基于780MHz频段的温室无线传感器网络的设计及试验

针对以往农用无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)能耗与成本较高、传输性能不理想等问题,该文选用无线射频芯片AT86RF212、单片机C8051F920等,设计了一种工作在780 MHz中国专用频段且与IEEE802.15.4c标准兼容的无线传感器网络。该文简述了无线传感器网络节点结构,重点介绍了780 MHz无线传感器网络的硬件设计,并选择北方典型的日光温室作为试验研究环境,通过改变无线收发距离,对780、433和2 400 MHz频段的无线传感器网络节点的接收信号强度值(RSSI,received signal strength index)和平均丢包率(PLR,packet loss rate)进行了测试与分析。试验结果表明,3种不同频段的无线收发模块的接收信号强度值RSSI都随着收发距离的增大而减小。在温室内测试,收发距离小于20 m时,3种无线模块的RSSI值相近;收发距离为40~90 m时,7803 MHz模块比433 MHz模块的RSSI值略大,2.4 GHz的RSSI值最小。在温室内收发距离小于90 m的范围内,780 MHz模块和433 MHz模块的丢包率均为0,2.4 GHz模块的最高丢包率不超过5%。在温室间测试,收发距离为50~90 m时,780 MHz模块和433 MHz模块的RSSI值相近;收发距离大于90 m时,780 MHz模块比433 MHz模块的RSSI值大;2.4 GHz模块在温室间收发距离为50~140 m时的RSSI值均小于433、780 MHz。2.4 GHz模块在收发距离大于70 m时出现丢包现象,收发距离大于135 m时丢包率达到100%;温室间收发距离为140 m时,433 MHz模块的最大丢包率为11%,780 MHz的最大丢包率不超过6%。因此,在温室环境监测的应用中,780 MHz频段的无线传感器网络的传输性能表现最佳,且与433 MHz都明显优于2.4 GHz。     

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。     

基于移动无线传感器网络的植株图像监测系统设计与测试

针对静态无线传感器网络(static wireless sensor network,SWSN)在图像监测中功耗分布不均、传输不可靠等问题,设计了基于移动无线传感器网络(mobile wireless sensor network,MWSN)的农田植株图像监测系统。选用JN5139模块搭配摄像头采集和编码图像,利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)搭载协调器收集信息。通过仿真和测试可得,节点在MWSN中的最小功耗为10μW,工作功耗为133 m W,在SWSN中为133 m W,路由节点功耗为普通节点的2倍;在10~35 m范围内,MWSN的信号强度为-68~-86 dbm,SWSN为-83~-85 dbm;在10~80 m范围内,MWSN的误码率范围是0~9.2%,SWSN是0~38.6%。试验时UAV在15 m高空悬停接收地面设备发出的图像数据,测得获取一张图片平均需135 s,图片分包平均为22次,解码后的图像可以较好的反映植株生长状态。上述结果表明,工作时间相同,MWSN中节点的功耗差异性小,呈均匀分布;在一定距离范围内,MWSN的传输能力和抗干扰能力整体上优于SWSN,能保证数据传输的可靠性,因此,基于移动无线传感器网络技术的图像监控系统能够满足大范围农田中植株图像的监测需求。     

基于RFID读写器网络的粮库温湿度分布式监测

针对粮库粮情参数监测点多、通信距离远、系统扩展和移动性能差的现状,提出一种基于3级读写器网络的粮库温湿度无线监测系统。集成温湿度传感器SHT75、主控器MSP430F149及射频通信模块NRF905设计了一种RFID传感标签,分布在粮库内实时采集标签周围粮食的温湿度信息;前端读写器无线接收传感标签的温湿度信号并将其与时间及地址编码信息打包,中继读写器无线接收前端读写器的粮情信息并无线传输给终端读写器和中央监控计算机。试验表明,系统具有功能扩展方便、传输距离远（有效通信距离≥128?m）、路由选择与定位简单等特点。     

基于无线传感网的荔枝园智能节水灌溉双向通信和控制系统

为提高水资源利用率和灌溉智能化管理的需要,设计了以无线传感器网络技术为核心的荔枝园节水灌溉控制系统,该系统的无线通信模块选择CC2530模块,传感器模块包括空气温湿度传感器DHT22,光照强度传感器GY-30,土壤水分含量传感器TDR-3以及一些外围电路,精确采集荔枝园温度、湿度、光照度和土壤含水率等多项环境信息,通过无线传感器网络、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)和互联网进行数据的传输,保证了传输的实时性和远程性,实现了对荔枝园环境的实时监控;同时,远程服务器和网站上都对荔枝园的土壤含水率的阈值进行了设定,当土壤含水率的值超过了阈值,服务器或者网站就会自动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制,实现双向控制。分析、测试了系统的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的双向有效通信距离达1 205 m,在荔枝园中双向有效通信距离达81.5 m。在传感器节点系统工作周期为30 min情况下,根据试验结果估算出,两节额定容量为3 000 m A·h的3.7 V锂电池串联可使传感器节点持续工作时间最大为500 d,可使电磁阀控制节点工作5 a以上。试验结果表明,该系统运行稳定,网络平均丢包率为3.87%,能够准确监测荔枝园信息采集和控制电磁阀工作,实现和控制荔枝园智能节水灌溉双向通信。     

