柿园无线传感器网络信号传输损耗研究

为探究柿园无线传感器网络信号传输特性,该文研究了在2.4 GHz无线信道下柿树处于萌芽期、幼叶期和花期3种时期时无线网络信号传输的衰减情况。试验中分别在柿子树萌芽期、幼叶期和花期3个生长时期下选择一列长势均匀的柿树,通过调节子节点和汇聚节点装置的高度和距离测量柿子树从距离地面3个高度冠层底部(0.8 m)、冠层最密部(1.8 m)和冠层顶部(2.8 m)处各8个距离点的链路质量指示值(link quality indicator,LQI),并对试验数据进行分析。结果表明LQI值随着距离的变化呈正弦曲线式衰减趋势。萌芽期时子节点和汇聚节点的高度均位于冠层顶部时,节点间距38 m时是最佳位置;幼叶期时子节点和汇聚节点的高度均位于冠层顶部,节点间距32 m时是最佳位置;花期时子节点和汇聚节点的高度均位于冠层顶部时,节点间距26 m时是最佳位置。通过对3次数据进行曲线拟合分析分别建立了在2.4 GHz信道下信号衰减模型,其中3种生长时期下均是三次多项式模型决定系数R2最大,为最适模型。果园中无线传感器网络信号传输损耗的研究为在果园中无线传感器网络节点部署提供了技术基础。     

温室动态星型无线传感器网络通信方法研究

针对温室测控系统信息传输技术存在的一些问题,根据温室结构特征提出一种动态星型无线传感器网络的框架,从低成本低功耗角度出发,移动的汇聚节点采用定时跳频方法与子节点形成子网,以尽量缩短点对点之间的通信距离。利用帧扩展的方法实现了以低功耗芯片nRF2401A构成复杂的通信网络,并给出了传感器节点、控制节点和汇聚节点的通信算法。在汇聚节点不同的工作状态下,对网络子节点进行能耗分析,结果表明,动态星型无线传感器网络的通信方法具有很好的节能效果,对温室中数据的传输是有效的。     

多路径下桃园射频信号传输特性

为解决无线传感器网络在桃园中的快速部署问题,该文研究了2.4 GHz无线射频信号在桃园中的传播特性。依据角度选取4条传输路径,在3种(0.5、1.5、2.5 m)典型的天线高度,同时测量丢包率和路径损耗情况,分析表明两者具有明显的相关性,天线高度和通信距离是路径损耗的主要影响因素。在天线高度为0.5和1.5 m时,可靠传输距离为6个行距(27 m);在天线高度为2.5 m时,可靠传输距离大于14个行距(63 m),因此冠层顶部为布设天线的最佳位置。对路径损耗数据进行回归分析,发现其在每种天线高度,每条传输路径下对数模型最适合作为路径损耗模型,模型的R2最大为0.945,最小为0.732。为研究节点部署于桃园任意位置时的路径损耗情况,便于节点快速灵活地部署,在3种天线高度下对路径损耗数据进行对数回归分析,R2最大为0.976,最小为0.939。最后对2组模型进行了验证,表明模型可以预测射频信号在桃园中的路径损耗情况,该文研究结果为无线传感器网络在桃园中的部署提供了参考。     

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

为解决橘园中无线传感器网络（WSN）规划和快速部署问题,该文基于无线射频信号的传播特性,研究了橘园中WSN射频信号与影响因素间的关系。试验中选取433 MHz载波频率,基于连续无线电波分析了WSN射频信号受植被深度、天线高度和通信距离等因素联合作用下射频信号在橘园的衰减情况,建立了橘园中不同影响因素作用下,433 MHz无线射频信号接收强度与环境传播因子及通信距离间的线性模型,拟合曲线的R2最低为0.797,最高为0.980,验证了此模型用来预测橘园中影响因素对接收信号强度衰减趋势的可行性;得到了基于无线射频信号接收强度指示下不同植被深度、天线高度和通信距离变化联合作用下的最佳天线高度分布表,为无线传感器网络在橘园中的节点部署提供指导。     

