农田无线传感器网络的节点部署仿真与实现

应用无线传感器网络进行农田信息采集时,针对农田面积大、传感器节点众多的特点,如何有效地部署节点成为研究的热点之一。利用NS2软件从丢包率、平均延时、剩余能量和接收信号强度等网络性能角度对随机部署、正六边形部署及正四边形部署方式进行了仿真比较,最终确定正六边形部署方案,并在农田中进行实地试验。结果表明系统能够实现无缝覆盖,稳定可靠的采集农田信息,为无线传感器网络在农田环境中的进一步应用提供了参考。     

农田信息采集无线传感器网络节点设计

农田信息的及时准确获取是精准农业实施的基础。该文分析了几种典型无线传感器网络技术应用实例,基于当前无线传感器网络在农田信息采集中的应用现状,提出了设计体积小、工作持续时间长的农田信息采集无线传感器网络节点的必要性。基于ATmega128L单片机和CC1000射频芯片设计了无线传感器网络节点通信电路,并给出了土壤温湿度、电导率传感器、空气温湿度传感器及光照度传感器的选型和指标参数。设计了节点软件系统,描述了一种基于优先级的静态任务调度机制的实现方法,将S-MAC中的SYNC帧和RTS/CTS帧融合并加入了睡眠周期动态调度机制,并实现了全网的长周期睡眠。最后对节点进行了验证试验,给出了节点吞吐能力曲线和系统电压变化曲线,并进行了分析。试验表明,在论文给出的低功耗机制控制下,节点每秒具有6个数据包处理能力;在20个节点容量的全覆盖网络中,10 min采样周期下,节点可有效持续工作150 d以上,可以满足精准农业信息采集需求。     

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。     

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。     

分辨率实时可调的无线图像传感器节点设计与试验

针对目前用于农业图像获取的图像传感器节点分辨率偏低、分辨率固定不可调的现状,设计并实现一种分辨率实时可调的无线图像传感器节点。节点的硬件平台由ARM处理器S3C6410和CMOS图像传感器OV5642组成,并集成了Wi Fi模块和4 G模块。设计了太阳能供电系统为节点供电。采用嵌入式Linux搭建节点的软件平台,设计了基于驱动层和应用层协作、多线程并发的分辨率实时调整算法,并在应用层实现了分辨率实时调整、图像采集、图像压缩和无线传输等功能。为了验证节点的性能,将节点部署在农田进行了长时间的测试试验。测试结果表明,节点具有7种不同的分辨率,最高可达500万像素,更重要的是它在工作过程中可接收远程用户的指令,实时调整分辨率,进而采集不同精度的农作物图像,并远程传输到服务器端。试验表明所设计的节点可满足用户获取不同精度农业图像的需求。     

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。     

无线水分传感器网络分路定点路由

为减少因节点失效和外界干扰带来的数据完整性问题,在无线水分传感器节点软硬件配置、网络周期性工作机制以及方向性网络拓扑的基础上,讨论适用于土壤水分周期性实时监测应用的无线水分传感器网络路由协议。传感器节点在农田中呈二维矩阵结构的网格分布,以两字节行列编号对节点进行二维行列地址编码。将网络按照不同数量的列划分为分路,数据在分路内部定点传输,分路之间顺序传输。对单路、双路和三路路由策略进行了描述,从网络传输数据量、节点超时时间以及数据完整性等方面对分路定点路由策略进行分析和仿真。结果显示,分路定点路由比AODV协议有更好的能耗和数据完整性表现,满足土壤水分周期性监测需要。     

农业生态环境监测中无线传感节点信号有效传输距离的确定

农业生态环境的物理形态和结构复杂多样,对WSN（wireless sensor networks）的无线信号传输造成不同衰减影响。为确保无线传感器网络在农业环境中经济、合理、高效部署,有必要明确典型农业环境中无线传感节点间的有效传输距离。该文基于Shadowing信号衰减模型,利用当前通用的CC2530和CC2591无线通信模块,分别选定4种不同农业环境（湖泊、草地、农田、树林）开展单跳组网试验,通过设定不同距离测试传感器节点的接收信号强度指标（received signal strength indication,RSSI）,分析不同环境中RSSI与传输距离间的变化特征。试验结果表明,所有测试环境获得的RSSI值与有效距离遵从Shadowing模型,其拟合度在0.9232～0.9846之间。通过对实测数据建立拟合模型,以接收节点的灵敏度为临界值,计算出湖泊、草地、农田、树林4种环境的理论传输距离分别为663.3,419.3,208.0和79.5 m,而实测有效传输距离与理论值之间的相对误差在22%～34%之间。从误差分布看,复杂环境的实测值更接近理论值,而特殊结构的复杂环境似对实际信号传输有增强作用。该文的研究方法和模型估算获得的信号衰减系数可为实际环境监测组网提供有益参考。     

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.     

