直都維持在60%左右，是因為節點7安裝的位置土壤稍微干燥，8：00時對土壤進行澆水后，土壤含水量會明顯升高。此外，采用儀器對監測點進行了校對，空氣溫度、空氣濕度和土壤含水量的相對誤差分別為0.43%、0.34%和0.73%。

5結論

設計了一款基于無線傳感技術的稻田信息監測系統，結合Cluster Tree+ AODVjr 路由算法和分簇算法，采用混合天線技術，提高數據傳輸的質量、速率和距離，并采用了數字陀螺儀對定向天線的轉臺進行控制，提高數據接收的能力。該系統可以采集稻田的溫度、濕度和土壤含水量，運行穩定、數據正確傳輸率高、相對誤差小，滿足系統監測需求。

參考文獻：

[1]劉航,廖桂平,楊帆.無線傳感器網絡在農業生產中的應用[J]．農業網絡信息，2008(11):16-18．

[2]劉軍，孫茜，李少華，等．基于定向天線的無線自組網拓撲控制算法[J]．東北大學學報:自然科學版，2012，33(9): 1257-1260．

[3]劉垠．基于定向天線的WSN的分簇路由協議[D]．成都:電子科技大學，2009．

[4]楊光松，耿旭．WSN 中基于定向天線的節能尋路機制[J]．計算機工程，2010，36(22):91-93．

[5]孫寶霞,王衛星,雷剛,等. 基于無線傳感器網絡的稻田信息實時監測系統[J].農業機械學報,2014(9):241-246.

[6]李震,Wang Ning,洪添勝,等.農田土壤含水率監測的無線傳感器網絡系統設計[J]. 農業工程學報,2010(2):212-217.

[7]錢志鴻,張曉帆,王義君,等.基于節點特性的LR-WPAN網絡能量優化路由算法[J].通信學報,2010(10):238-243.

[8]孫寶霞.基于節點剩余能量的簇頭選舉算法[D].廣州：華南農業大學，2007.

[9]黃鶯.基于節點剩余能量和位置的分簇算法研究[D].廣州：華南農業大學，2007.

[10]Huang Ying, Huang Cong. Cluster algorithm for electing cluster heads based on threshold energy[C]// International conference on electric and control engineering,2010:2692-2695.

[11]孟繁疆,郭俊振,劉相琴.稻田土壤墑情監測網絡分簇策略的研究[J].農機化研究,2013,35(4):29-32.

[12]張曉帆.基于LR-WPAN網絡層的節能路由算法的研究[D].長春：吉林大學,2011.

Paddy Information Monitoring System Based on Wireless Sensor Technology

Huang Ying

(School of Electronic Technology of Liuzhou Railway Vocational Technical College, Liuzhou 545616，China)

Abstract：In view of the characteristics of long monitoring period, great environmental interference, slow acquisition speed and lack of automated management in the process of farmland environmental data collection，paddy information monitoring system based on wireless sensor technology was designed, designed，used cluster tree + AODVjr routing algorithms and clustering algorithms, design nodes with heterogeneous properties, and different antenna types were configured to improve data transmission distance and quality.It analyzes in details the composition structure, hardware design, software design, and networking process of the proposed system.Experimental data show that the system can collect paddy temperature,humidity and soil moisture,and the system runs stably and the measurements are accurate.Correct data transfer rate of system were higher than 90%, and the relative errors air temperature,air humidity and soil moisture were 0.43%,0.34% and 0.73%.

Key words：Wireless sensor technology; paddy information; monitoring system

文章編號：1003-188X(2016)07-0167-05

中圖分類號：S24；TP274.5；TP724

文獻標識碼：A

作者簡介：黃鶯(1980-)，男(壯族)，副教授，(E-mail)18978225815@163.com。

基金項目：廣西高校科研項目(KY2015YB474);廣西高校優秀中青年骨干教師培養工程項目(桂教人〔2014〕39號)

收稿日期：2015-06-01