小麦田中天线高度对2.4GHz无线信道传播特性的影响

探索农田环境下无线信道传播特性,将为无线传感器网络部署与功率控制方面的研究打下基础。该研究在小麦田地中实地测试了不同生育期 2.4GHz 无线信号的功率衰减情况和丢包率,进而得出传输范围及路径损耗,并用MATLAB对路径损耗进行了回归分析。研究表明,小麦田中,信号衰减的速度随天线高度的变化单调递减,而传输距离随天线高度的变化单调递增,因此,天线的较优位置应略高于成熟植株（1.2 m左右）。同一天线高度下,小麦生长后期无线信号的衰减大于前期。2.4GHz 无线信号的衰减情况可用对数距离路径损耗模型来预测,理论值与测量值的相关系数在0.961～0.996之间。路径损耗指数与天线高度呈现对数衰减趋势;在同一天线高度下,路径损耗指数随着小麦的生长而增大。     

基于发射功率自适应的稻田无线传感器网络节点设计

针对水稻生长过程环境因素变化较大以及传感器节点的能量大部分被无线射频阶段所消耗,设计了发射功率自适应的无线传感器节点,建立了长时间、稳定、高可靠性的稻田无线传感器网络。试验测试了水稻的株高、叶面积与生长天数的关系以及对无线信道的影响,结果表明水稻株高和叶面积的增加会降低无线信号强度和通信成功率;通过增大发射功率可以提高通信质量克服由于水稻生长因数对无线信道的影响。在软件设计方面,传感器节点采用睡眠、苏醒工作机制来降低功耗。同时为了延长工作时间、提高通信质量,提出了根据水稻生长周期、通信距离、接收信号强度、平均丢包率等因素自动调整节点发射功率的能量自适应功耗调整机制。田间试验结果表明,水稻田节点发射功率越大,有效通信距离越远,且水稻的密度和高度等对通信有重要的影响;节点发射功率在5 dBm以下时,发射功率的改变对节点工作电流影响较小,节点工作电流均小于40 mA;采用该机制对发射功率进行调整,增大节点发射功率可使通信成功率有大幅的提升;降低节点发射功率仍然保持良好的通信效果。水稻分蘖和抽穗2个生长时期的田间试验结果表明,采用发射功率自适应策略,提高了通信质量,平均丢包率在5%以下,通信成功率大于97%,达到了预期设计目的。     

农田无线传感器网络移动终端数据收集方案

农田无线传感器网络部具有署面积大、汇聚节点位置不固定的特点,为了解决移动汇聚节点高效、低能耗地收集网络数据的问题,提出了一种基于层次型拓扑结构的移动终端数据收集方案—DCSMT_H。方案综合考虑节点位置及当前剩余能量选举簇头并形成层次型拓扑结构,根据移动终端当前位置灵活构建簇间数据汇聚路由。仿真实验结果表明,DCSMT_H方案的网络能耗低,该方案与LEACH相比能有效延长网络生存期约15%,能够较高效地应用于移动终端收集大规模农田生产信息。该研究为提高无线传感器网络在精准农业中的应用水平做出了有益探索。     

农业环境信息无线传感器网络监测技术研究进展

无线传感器网络是实现农业环境变量信息多方位、网络化远程监测的主要技术手段。无线地上传感器网络应用研究集中在作物不同生长期内节点布设距离和高度以及作物高度等对无线电信号传输损失的影响,从而合理选择节点布设参数。无线地下传感器网络应用研究集中在气象环境、土壤类型、土壤含水率、土壤结构与成分、节点埋藏深度、节点距离、频率与功率范围、网络拓扑结构、路由算法、组网方式等对电磁波多路径传输的路径损失、误码率、最大传输距离、含水量测试误差等方面的影响。研究指出,300～500 MHz的频率更适合土壤无线地下传感器网络,其最大传输距离为5 m,传输距离将是系统大面积推广应用的主要限制因素。今后重点应研究433 MHz电磁波在不同土壤和空气多层介质中的传输特性、信道模型及路径损失,优化节点和网络技术参数,确定不同农业应用环境条件下传感器网络节点合理位置和最优的网络拓扑结构方案。     