温室环境参数无线传感器网络监测系统构建与CC2530传输特性分析

针对传统温室环境监测系统布线繁杂、成本较高、监测灵活性差及以往无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）能耗较高等问题,设计了一种基于WSN的温室环境参数监测系统。利用CC2530无线传感网络芯片和外围接口搭建了系统硬件,使用Z-Stack协议栈编制了系统底层软件,基于VB软件平台开发了的温室环境监测系统上位机软件,并验证分析了CC2530芯片的传输特性。结果表明,节点在距地表1.5 m时的有效传输距离为60 m,单个节点使用2节5号电池能够持续进行温室环境参数数据采集工作45 d,能较为准确的对温室环境温湿度及作物土壤体积含水率进行监测,系统具有较高的实用性与可靠性。     

基于物联网的生猪运动行为及猪舍环境远程监控系统

In intensive and large-scale livestock breeding, how to evaluate welfare of each individual effectively has become one hotspot of welfare breeding.In this study, a remote monitor system based on computer vision technology and wireless sensor networks was proposed.In the system, pig videos in the piggery were captured by IP cameras and transmitted remotely to PC systems for objects tracking and trajectory extraction, and the piggery environmental data such as temperature, humidity and harmful gases were collected by wireless sensor networks(WSN) nodes.Traditional Camshift tracking algorithm was improved.The average root mean square errors of traditional and improved algorithm were 78.07 and 32.29, indicating the improved algorithm reduced error and improved tracking stability.The results of the real-time monitoring of environmental parameters by WSN showed that the hydrogen and ammonia concentrations, and the ambient temperature were all kept in the normal range, while the carbon dioxide concentration was exceeded, and the air humidity was slightly high.Through data mining, precise welfare monitoring and breeding management were realized.     

基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计

为了解决现有光环境调控系统存在光照度不可调、能耗高、部署困难等问题,该文设计基于无线传感器网络的光环境调控系统。该光环境调控系统以CC2530处理器为核心设计中央控制节点、监测节点、调光节点,采用ZigBee协议实现自组网络、监测数据和控制信号传输。监测节点通过周期监测光合有效辐射值,利用自然光中太阳高度角与红蓝光比例关系,计算当前红蓝光光量子通量密度;利用智能中央控制节点计算其与作物所需目标量的差值,并将其转换为脉宽调制控制信号,通过调光节点控制LED输出亮度,实现LED调光灯输出光量的动态、精确、无线调控。试验检验表明,该系统红蓝光光量子通量密度监测误差小于6%,调控输出光照度相对误差小于3%,可满足多个温室实时、按需、定量光环境调控的需求,具有部署灵活、易扩展、低能耗的特点。     

基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计

为实现准确判断作物水分亏缺程度,为精量灌溉提供科学依据,论文采用无线传感器网络技术,设计了作物水分状况监测系统。该系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输,可以使人们随时随地精确获取作物需水信息,包括引起作物水分亏缺的环境信息（温度、湿度、土壤温度、土壤湿度）以及水分亏缺时作物水分生理指标微变化信息等。它具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点。初步试验表明了该系统的合理性与实用性。可以应用于温室、农田、苗圃等区域。该文为无线传感器网络在设施农业中的应用做出了探索性研究     

基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验(简报)

研究基于ZigBee协议的无线传感器网络技术,结合嵌入式处理器开发了无线传感器网络节点和汇聚节点。网络节点规则分布在被监测区域,负责采集土壤水分信息,并自组成网,将信息发送给汇聚节点,实现对信息的动态显示和大容量存储;节点天线分别在0.5、1.0、1.5和2.0 m 4个高度下,对小麦苗期、拔节期和抽穗期3个典型的生长时期进行试验,得出无线电信号在小麦不同生长时期,最佳天线高度下的有效传输距离,为无线传感器网络在农业中的应用提供技术支持。     

仿蛛网农田无线传感器网络抗毁性量化指标体系构建

为解决传统抗毁性量化指标无法准确描述网络组件失效的耦合关系和全局作用,难以有效归纳、继承蛛网抗毁性机制与规律的问题,该文提出了一套基于节点平均路径数和节点、链路平均使用次数的人工蛛网模型抗毁性量化指标体系,评测失效网络组件的全网影响度和权重等指标。仿真试验表明该指标体系可有效量化评价不同规模的人工蛛网模型的抗毁性,测评各网络组件的抗毁性权重占比,其中,节点、弦链、辐链分别占50%、39.44%、10.56%,同时与传统抗毁性量化指标相比,该文提出的指标具有独特的优势。田间试验结果表明节点遭受不同程度损坏时,仿蛛网部署仍可通过备用链路进行数据传输,相较非交叠分簇部署、栅格部署具有更优的抗毁性。人工蛛网模型抗毁性量化分析可为优化农田无线传感器网络部署,实现规模化可靠应用提供参考。