基于低功耗广域网的海岛水产养殖环境监测系统研制

针对海岛环境中水产养殖区域分散、工作环境恶劣、人工巡检不便等问题,设计了基于低功耗广域物联网的海岛养殖环境监测系统。系统包括集成Arduino和传感器的终端采集节点,通过LoRa技术实现数据汇总和远距离传输的汇聚网关,利用Python与PostgreSQL开发用于数据接收、存储、处理、访问和控制的后台监测系统。通过对网络拓扑复杂度、能耗等方面的评估,表明在海岛环境下部署水产养殖环境监测系统,相比传统Zigbee多跳无线传感网,采用LoRaWAN,其单跳节点覆盖范围更大,而网络复杂度、能耗等更优。测试表明该系统能以较低功耗实现整片区域内远距离数据采集,有效传输养殖区水体环境数据。网络生存期与传输可靠性测试表明,当传感器节点采用3.7 V/4 200 mAh锂电池,上传周期为30 min时,监测网络的有效生存期理论上可达2.4 a;在800 m通信范围内,发射功率为20 mW时,节点丢包率小于3.6%,具有较高的通信可靠性。该研究可为水产养殖生产和物联网应用研究提供有效参考。     

太阳能低功耗滴灌控制装置的设计与实现

针对山地果园的自动滴灌需求,研制太阳能供电的滴灌控制装置,该装置由STM8S105S6微控制器、实时时钟模块、脉冲式电磁阀及驱动模块、传感器接口、太阳能充电子系统组成,并提供LCD可定制用户界面。测试太阳能电池、锂电池、磷酸铁锂电池的输出特性与供电电压2.8～4.3V下静态功耗,试验表明,太阳能电池最大输出功率为169mW,系统供电电压在3V以上正常工作。平均静态电流最低为70μA。以容量为800mA·h的3.7V锂电池供电,系统在无太阳能补给下的待机时间达150d。太阳能电池每天以42.25mW的输出功率对系统充电30min可维持系统不间断运行。控制装置功耗低,太阳能充电,防雷击防水,适合于野外果园的滴灌系统自动控制。     

基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

微生物燃料电池(microbial full cell,MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点,该文研制了一种具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能的能量收集电路和两级升压电路;基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明,MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内,实现了最大输出功率的跟踪,MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压;无线温度传感器以每13ms的周期将环境温度无线传输到远程终端,验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性,可为实现MFC主动式能量收集提供参考。     

不同激励下宽频磁浮俘能器俘能试验

振动能量俘获是获取可再生的清洁能源一种有效途径，具有广阔的应用前景，有利于社会的可持续性发展。目前，随机功率谱激励下的高功率密度和宽频能量回收仍然是研究的难点。该研究设计了一种可有效利用宽频振动能量的高功率密度磁浮式俘能器，采用COMSOL Multiphysics软件计算悬浮磁体非线性回复力与位移的关系式，根据磁浮振动系统的控制方程和基尔霍夫定律建立俘能器的数学模型，详细研究了模型参数变化对俘能器性能的影响。随后进行正弦扫频和驻频试验以验证俘能器的发电能力。同时，从俘能器的效率、效能和体积优质3个指标对俘能性能进行评价；并结合实际应用，设计俘能器稳压电路。根据丘陵山区农业机械工作的随机路谱特性，建立随机激励的数学模型，根据响应幅值的概率密度函数的FPK方程表达式，得到了平稳概率密度函数的解。结果表明：在激励频率从9.77到31.75 Hz变化时，俘能器最大输出电压在5.92和21.52 V之间；最大输出功率在10 Hz时达81.93 mW，从5到50Hz，输出功率范围为5.76到81.93 mW；俘能器的效率、效能和体积优质分别为2.85%，9.85%和39.74%；俘能器电压输出的功率谱密度有5个峰值点，对应频率分别为9.804、29.41、36.76、36.76、51.47和71.08 Hz，进一步验证了该研究提出的磁浮式俘能器具有宽频发电性能，并可满足丘陵山区农机设备监测传感器的供电需求。     

自适应Tree-Mesh结构的大棚无线监测网络设计

针对大棚基地作物状态及环境信息的无线采集的需求,设计了改进的分簇Tree-Mesh混合拓扑结构无线传感器网络,并利用ZigBee实现了组网和多跳通信,以CC2530为核心设计了多传感器无线节点硬件系统,基于Z-Stack协议栈设计了有限状态机节点程序。同时,针对无线节点低功耗和网络信息低冗余的要求,设计了基于接收信号强度指示的最佳发射功率自适应机制,和基于感知数据差值的最小传输数据冗余自适应机制。试验结果表明,节点单跳和多跳通信速率典型值分别为20与0.3kb/s,采用干电池供电和直流供电的节点通信距离分别可达30和90m。仿真结果证明采用低功耗自适应机制的节点功耗降低了38.44%,可用作大棚基地的环境监测。     

