摘要：設(shè)計并實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)路，用于監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境。用高性能、超低功耗單片機MSP430F149設(shè)計溫濕度和光照強度傳感器節(jié)點;用高性能32位ARM處理器LM3S6918設(shè)計匯聚節(jié)點，采用無線射頻器件CC1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā);針對匯聚節(jié)點能量不限的特點，改進傳統(tǒng)MAC協(xié)議，提出并實現(xiàn)了一種新的MAC層通信協(xié)議。實驗證明，該網(wǎng)絡(luò)具有生命周期長、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可以滿足精準農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測要求。
精準農(nóng)業(yè)被稱為人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一場革命，并依托于信息技術(shù)。準確實時的信息供給是精準農(nóng)業(yè)的首要條件，它的實現(xiàn)依賴于大氣溫濕度、風速、光照強度況等多種先進的傳感器。近年來，出現(xiàn)了許多采用無線公共網(wǎng)絡(luò)等無線通訊方式進行農(nóng)、林、牧業(yè)的遠程監(jiān)測的研究。這些無線通信技術(shù)的優(yōu)勢是傳輸速度快、信息量大、傳距離輸遠。但因其功耗高、時延長、通信費用高等因素，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中未得到廣泛的應(yīng)用。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有監(jiān)測精度高、實時性好、容量大、覆蓋區(qū)域大、功耗和成本低等顯著優(yōu)點，適合于精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)。開發(fā)用于精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究降低其能耗、提高其生命周期和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的實用價值。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
大多數(shù)精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，各個監(jiān)測區(qū)域相距較近，所布設(shè)的光照、濕度和溫度等傳感器節(jié)點可在同一無線節(jié)點的輻射區(qū)域內(nèi);同時，控制中心一般都可持續(xù)提供能量，匯聚節(jié)點能量不限。為此，監(jiān)測WSN采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1)信息中心即管理節(jié)點，負責接收匯聚節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上行發(fā)送的數(shù)據(jù)，并提供Web服務(wù)功能;當傳感器節(jié)點工作失常，或者“死亡”時，應(yīng)能及時采取相應(yīng)措施。
2)匯聚節(jié)點周期性發(fā)送信標幀，接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向信息中心轉(zhuǎn)發(fā);接受信息中心查詢命令，并向傳感器節(jié)點下傳完成查詢?nèi)蝿?wù)。
3)傳感器節(jié)點采集監(jiān)測信息，并及時地向匯聚節(jié)點上傳數(shù)據(jù);當某個節(jié)點的能量低于一定門限時能及時上傳低電量告警信息。傳感器節(jié)點采用電池供電，在非工作狀態(tài)時一般處于休眠狀態(tài)。
2 通信協(xié)議
精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測WSN具有單覆蓋、匯聚節(jié)點能量不限、實時性要求不高等特點，為了降低節(jié)點功耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，改進傳統(tǒng)的MAC協(xié)議，提出一種基于TDMA的星型MAC協(xié)議一START-MAC協(xié)議。
START—MAC協(xié)議采用信標幀、確認幀和數(shù)據(jù)幀3種幀格式。其中信標幀用于匯聚節(jié)點的廣播同步;確認幀用于匯聚節(jié)點應(yīng)答傳感器節(jié)點;數(shù)據(jù)幀則用于承載傳感器節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。
協(xié)議中匯聚節(jié)點始終處于發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，處于發(fā)送和處于接收狀態(tài)的時間比為1：1。匯聚節(jié)點每隔周期T即發(fā)送一定數(shù)目的廣播幀對全網(wǎng)進行廣播，該廣播幀包括了匯聚節(jié)點的同步信息。網(wǎng)內(nèi)要傳送數(shù)據(jù)的節(jié)點任意接收一幀廣播幀，否則就丟棄。接收了廣播幀的節(jié)點延時一段時間后待匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，在規(guī)定的時隙里發(fā)送數(shù)據(jù)，否則轉(zhuǎn)入睡眠。這樣既避免了數(shù)據(jù)碰撞，又降低了能量的損耗。
將傳感器節(jié)點一個周期內(nèi)協(xié)議步驟歸納如下：
1)控制傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，判斷是否為新數(shù)據(jù)，是則進入步驟2)否則進入步驟4);
2)接收一幀信標幀，然后進入低功耗狀態(tài);
3)延時至規(guī)定時隙，向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù);
4)進入低功耗，延時至下一周期。
匯聚節(jié)點一個周期內(nèi)協(xié)議步驟如下：
1)進入發(fā)送狀態(tài);
2)若有確認幀需要發(fā)送，則發(fā)送確認幀，然后發(fā)送信標幀對全網(wǎng)進行時間同步;
3)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，接收數(shù)據(jù);
4)若接收狀態(tài)接收到數(shù)據(jù)，需要進行存儲、串口操作或LCD顯示，則進行該操作，結(jié)束后轉(zhuǎn)到步驟1。
一個完整的START—MAC協(xié)議如圖2所示。
