李建輝，廖桂平，王訪

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)信息研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

近年來(lái)油菜單產(chǎn)雖然逐年提高，但總產(chǎn)量增加緩慢，除種植面積減少外，與油菜種植的設(shè)施化水平較低有關(guān)，其中油菜產(chǎn)地信息化裝備與應(yīng)用程度不足是重要原因。油菜從播種到成熟，要經(jīng)歷發(fā)芽出苗期、苗期、蕾薹期、開花期和角果成熟期等 5個(gè)時(shí)期。油菜在各個(gè)時(shí)期的生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境條件有不同的要求。油菜的栽培需根據(jù)這些規(guī)律和要求，采取恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)技術(shù)措施，充分發(fā)揮其增產(chǎn)潛力。各種環(huán)境因素中，溫度、光照、水分和以氮含量為主的肥料濃度等，對(duì)油菜的生長(zhǎng)最具影響力[1]。對(duì)于油菜生長(zhǎng)環(huán)境信息的采集，傳統(tǒng)手段包括采用微型氣象站自動(dòng)記錄和人工投放數(shù)據(jù)采集器等，如湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的國(guó)家糧食豐產(chǎn)科技工程油菜專項(xiàng)課題組已經(jīng)在長(zhǎng)沙科研與示范基地建立了微氣象觀察站。這些設(shè)置于田間的微氣象觀察站可提供溫度、風(fēng)向和相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。另外，部分試驗(yàn)基地將便攜式溫濕度記錄儀直接放入油菜冠層不同部位進(jìn)行測(cè)定，設(shè)定每10 min記錄1次，收獲時(shí)取回，導(dǎo)出數(shù)據(jù)用于計(jì)算溫度、濕度的均值、最高和最低值、晝夜差、冠層內(nèi)外差等[2]。這些方法應(yīng)用廣泛，但共同的不足之處在于，采購(gòu)成本較為昂貴，實(shí)施和部署的勞動(dòng)強(qiáng)度大，精度較低，實(shí)時(shí)性差，數(shù)據(jù)后期統(tǒng)計(jì)和處理不方便，對(duì)于精準(zhǔn)建立油菜生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)模型作用較小。近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）以其廉價(jià)、易于實(shí)現(xiàn)和部署等優(yōu)良特性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中被迅速推廣和應(yīng)用。最早基于WSN的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以追溯到20世紀(jì)初美國(guó)俄勒崗州的葡萄園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]。該項(xiàng)目由Intel公司實(shí)施商用部署，通過(guò)放置大量的傳感器，對(duì)影響葡萄品質(zhì)的環(huán)境溫度、光照和土壤水分等數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期和頻繁（每min 1次）的采集，用以建立環(huán)境因素和葡萄生長(zhǎng)品質(zhì)之間的定量關(guān)系。2007年，馮友兵等[4]為解決農(nóng)田灌區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)獲取困難的問(wèn)題，提出并實(shí)現(xiàn)了1套基于WSN的灌區(qū)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集系統(tǒng)。2009年以后，涌現(xiàn)了大量以紫蜂（Zigbee）技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。韓華峰等[5]提出了以紫蜂協(xié)議構(gòu)建WSN，對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集，并利用公用分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。2010年, 孫玉文等[6]開發(fā)了農(nóng)作物決策管理平臺(tái)，利用紫蜂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大田溫度、光照和濕度等信息的監(jiān)測(cè)。J. Hwang等[7]研制了基于WSN的紅椒生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于WSN的溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集和溫室環(huán)境數(shù)據(jù)智能調(diào)節(jié)的功能，能夠創(chuàng)造紅椒生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目標(biāo)。目前，WSN領(lǐng)域成熟的紫蜂商用產(chǎn)品，基本都采用TI（德州儀器）和Microchip的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品性能優(yōu)良，市場(chǎng)占有率極高，Microchip還是全球第一個(gè)推出基于 IEEE802.15.4協(xié)議產(chǎn)品的公司。采用紫蜂實(shí)現(xiàn)WSN的主要問(wèn)題在于，TI公司以庫(kù)文件打包的形式提供IEEE802.15.4的協(xié)議棧，這意味著除TI以外的產(chǎn)品，都不會(huì)獲得更好的支持，Microchip公司雖然開放了協(xié)議棧的源代碼，但是分層組網(wǎng)的效率并不理想。另外，基于紫蜂技術(shù)的產(chǎn)品在組建WSN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，造價(jià)將超過(guò)nRF24L01的數(shù)倍。為此，筆者提出利用廉價(jià)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)建 WSN數(shù)據(jù)傳輸通道，同時(shí)采用提出的新型能量感知路由協(xié)議組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)油菜生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的采集，從而有效提高油菜生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、光照和濕度等數(shù)據(jù)的采集效率，克服傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)測(cè)量方法、小型氣象站以及上述商用 WSN產(chǎn)品帶來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)、成本昂貴等缺點(diǎn)，為合理調(diào)控油菜生長(zhǎng)提供參考依據(jù)。通過(guò)后期的仿真測(cè)試和大田部署試驗(yàn)，證明了本系統(tǒng)的可行性與可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)自組織的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心組成。傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在油菜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，具備感知油菜生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照度等多種物理量的能力。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)提出的能量感知路由協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，自組織獲得最佳傳輸路徑，將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心由上位PC機(jī)、接收模塊、串行通訊模塊和上位機(jī)軟件等組成。