山地橘园无线环境监测系统优化设计及提高监测有效性

针对山地橘园生长环境时空变异大,气候复杂多变的情况,对山地橘园无线监测系统进行了优化设计及试验,以实现橘园生长环境信息的有效监测。设计了适合山地橘园环境工作的信息帧结构,引入了双向指令控制机制,节点拓扑发现,路由监测以及节点信息多样化采集优化机制,以增强山地环境下橘园信息采集的鲁棒性和可控性。对橘园无线信道衰减情况进行了测试,引入阻挡和雨衰因子建立无线信道衰减模型,并用于指导橘园无线监测网络部署试验。无线信道衰减分析与网络部署试验结果表明,在复杂气候条件下,系统天线部署高度在1.5 m,单跳通信距离在30 m内,可较好地完成山地橘园环境信息采集和传输任务。744 h的连续监测运行试验数据表明,优化设计后的无线监测系统信息传输成功率得到了提高,30 m距离内的传输成功率在99.12%以上,监测系统工作稳定,运行良好,适于野外条件下山地橘园生长环境无人远程实时监测工作。     

基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统

移动无线传感器网络技术为农田信息监测提供了高效可行的技术手段。该研究根据南方农田地块相对分散、丘陵山地多,农情信息获取环境恶劣、采集数据时间周期长、网络分割成块的特点,利用UAV(unmanned aerial vehicle)具有的高效、灵活的特性,结合低功耗无线传感器网络,提出一种满足南方农田信息获取采样和数据业务需求的三层架构的无线传感器网络体系结构TUFSN(three-tire unmanned aerial vehicle farmland sensor network),其由数据采集层、中继传输层和移动汇聚层组成,该体系结构具有系统结构合理、可扩展性好、系统整体能耗低等特点。通过仿真可得中继节点RN（relay node）的缓存大小范围为3～13kB,系统试验中携带移动节点的UAV以1m/s的速度、15 m的高度在农田上空飞过,飞行过程中与地面中继节点通信并采集农田信息,UAV与地面中继节点的平均通信时长为26 s,仿真和试验表明,基于UAV的三层架构农田信息采集无线传感器网络很好地满足了南方地区农田信息数据采集和监控的生命周期长、传输数据可靠、覆盖面积广的要求。     

基于农田无线传感网络的分簇路由算法

由于无线传感网络节点的能量有限,如何有效地利用有限资源以及实现数据的有效传输,成为研究热点问题.针对农田区域广以及种植作物杂等环境特征,为延长农田无线传感器网络的生命周期,提高传感网的数据包投递率,构建了适用于农田信息采集的无线传感器网络架构,提出了一种混合式的分簇路由算法HCRA(hybrid clustering routing algorithm),研究了簇的形成、簇头竞选以及簇间路由过程,并对HCRA算法与低功耗自适应集簇分层型算法LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy),以及使用固定簇半径的混合节能分簇算法HEED(hybrid energy-efficient distributed clustering)进行了仿真试验.结果表明:在1 000次迭代周期下,采用HCRA算法的网络生存时间要比LEACH算法长约28％,比HEED算法长约12％;采用HCRA算法的数据包投递率要比LEACH算法高约34个百分点,比HEED算法高约16个百分点.该研究可为农田环境信息采集自动化监测系统提供参考.     

基于ZigBee的节能型水产养殖环境监测系统

该文基于ZigBee无线传感器网络技术,设计了一种节能型水产养殖环境监测系统,用于实时监测水的温度、pH值、溶解氧浓度和浊度等参数。系统采用CC2530为核心处理器设计无线传感器节点;运用开源的Z-stack协议栈开发了节点应用程序,提高了系统的稳定性和可靠性;使用9 V锂电池为无线传感器节点供电,实现了系统的无线化;采用C/S和B/S混合编程模式开发了简单直观的本地用户监测界面和远程监测网站,实现了系统的本地监测和远程监测;采用分时、分区供电的方式和数据融合技术延长了节点的生存时间。该文介绍了系统软硬件设计方法,并重点阐述了软件和硬件的节能策略。实验室测试表明,采用方案4（传感器不一直工作,数据全部发送）,节点数据采集周期为10 min,节点能正常工作94 d,实际系统上线时,节点数据采集周期为30 min,节点预计能正常工作280 d左右;运用节能策略后,节点寿命延长了1倍。在甘肃省某虹鳟鱼养殖基地进行了实地测试,路由节点剩余能量约占总能量的47%,终端节点剩余能量约占总能量的33%,路由节点能量消耗较快,距离汇聚节点最近的16号路由节点的寿命预估只有134 d。结果表明该系统具有功耗低、运行稳定、网络寿命长等优点,能实现水产养殖环境的实时监测,具有很好的市场前景和推广价值。     

