劉杰

　?。ㄋ捱w學院 三系， 江蘇 宿遷 223000）

摘要：無線傳感器網絡已被廣泛應用于各種監測應用中，每種應用都有其對應的節點部署方案。像水稻田監測這類室外監測問題，需要考慮天線放置、節點部署密度、路由協議、能量消耗、基站設計和數據傳輸等關鍵環節。對于上述問題，針對無線傳感器網絡在水稻田監測的應用，給出了具體的解決方案，利用太陽能電池板解決傳統WSN生命周期受傳感器節點能量限制的問題。在一塊面積為15 m×50 m的矩形水稻田中進行實驗，實驗結果驗證了太陽能電池板于無線傳感器網絡水稻田監測應用中的有效性。

關鍵詞：無線傳感器網絡;水稻田監測；自供電；太陽能電板

0引言

　　無線傳感器網絡由大量廉價、小型的傳感器節點組成，在不同的應用中能夠同時監測多種參數［12］。

　　無線傳感器網絡在環境生態監測中的應用始于小范圍的區域部署［34］，這種部署方式旨在通過短時間內經驗數據的收集來分析、判斷下一時刻監測環境中的各項監測數據的變化，但這種監測機制沒有考慮到延時的問題［56］。硬件和軟件上的優化設計主要用于設備電源管理和延長網絡生命周期，然而，這些優化仍然受制于傳感器節點有限的供電資源［7］。為了解決這一問題，一個可行的方案是在網絡采用高效能量路由協議的前提下給每個傳感器節點安裝一個太陽能電池板。

　　本文結合水稻田監測問題，首先對無線傳感器網絡應用的關鍵環節進行了較為詳細的闡述與分析，并相應給出了解決方案。

1水稻田監測系統設計

　　本系統的整體架構主要包括傳感器節點、基站和監控終端。傳感器節點通過自組織的方式形成網狀網絡，各節點負責采集覆蓋范圍內水稻田的環境信息，并將采集到的數據進行處理傳送給基站?；緦⑹盏降乃袛祿M行融合處理，之后送往監控中心，從而完成對水稻田的實時監控。系統架構圖如圖1所示。

   1.1傳感器節點和基站設計

　　本文使用MICAz無線傳感器節點，該傳感器節點擁有一個737 MHz的處理器，帶有128 KB的ROM，4 KB的RAM和512 KB的Flash。其運行在24 GHz頻段，16頻道可調，每個頻道間有5 MHz的頻帶間隔，無線數據傳輸速率達到250 kb/s。默認使用2AA電池組供電。基站主要由一個嵌入式主板MPC8241組成，其配有3G/4G模塊、WiFi模塊，并通過接口電路板MIB520連有MICAz節點模塊。

　　1.2天線安置

　　高效的無線通信要求通信環境具有良好的視距傳輸條件。因此，針對本文水稻田監測應用，并利用惠更斯菲涅爾原理，天線高度應保持在距水稻作物頂端上方50 cm的位置［8］，天線安置示意圖如圖2所示?？紤]到水稻的持續生長，需要定期調整傳感器節點支撐桿的高度，以保證天線的相對高度在50 cm左右。

　　1.3節點部署

　　水稻田間開放環境下的點對點通信，信號一般符合tworay傳輸模型。由于水稻葉片具有較低的介電常數，因此發射到葉片上的信號會有很大衰減，其反射信號將會變得很差［9］。為了確保傳感器節點之間數據傳輸的可靠性，需要分析相鄰傳感器節點放置距離d的大小對接收信號強度的影響。

　　1.3.1節點間距測定

　　為了得到合理的節點間距值d，設計實驗：當節點間距不斷增加時，記錄接收信號強度RSSI值的變化情況以及接收節點信包接收情況?？紤]到水稻高度的變化，節點間距測定實驗選擇在有一定時間跨度的兩個日期進行，實驗的基本信息如表1所示。表1節點間距測定實驗信息表組別實驗日期水稻高度/cm實驗一2015年3月28日336實驗二2015年4月28日547