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要包括單片機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、串口通信模塊和無(wú)線傳輸模塊等幾部分。各傳感系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)可通過(guò) 1602液晶屏實(shí)時(shí)顯示，從節(jié)能的角度考慮，液晶屏在實(shí)際應(yīng)用中可以省略，同時(shí)，通過(guò)射頻模塊和串口通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。采用Atmel公司生產(chǎn)的 AT89C51單片機(jī)，分別以DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器、DHT11作為數(shù)字濕度傳感器、BH1750FVI作為光照度傳感器及采用nRF24L01+1作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成整體系統(tǒng)。系統(tǒng)電路原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路Fig. 1 System circuit schematic

系統(tǒng)選用的 DS18B20數(shù)字傳感器，具有可編程的“一線式”高精度數(shù)字測(cè)溫功能[8]。由于DS18B20傳感器只有1條數(shù)據(jù)線，通信期間引腳少，因此不存在引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題，同時(shí)，DS18B20直接生成并傳輸數(shù)字信號(hào)，毋需像傳統(tǒng)的模擬測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行繁瑣的數(shù)模轉(zhuǎn)換工作，解決了信號(hào)放大電路產(chǎn)生的“零點(diǎn)漂移”誤差等問(wèn)題，有效提高了惡劣電磁環(huán)境下抗外部干擾的能力，使得最終獲取的溫度數(shù)據(jù)有較高的數(shù)值精度。

DHT11與單片機(jī) P2.3口連接，進(jìn)行濕度數(shù)據(jù)的通信。它含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出和“一線式”串行數(shù)據(jù)傳輸功能，在出廠前進(jìn)行了精確的濕度校驗(yàn)校準(zhǔn)[9]。

BH1750FVI光強(qiáng)傳感器是近年來(lái)出現(xiàn)的新型數(shù)字光照度傳感器，采集光強(qiáng)速度較快，受紅外影響小，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，光強(qiáng)測(cè)試范圍為1～65 535 lx，可滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境的測(cè)量要求。BH1750FVI與單片機(jī)之間的通訊協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議[10]，連接線路較簡(jiǎn)潔。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部件是 nRF24L01，利用其頻分復(fù)用功能實(shí)現(xiàn)多路無(wú)線通信功能[11]。發(fā)射端使用初始指定的地址作為本機(jī)地址，接收端對(duì)不同的通道進(jìn)行地址配置，在實(shí)際配置的過(guò)程中，通道 P0 與P1最高4個(gè)字節(jié)的地址不能夠相同，否則，雖然不影響數(shù)據(jù)收發(fā)，但接收端會(huì)認(rèn)為所有數(shù)據(jù)都來(lái)源于P0通道。下面給出地址配置的部分源代碼，接收端通過(guò)讀取STATUS中相關(guān)的位即可獲得數(shù)據(jù)的來(lái)源通道。

uchar const TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH] ={0x2C,0x2C,0x2C,0x2C,0x2C}；//本地地址，實(shí)際地址為：2C2C2C2C2C2C。

uchar const RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH] ={0x37,0x43,0x10,0x10,0xFF}；//接收地址 P0，實(shí)際地址為：FF10104337。

