精准农业无线传感器网络

作者：时间：2013-10-21来源：网络收藏

精准农业被称为人类农业生产的一场革命，并依托于信息技术。准确实时的信息供给是精准农业的首要条件，它的实现依赖于大气温湿度、风速、光照强度况等多种先进的传感器。近年来，出现了许多采用无线公共网络等无线通讯方式进行农、林、牧业的远程监测的研究。这些无线通信技术的优势是传输速度快、信息量大、传距离输远。但因其功耗高、时延长、通信费用高等因素，在农业环境监测中未得到广泛的应用。
无线传感器网络有监测精度高、实时性好、容量大、覆盖区域大、功耗和成本低等显著优点，适合于精准农业环境监控系统的实现。开发用于精准农业监测的无线传感器网络，研究降低其能耗、提高其生命周期和可靠性等关键技术，具有重要的实用价值。

1 系统总体设计
大多数精准农业监测系统中，各个监测区域相距较近，所布设的光照、湿度和温度等传感器节点可在同一无线节点的辐射区域内；同时，控制中心一般都可持续提供能量，汇聚节点能量不限。为此，监测WSN采用星型拓扑结构，系统结构图如图1所示。

1)信息中心即管理节点，负责接收汇聚节点通过GPRS网络上行发送的数据，并提供Web服务功能；当传感器节点工作失常，或者“死亡”时，应能及时采取相应措施。
2)汇聚节点周期性发送信标帧，接收传感器节点发送的数据帧并通过GPRS网络向信息中心转发；接受信息中心查询命令，并向传感器节点下传完成查询任务。
3)传感器节点采集监测信息，并及时地向汇聚节点上传数据；当某个节点的能量低于一定门限时能及时上传低电量告警信息。传感器节点采用电池供电，在非工作状态时一般处于休眠状态。

2 通信协议
精准农业监测WSN具有单覆盖、汇聚节点能量不限、实时性要求不高等特点，为了降低节点功耗、延长网络生命周期，改进传统的MAC协议，提出一种基于TDMA的星型MAC协议一START-MAC协议。
START—MAC协议采用信标帧、确认帧和数据帧3种帧格式。其中信标帧用于汇聚节点的广播同步；确认帧用于汇聚节点应答传感器节点；数据帧则用于承载传感器节点向汇聚节点发送的数据。
协议中汇聚节点始终处于发送／接收转换的状态，处于发送和处于接收状态的时间比为1：1。汇聚节点每隔周期T即发送一定数目的广播帧对全网进行广播，该广播帧包括了汇聚节点的同步信息。网内要传送数据的节点任意接收一帧广播帧，否则就丢弃。接收了广播帧的节点延时一段时间后待汇聚节点转入接收状态，在规定的时隙里发送数据，否则转入睡眠。这样既避免了数据碰撞，又降低了能量的损耗。
将传感器节点一个周期内协议步骤归纳如下：
1)控制传感器模块采集数据，判断是否为新数据，是则进入步骤2)否则进入步骤4)；
2)接收一帧信标帧，然后进入低功耗状态；
3)延时至规定时隙，向汇聚节点发送数据；
4)进入低功耗，延时至下一周期。
汇聚节点一个周期内协议步骤如下：
1)进入发送状态；
2)若有确认帧需要发送，则发送确认帧，然后发送信标帧对全网进行时间同步；
3)转入接收状态，接收数据；
4)若接收状态接收到数据，需要进行存储、串口操作或LCD显示，则进行该操作，结束后转到步骤1。
一个完整的START—MAC协议如图2所示。