　　實驗示意圖如圖3所示［10］，兩個傳感器節點的間距d從2 m增加到30 m，每次增加2 m，發射節點發送功率保持為0 dBm。對不同的間距d，分別由發射節點向接收節點發送100個信包，接收節點記錄100個信包的RSSI值并取平均。

　　圖4給出了兩次實驗的實際測量值和基于free space模型、tworay模型的理論值。在tworay模型中，其接收功率相當于自由空間傳輸模型下的接收功率乘上一個干擾因子，即：

　　地面反射系數為：

　　其中，θi是信號射線與地面之間的夾角，εr是地面的相對介電常數。上述計算用到的參數為：發送功率PT=1 mW=0 dBm；發射天線和接收天線增益GT=GR=1=0 dBi；發射天線和接收天線水平距離d=2~30 m；相對介電常數εr=4；波長λ=c/248 GHz≈01209 m；兩次實驗中收發天線距地面的高度ht和hr（ht=hr）分別為0836 m和1047 m。

　　從圖4可以看出，隨著節點間距的增大，實際測量到的RSSI值成起伏式下降，其整體下降趨勢與tworay模型理論值的變化趨勢也是一致的。當節點間距較大時，RSSI測量值衰減加快。實際測量值和理論值之間有一定的差值，是因為水稻田存在多徑效應。

　　1.3.2節點部署位置

　　典型的水稻田面積一般為12 000 m2，通常是60 m×200 m并進一步平均分為兩塊，每一塊為60 m×100 m［11］。本文在此基礎上，從降低實驗成本、提高實驗效率的角度來考慮，將實驗稻田面積縮小為15 m×50 m。

　　根據1.3.1節的分析，并結合本系統實際應用環境，節點間距d的取值為5 m，圖5給出了傳感器節點部署位置示意圖。當然，如果傳感器節點的硬件有所提升，通信性能有所增加，則可以相應減少傳感器節點的部署數量，增大節點間距?！?/p>

2太陽能供電系統設計

　　為了解決傳感器節點能量有限的問題，使用太陽能電池板為每個節點提供持續電能。雖然在持續光照條件下利用太陽能能夠解決節點能量有限的問題，但仍需綜合考慮天氣條件易變性、電池初始容量和最大容量、電池過耗或過充等眾多因素。

　　2.1硬件設計

　　本文設計了3種不同的太陽能供電系統，分別是單太陽能板單電池組SSPSSB、雙太陽能板單電池組DSPSSB和雙太陽能板雙電池組DSPDSB，3種供電系統的電路設計圖分別如圖6、圖7、圖8所示?！?/p>

      2.2性能分析

　　太陽能電板能夠產生4.3 V的標準電壓。MICAz模塊需要大約24 mA的供電，LP3871輸入終端的實際供電需求為24.4 mA。另一方面，由太陽能電板提供的標準電流為0.5 W/4.3 V≈116 mA，因此實際充電電流為116 mA-244 mA=916 mA。理論上說，在電池組初始容量為總容量的一半時，要將其充滿至少需要1035 h的光照，對于實際應用來說是比較合理的。

　　為了分析3類太陽能供電系統的工作性能，在同一塊水稻田中同時對3個系統進行電池組充放電實驗。圖9給出了SSPSSB、DSPSSB和DSPDSB電池組在一天當中的充放圖9電池組24h充放電監測圖

　　電情況。比較圖9中的測量數據可以看出，即便是在光照條件一般甚至沒有光照時，SSPSSB、DSPSSB對電池組電力的維持也較好，但是這兩種太陽能供電系統更可能出現過充現象。DSPDSB解決了過充問題，電池組充放電情況比較穩定。

3結論

　　本文設計了一種自供電無線傳感器網絡部署的水稻田監測系統。對系統設計的關鍵環節進行了闡述，并使用太陽能電板為傳感器節點持續供電的方案。方案中設計的3種供電系統都能完成傳感器節點的持續供電，DSPDSB供電系統的實際性能較其他兩種供電系統更為優良。下一步的應用，可以考慮使用移動無線傳感器設備的解決方案。

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