uchar const RX1_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH] = {0x35,0x43,0x10,0x10,0x03}; //接收地址 P1，實(shí)際地址為：0310104335。

uchar const RX2_ADDRESS[1]= {0x36}；//接收地址 P2 只寫入最低位，其余高位與P1 相同，以下類似，實(shí)際地址為：0310104336。

uchar const RX3_ADDRESS[1]= {0x34}；//接收地址 P3，實(shí)際地址為：03101034。

uchar const RX4_ADDRESS[1]= {0x38}；//接收地址 P4，實(shí)際地址為：03101038。

uchar const RX5_ADDRESS[1]= {0x39}；//接收地址 P5，實(shí)際地址為：03101039。

為了與上位PC機(jī)取得同步，傳感器節(jié)點(diǎn)的串行通信采用定時(shí)器1τ作為波特率發(fā)生器，并且采用查詢方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，傳送的數(shù)據(jù)格式包含8位數(shù)據(jù)位和 1位停止位。串行通信速率為 14 400 bps，晶振頻率設(shè)置為11.059 2 MHz，定時(shí)器配置成工作模式2，串行口設(shè)置為工作方式1，SMOD=0。上位機(jī)與下位機(jī)串行口之間由于工作電平不一致，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用 MAX232芯片將單片機(jī)TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。

1.3 WSN路由協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)跨層設(shè)計(jì)方法，提出了1種分層的輕量級(jí)能量感知路由協(xié)議（CLFP）。

一般認(rèn)為，無(wú)線傳感器的能量消耗發(fā)生在射頻發(fā)射、接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)等幾個(gè)階段。為方便描述，采用第1序列無(wú)線電模型來(lái)描述能量的消耗，如圖2所示。

圖2 第1序列無(wú)線電模型Fig. 2 First order radio model

在這個(gè)模型中，ERx表示接收l(shuí)bits報(bào)文時(shí)需要消耗的能量，ETx（l, d）表示發(fā)送lbits報(bào)文時(shí)需要消耗的能量。與發(fā)射所消耗的能量ETx相比，接收等量比特報(bào)文所消耗的能量ERx可以忽略不計(jì)。為了簡(jiǎn)化協(xié)議的設(shè)計(jì)，假定WSN的能量消耗僅與射頻發(fā)射有關(guān)，本路由協(xié)議通過(guò)減少射頻發(fā)射的次數(shù)來(lái)尋找最小能量消耗路徑，并且在數(shù)據(jù)處理上進(jìn)行了分層的融合，以便進(jìn)一步降低能量的消耗，以期最大程度延長(zhǎng)WSN的生命周期。

路由協(xié)議按3個(gè)階段運(yùn)行。第1階段，分簇。按照經(jīng)典的LEACH協(xié)議[12]進(jìn)行。Leach算法可自適應(yīng)地建立起節(jié)點(diǎn)分簇（Cluster）后的拓?fù)鋱D。算法通過(guò)循環(huán)執(zhí)行選舉簇頭，直到分簇和數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定后結(jié)束。所有本輪當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)通過(guò)CSMA物理信道訪問(wèn)方法對(duì)全體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播。一旦簇頭節(jié)點(diǎn)確定后，其余節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)本次收到的廣播信號(hào)強(qiáng)度來(lái)決定歸屬相應(yīng)的簇，并向這個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)報(bào)告加入的信息。分簇穩(wěn)定后，簇頭節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建 TDMA調(diào)度任務(wù)，并通知簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。本階段完成后，WSN將被分成多個(gè)簇。

第2階段，裁剪有向圖。協(xié)議將第1階段所形成的簇頭節(jié)點(diǎn)集合視為1個(gè)有向圖G（v, e），路由協(xié)議的最終目標(biāo)就是在這個(gè)有向圖G中找到最佳傳輸路徑。這個(gè)階段將對(duì)有向圖G（v, e）進(jìn)行反復(fù)裁剪——從圖G中刪除邊edge（i, j），Ecu≤ETX（l, di,j），即節(jié)點(diǎn)i或j當(dāng)前剩余能量不足于完成發(fā)射lbits的能量，于是，新的有向圖G’（v, e’）形成。通過(guò)Dijkstra’s算法，可以得到最小能量消耗路徑ω——如果ω存在[13]。繼續(xù)裁剪G’，假設(shè)Emin是G’最小能量，Ecu是G’中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量。類似上述步驟，通過(guò)刪除G’所有的邊edge（i, j），這些邊具有Ecu – ETX（l, di,j）≤Emin特征，此輪刪除完成后，新的有向圖.G”（v, e”）生成。如此循環(huán)，裁剪掉的邊也許還有足夠的能量，但是這種裁剪將有益于所有的節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)中具有均衡的能量。