基于微波传输技术的日光温室无线输电系统设计与试验

为解决日光温室内部传感器驱动电路的供电受有线供电制约的问题,使传感器安装及其供电设计模块化、简单化,该文运用无线输电及微波传输技术,将磁控管CK-620A产生的微波作为温室内传感器驱动电路的供电电源。以所搭建的光伏微波无线电力传输系统为基础,探究从发射端到接收端的传输过程中,植被散射、空间电磁波环境对传输效率的影响。以冬季哈尔滨市12月份一天内不同距离、不同时间段下以黄瓜为主的日光温室为试验对象,测试并分析了其对光伏微波无线电力传输系统接收功率的影响。探究了提高日光温室无线输电系统传输效率的方法,提出了低功率损耗的微波发射源设计方案,给出了理论电路图。试验结果表明,当发射功率500 W时,系统能够对8 m范围内的传感器设备进行有效供电。但距离场源较近的位置,易受散射的影响。采用6?7结构的微带天线,最大辐射方向的增益与采用矩形喇叭天线的方式相比提高了0.28 d B,即天线的定向性要好一些,在0~8 m内接收功率平均可提高1.58 W。     

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。     

基于低功耗传输方法的设施花卉环境监测系统

为了降低现有设施环境监测系统中传感节点的能耗,延长无线传感网络的生存周期,该文提出了节点动态组包主动传输和多种环境变量加权控制传输2种低功耗机制,减少了大量重复冗余数据的传输,并实现了基于Zigbee的设施花卉环境监测及其低功耗传输系统。节点以CC2430芯片为核心,并根据影响花卉生长的环境参数,同时装载SHT10温湿度传感器、BH1750FVI光照传感器以及COZIR二氧化碳传感器,因此节点可同时采集传输多种环境参数,降低了硬件成本。在南农大园艺试验基地进行组网测试,试验结果表明,系统比传统周期传输节点(周期1min)的能耗减少85.97%,测量精度在98.5%以上,网络平均丢包率为0.84%,满足了对设施花卉环境的有效监测及低功耗传输的要求。     

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。     

基于能量异构双簇头路由算法的水稻田无线传感器网络

针对无线传感器网络分簇结构中簇头节点能量消耗过快而容易死亡的问题,提出了一种适合于水稻田监测的混合天线组网通信的能量异构双簇头分簇路由算法。首先估算全网平均剩余能量确定阈值,根据阈值选择主簇头;然后依据节点向主簇头节点发送应答信号强弱的原则,确定簇成员节点;最后,按照簇内成员节点剩余能量大小,选择一个副簇头。副簇头负责收集并融合簇内其他成员节点的数据,从而减轻主簇头的能量消耗,降低主簇头的死亡概率。采用能量异构网络对本算法进行仿真,网络节点初始总能量的平均值与同构网络节点初始能量相等,结果显示,该算法异构网络相对于LEACH (low-energy adaptive clustering hierarchy) 算法同构网络的稳定周期延长了12.1%。采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线,在水稻田进行混合天线通信试验,测试了定向天线水平覆盖范围;在此基础上的网络模拟试验结果表明,基于该算法的通信网络稳定周期比值相比于LEACH、LEACH-E (LEACH-energy adaptive and uneven cluster)、DEEC (design of energy efficient clustering)、EADC (energy aware data-gathering cluster-heads) 4种算法分别提高了46%、47%、58%、11%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网进行环境参数实时监测提供理论参考。     

面向农业机械的惯性摆式俘能器特性研究与试验验证

俘能器可以俘获农业机械振动产生的能量并供电传感器。该研究设计并制作了一种惯性摆式振动俘能器，以配重块质量、惯性摆半径、不同激励振幅为控制变量，以俘能器输出峰值电压为优化目标，研究了俘能器的能量俘获特性。试验结果表明：俘能器能量收集能力与正弦激励幅值和惯性摆半径正相关；当俘能器惯性摆半径R较小的情况下（R=30 mm），俘能器能量俘获能力与其配重块质量正相关；当俘能器惯性摆半径R较大的情况下（R=60 mm），俘能器能量俘获能力与其配重块质量无明显相关关系。惯性摆半径为30 mm，且安装配重块（40 g）的俘能器在实测农业机械振动谱激励下可产生4.2 V的峰值电压输出，验证了其能够为储能设备供电（>1 V）的可行性。整流后的俘能器能够带动传感器负载（驱动电压为1.5 V的温湿度计）正常工作，显示了其实用性。俘能器在牧草收割机不同安装位置下的性能试验表明其安装环境适应性好，可以安装在农业机械典型振动部位，如工作部件、底盘、悬架、驾驶室和储货仓。为了得到更优的能量俘获性能，应优先考虑安装在振动较强的部位。该研究可促进农业机械传感器和执行器的无源化进程，符合未来智能农机的发展需求。     