传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计

农田复杂环境及大面积监测需求对农业物联网传感器节点的供电提出了极大挑战,而环境能量收集技术则使低功耗农业物联网传感器节点的自供电及免维护成为可能。针对传统能量收集装置中收集的环境能量单一有限、装置体积大、可靠性差的问题,该文提出了一种新型混合环境能量一体化收集系统。该系统定位于环境中普遍而丰富的射频电磁波能量和振动能量,通过射频收集天线和压电陶瓷的有效结合,同时收集2种环境能量,并经整流转换成直流电能。能量收集天线使用普通FR4印刷电路板实现,工作在手机通信频段1.9 GHz(3G频段),测试的回波损耗为-20.5 d B,对电磁波能量收集的最高输出功率可达到38 mW,测得收集到的振动能量最大输出功率可达到25 mW,满足低功耗传感器节点的功率需求。该装置不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力,还大大降低了传统混合系统的尺寸,可为农业物联网快速发展中的传感器节点可靠供电问题提供参考。     

基于相似度的温室无线传感器网络定位算法

针对温室移动节点定位简单、易实现要求,提出了一种基于相似度的温室无线传感器网络定位方法。该方法主要包括虚拟网格划分、测量距离修正、节点定位3个阶段。首先,汇聚节点根据信标节点的分布信息,将温室区域等分划分虚拟网格,并返回除区域边界外的网格顶点的坐标;然后,汇聚节点通过比较信标节点间测量距离与真实距离的偏差,获得各信标节点的误差系数,用以修正传感器节点与各信标节点间的测量距离,并按序组成距离向量;最后,量化该距离向量与所有除区域边界外的网格顶点到各信标节点的距离向量之间的相似程度,选取相似度最高的网格顶点的质心为传感器节点的估计位置。仿真试验表明,该方法充分考虑测距误差、虚拟网格、信标节点数量对定位误差的影响,具有较高的稳定性和定位精度,能够满足网络定位成本受限的温室定位需求;将该方法与支持向量机定位算法进行比较,2种算法的定位误差均值分别为2.5407、2.9195 m,定位算法平均运行时间分别为0.2326、2.3719 s,表明该方法具有更低定位误差和计算复杂度。     

基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用

针对温室环境数据信息监控特点,本文进行了基于ZigBee协议的传感器节点技术的开发,并在此基础上组成现场监控无线传感器网络,通过网络汇聚节点与无线移动网络（GPRS/CDMA）和INTERNET的无缝连接,实现数据远程传输至指定数据库服务器。无线传感器网络组建采用星型拓扑结构,通过软件设置在需求时唤醒ZigBee网络节点,使监控设备具有组网灵活、拆移便捷等优点。通过在实际生产过程中应用表明,该系统工作性能稳定,在数据采集和传输等方面均达到了设计要求,尤其是有效简化了现场设备安装与拆移等过程,使之更适合各类农业现场数据监控的需要。     

基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发

农田墒情信息是现代农业实施精准施肥、精确灌溉的重要科学依据。为了实现快速准确地采集墒情信息,研究开发了基于3S（GPS/GIS/GPRS）技术联合的农田墒情远程监测系统。该系统主要由农田信息监测网络节点和远程服务器组成,在小范围内由传感器节点基于ZigBee通讯协议组成无线传感器网络,在大尺度上通过网关节点集成GPS网络,利用GSM/GPRS网络实现与Internet的信息交互,完成了墒情数据的自动采集、无线传输和准确定位。设计了太阳能自供电的长寿命无线传感器节点和网关节点,开发了服务器端农田墒情信息管理系统软件,实现了Web方式下的参数远程设置和信息实时监测。该系统的设计开发为农田墒情信息监测和分析决策提供了有效的工具。