第3階段，尋找最優(yōu)路徑。最優(yōu)路徑必須保證不使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)“熱點(diǎn)”?！盁狳c(diǎn)”一旦出現(xiàn)，將會(huì)使某些節(jié)點(diǎn)的能量很快消耗殆盡，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命，因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i剩余的能量變小時(shí)，edge（i,j）應(yīng)該分配更大的權(quán)重，權(quán)重值COSTij按公式（1）計(jì)算。

式中：系數(shù)λ是1個(gè)非負(fù)的常量，充當(dāng)了算法的調(diào)節(jié)參數(shù)。這意味可以通過(guò)調(diào)節(jié)λ的值使算法適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，因子σ（i）被定義在公式（2）中。通過(guò)使用σ（i），路徑將拒絕那些自身能量比Emin低的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)。

顯然，問(wèn)題可以歸結(jié)為一個(gè)線性規(guī)劃問(wèn)題[14]，能量最佳路徑等價(jià)于式（3）的線性規(guī)劃問(wèn)題。

進(jìn)一步建模，將上述問(wèn)題表達(dá)為多目標(biāo)模糊線性規(guī)劃問(wèn)題。

（4）式中，y=∑COSTij。下面的步驟，需要列出各目標(biāo)的約束方程。采用對(duì)偶單純方法求解，設(shè)ROW表示系數(shù)矩陣A的行，COL表示系數(shù)矩陣A的列，TARG是目標(biāo)數(shù)量，ej是目標(biāo)j可接受的偏差值，j{∈ 1, 2,…,TRAG}，di是目標(biāo)i可接受的偏差值，i{∈ 1, 2,…,ROW}，Cji是目標(biāo)j通過(guò)L個(gè)變量的權(quán)重系數(shù)，j{∈ 1, 2,…,TRAG}，l{∈ 1, 2,…,ROW}，gj是目標(biāo)j的期望值，aij是矩陣A的元素，bi是第i個(gè)約束邊界，i{∈ 1, 2,…,ROW}。對(duì)系數(shù)矩陣A進(jìn)行定義。

需要指出的是，在（5）式中，M=ROW+TRAG，N=COL+1+M，C=（a01,…,a0,N–M）是目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重向量，BT=（a10,…,aM0）是約束向量。至此，原問(wèn)題的各級(jí)目標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了式（5）的約束方程。上述步驟循環(huán)運(yùn)行后，將得到數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路由路徑集β= ｛edge（chs,chr1）,… ,edge（chrn,chd）｝，其中chs是信源簇頭節(jié)點(diǎn)，chd是目標(biāo)簇頭節(jié)點(diǎn)，chri（i∈e）是中間路徑的簇頭節(jié)點(diǎn)。

路由協(xié)議CLFP開發(fā)環(huán)境為Keil uVision3，單片機(jī)代碼均采用C語(yǔ)言編寫，利用STC_ISP進(jìn)行代碼燒錄。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)作為WSN的數(shù)據(jù)中心，主要負(fù)責(zé)接收傳感器已交付的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、顯示以及發(fā)送下位機(jī)控制命令等操作。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，選擇DELPHI和MySQL作為軟件開發(fā)平臺(tái)，利用MSComm32控件實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)簡(jiǎn)單高效的串行通信，可以對(duì)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析加工，生成各類直觀的報(bào)表，同時(shí)在屏幕上以實(shí)時(shí)曲線圖進(jìn)行顯示，還可以設(shè)置感知數(shù)據(jù)的報(bào)警閾值等功能。已實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：①通過(guò)主界面以實(shí)時(shí)曲線的方式顯示各傳感器獲取的溫、光、濕度數(shù)值；②比較檢測(cè)到的溫、光、濕度值和報(bào)警值，發(fā)現(xiàn)超限立即通過(guò)郵件或手機(jī)短信報(bào)警；③所有數(shù)據(jù)均可以自定義篩選查找、導(dǎo)出或打??；④所有采集的數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便二次加工或建模。軟件界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件的主界面Fig. 3 The main interface of upper computer software