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。     

基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验

为解决目前水产养殖水质自动监测系统存在布线困难、灵活性差和成本高等问题,该文构建了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统。该系统的传感器节点负责水质数据采集功能,并通过无线传感器网络将数据发送给汇聚节点,汇聚节点通过RS232串口将数据传送给监测中心。传感器节点的处理器模块采用MSP430F149单片机,无线通信模块由nRF905射频芯片及其外围电路组成,传感器模块以PHG-96FS型pH复合电极和DOG-96DS型溶解氧电极为感知元件,电源模块以LT1129-3.3、LT1129-5和Max660组成的电路提供3.3和±5V。设计了传感器输出信号的调理电路,将测量电极输出的微弱信号放大,满足A/D转换的要求。节点软件以IAR Embedded Workbench为开发环境,采用单片机C语言开发,实现节点数据采集与处理、无线传输和串口通信等功能。监测中心软件采用VB6.0开发,为用户提供形象直观的实时数据监测平台。对系统的性能进行了测试,网络平均丢包率为0.77%,pH值、温度和溶解氧的平均相对误差分别为1.40%、0.27%和1.69%,满足水产养殖水质监测的应用要求,并可对大范围水域实现水质环境参数的实时监测。     

大面积水稻田无线传感器网络组网设计与优化

为解决大面积水稻田无线传感器网络能量消耗过快和丢包率严重等问题,该文提出了不同天线模式下的3种组网方案:配备全向天线的分环多跳网络、配备定向天线的多跳网络和配备混合天线的分簇多跳网络。第一组网络,处于不同环中配备全向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输到基站;第二组网络,各级配备定向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输至第一级节点;最后一组网络,借助于双簇头分簇思想,主簇头接受副簇头汇聚于成员节点的数据包与基站多跳通信。首先,介绍了3种网络拓扑结构间的差异;然后,从网络能耗角度,理论上分别计算了3组网络的能量消耗;仿真试验表明,混合天线分簇多跳组网方案相比定向天线多跳方案数据包个数提升了近10倍;相比全向天线分环多跳方案网络稳定周期延长了24.3%,网络寿命延长了28.2%;最后,采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线进行了水稻田组网试验,结果表明混合天线分簇多跳网络相比全向天线分环多跳网络丢包率降低了8.11%,平均存活时间效率提高了8.66%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网方案的设计提供参考。     

能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计

针对果园中所存在的无线通信障碍与电池更换困难问题,该文设计了一款适合果园信息采集的无线传感器网络(wirelesssensor network,WSN)节点。节点以MSP430F149为核心,nRF905射频芯片及其外围电路作为无线通信模块,CN3058和HT6292智能充电芯片及其外围电路作为太阳能充电模块,电机驱动芯片ULN2003及水平、垂直电机作为太阳追踪模块,DHT22空气温湿度传感器和TDR-3土壤含水量传感器及其外围电路作为传感器模块,并以该硬件平台编写了通信协议、应用程序和时间同步算法。分析、测试了节点的功耗、通信距离以及太阳能充电时间,在空旷地带有效通信距离达到202m;主电路电池由3V充电至3.6V所需时间为580min,传感器电路电池由5.6V充电至7.2V所需时间为283min;在无太阳能充电且节点系统工作周期为30min情况下,主电路生命周期理论值为497d,传感器电路生命周期理论值为147d。组网试验结果表明:网络丢包率小于1.5%,能够满足果园信息采集以及能量自给的应用要求。     

茶园信息采集无线传感器网络节点设计

针对茶园中所存在的无线通信障碍问题,该文设计了一款适合茶园信息采集的无线传感器网络节点。节点以ATmega128为核心,nRF905射频芯片及其外围电路作为无线通信模块,SHT11空气温湿度传感器和TDR-3土壤含水量传感器及其外围电路作为传感器模块,并以该节点为硬件平台编写了通信协议、应用程序和后台管理软件。分析、测试了节点的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的有效通信距离达到150 m,与Micaz节点对比室内外通信距离分别提高了200%和150%。在广东省英德茶园基地进行了组网试验测试,结果表明：网络平均丢包率为0.84%,传感器感知精度达到98.2%,能够满足茶园信息采集的应用要求。     

基于无线传感器网络的节能型水产养殖自动监控系统

水产养殖的规模化发展和人力成本的不断上升迫切需要建立水质参数的无人值守自动监控系统。该文提出了一种基于改进型低能耗分层分群协议（LEACH）的Zigbee无线传感网络的水质监测和基于西门子PLC的变频增氧控制系统。在LEACH-C通信协议中,由基站根据各节点剩余能量的估算值选定簇首,达到各节点供电电池剩余能量的均衡,同时从系统的实际控制精度出发,当节点测量到的溶解氧浓度值与上次发送值误差在0.02 mg/L范围内时,不向簇首发送数据,达到节约供电电池能量的目的,经试验发现采用优化后的LEACH-C协议,比采用常规的LEACH协议网络有效寿命延长33.33%。适合鲈鱼生长的水体溶解氧质量浓度大于4.5 mg/L,但随着浓度的上升增氧效率将逐步降低,因此设定应急增氧的区间为4.5～5.5 mg/L。控制系统根据无线传感网络测量的溶解氧质量浓度值,采用PI-PID控制水体溶解氧浓度。保证了水体溶解氧质量浓度始终适合鱼类生长。通过试验验证,与人工粗略控制相比,这种控制方法大幅降低了人力成本和节约了51%的电能。该文可为水产养殖自动控制研究提供参考。