热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率

为解决光伏电池板接收太阳辐射发电时板面温度上升导致光电转换效率下降的问题,该文通过温差发电技术对光伏电池板进行主动冷却;同时为解决温差发电技术因温差较小时热电转换效率低下的问题,引入热开关对装置进行控制,并采用扁平热管作为传热单元,利用水对流为系统进行冷却。为测试基于热开关的光伏/温差联合发电装置的性能,分析了不同光辐射强度、不同板面温度、以及不同冷端温度对系统的影响,并搭建试验平台,对联合发电装置进行试验研究。结果表明,装置联合发电效率高于单独一种发电方式的效率,实现了能量的梯级利用。在对装置进行瞬时性能测试期间,发电效率最高达到19.45%,发电功率最大达到32.15 W。在6 d全天性能测试期间,联合发电装置的平均发电效率为17.72%,最高可达18.37%。所获电能基本可以满足农业温室大棚检测系统、远程传感器的供电要求。     

基于太阳能的无线土壤水分传感器的研制

为实现土壤水分的自动检测与无线传输,采用电场法检测土壤质量含水率,利用Zigbee技术构建无线传感网络实现数据传送。利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中,实现对系统供电。通过合理的充放电管理,能有效地延长锂电池寿命。试验结果表明,该传感器能够实现0～30%间的土壤质量含水率的测量,相对误差小于10%。利用Zigbee模块及MiWi(TM)协议栈构建星形网络能实现数据无线传输。当节点发射功率为1 mW时,在无阻挡条件下可靠传输距离为30 m,在有农作物遮挡时,可靠传输距离为10 m左右。在1 h采集发送     

基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制

微灌系统入口水压的稳定性影响着微灌的均匀性以及自动混肥装置的混肥精度。为采用自流滴灌的中小规模灌溉管网提供恒定的入口水压,采用太阳能供电驱动隔膜泵DP-60提水的方式,研制了一个恒压供水自动控制装置。该装置利用液位传感器YZ-YO-LAG1在线检测建设于高处的蓄水池的水位,根据水位信息控制DP-60提水至蓄水中,并使其水位在滴灌过程中维持于某一固定高度来实现恒压供水。蓄水池的水位检测信息及DP-60的启停通过无线通信模块CC1100进行无线传输和控制。通过光伏容量设计,确定了太阳能电池板的功率为60W、蓄电池的容量为60A·h。为最大程度利用太阳能,通过试验标定了太阳能板输出功率与太阳辐射传感器TSL230输出频率的关系,并根据太阳能板实际输出功率和蓄电池荷电状态,自动选择直接以太阳能板或蓄电池为DP-60供电。在测试DP-60性能以及无线通信可靠性的基础上,对装置进行了6个多月的实际应用试验,装置运行稳定,且在整个滴灌过程中蓄水池的水位误差小于1cm。     

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。     

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。     

兰花大棚内无线传感器网络433MHz信道传播特性试验

不同的应用环境对无线传感器网络的性能有一定的影响。该文针对兰花大棚环境中无线传感器网络节点部署的要求及其应用环境的特性,以433 MHz为载波频率,研究了无线射频信号的传播特性和无线信号与影响因素之间的关系,影响因素包括发射功率、数据包长度、距离、发射端位置等参数,获得了接收信号强度、丢包率等数据,并进行了统计分析。试验结果表明,该无线传感器网络信号的衰减符合对数模型,其决定系数R2最大为0.9246,最小为0.8753;发射功率为0和-5 dBm时,信号较强、通信成功率较高;发射功率处在0和-20 dBm时接收信号强度波动较大;在数据传输速率为1.2 kbps、和调制扩频为高斯频移键控方式等参数确定的情况下数据包的长度对丢包率的影响很小。在上述试验研究的基础上,建立了发射功率和接收信号强度之间的关系模型,模型参数与发射功率之间、传播环境因子n与发射功率之间成二次多项式关系,相关系数分别达到0.9967和0.8686;验证试验结果表明：该模型可以较好地预测不同发射功率不同通信距离的接收信号强度,为兰花大棚无线传感器网络的组建提供支持。此外,设计了接收信号强度三维曲面图和等高曲线图,可直观反映兰花大棚环境下无线信号的传播特性,为今后无线节点布置与组网提供依据。     

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。     

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。     

碟式太阳能自动跟踪系统传动机构的误差分析

虽然碟式太阳能集热发电的效率高、开发潜力巨大,但是需要实时对太阳的位置进行精确跟踪。为了提高碟式太阳能自动跟踪系统的精度,该文设计了一种碟式太阳能自动跟踪系统的工作原理图和传动机构,并使用ADAMS软件对其进行了物理仿真,仿真主要基于传动机构运动学特性,包括跟踪角度及主驱动件的角速度、角加速度等方面。分析结果显示传动机构运动学误差约为0.02°,与目前整机系统最小误差±0.20o的标准相比,仅为其误差量的10%。同时,对碟式太阳能自动跟踪系统的误差进行了分析,该研究为提高碟式太阳能自动跟踪系统精度提供了一定的理论依据。     

日光温室内光照特点及其变化规律研究

对日光温室内的光照时间、太阳总辐射量、太阳辐射透过率的季节变化和日变化，光照度的空间分布规律进行了较为系统的研究；并对各季节不同天气条件下日光温室内外太阳辐射的关系，日光温室内太阳总辐射量与时间的关系进行了回归相关分析，建立了相应的回归方程。利用该组方程可以对各季节不同天气条件下、不同时间日光温室内的太阳辐射量进行估算分析。