3 仿真和試驗(yàn)

3.1 WSN生命周期仿真

對(duì)提出的CLFP算法進(jìn)行評(píng)估和仿真。WSN仿真平臺(tái)采用NS2[15]，隨機(jī)布置100 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)位于（20,95）。通過(guò)Nodes、Links、Agents和 Applications 來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Nodes即傳感器節(jié)點(diǎn)，Links代表數(shù)據(jù)集線器，Agent是各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的載體，Applications用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用函數(shù)。筆者在NS2中增加了MAC協(xié)議和信道傳播Channel，用于仿真WSN。在仿真實(shí)現(xiàn)上，采用tcl語(yǔ)言編寫Applications類的頭文件，其他函數(shù)則用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

算法仿真試驗(yàn)用于對(duì)比CLFP和LEACH在同樣條件下，所支持的WSN運(yùn)行的生命周期時(shí)間，主要以網(wǎng)絡(luò)存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、有效包交付數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)正常工作周期為參量進(jìn)行對(duì)比。初始參數(shù)設(shè)置如表1所示。天線離地高度取中值1 m。

表1 仿真參數(shù)Table 1 The characterization of WSN simulation

圖4–a和圖4–b表示W(wǎng)SN運(yùn)行1輪仿真后，CLFP和LEACH算法各自存活的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)比。隨著WSN運(yùn)行時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)將會(huì)不斷減少，WSN生命周期與網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈正比例關(guān)系，所以在同一時(shí)刻，存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量的多少可以作為衡量本算法的WSN生命周期的重要指標(biāo)。在分簇的WSN中，靠近SINK的內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)能量損耗的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于位置較遠(yuǎn)處的外層網(wǎng)絡(luò)，易形成“熱點(diǎn)”[16]。從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的路由算法CLFP存活的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量明顯超過(guò)LEACH，而且分布較為合理。LEACH由于采用靜態(tài)的分簇，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了較多的“熱點(diǎn)”分布，“熱點(diǎn)”的出現(xiàn)加速了節(jié)點(diǎn)的死亡速度，從而引起網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短。

圖4–c和圖4–d顯示，無(wú)論是第1個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)刻還是全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)刻，運(yùn)行CLFP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)都比LEACH協(xié)議具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間較長(zhǎng)，并且相同時(shí)間下CLFP協(xié)議發(fā)送到SINK的有效數(shù)據(jù)包比LEACH也要多。綜合圖4的仿真結(jié)果，CLFP算法更好地利用了能量，能夠更加有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

圖4 2種算法仿真運(yùn)算后的結(jié)果Fig. 4 The simulation results of LEACH and CLFP

3.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

為了獲取節(jié)點(diǎn)的實(shí)際功耗，采用Tektronix公司TDS5000數(shù)字存儲(chǔ)示波器和TDSPWR2分析軟件進(jìn)行測(cè)量。參照Tektronix的指導(dǎo)手冊(cè)可知，正確選擇串接采樣電阻是準(zhǔn)確獲得測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)際的試驗(yàn)環(huán)境配置中，選擇的是1 Ω高精度電阻，接入采樣電阻后引起的壓降可忽略不計(jì)。

測(cè)試得到通過(guò)串接采樣電阻的總電流，與給定的工作電壓相乘，獲得實(shí)際的總功耗數(shù)值。圖 5–a是數(shù)字顯波器和分析軟件輸出的采樣電阻上的電壓波形圖，TX脈沖幅度值轉(zhuǎn)換后約為13 mA。為計(jì)算總功耗，需要繼續(xù)測(cè)試，直到將節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程中各階段的電流值全部測(cè)出。測(cè)量的結(jié)果分別是：Frame組裝階段電流為1 mA，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)280 μs，TX準(zhǔn)備階段為8 mA和280 μs；TX完成階段為13 mA和100 μs。

參照用戶手冊(cè)提供的計(jì)算方法，可以獲得節(jié)點(diǎn)的功耗值為50 mW。

圖5 功耗測(cè)試及通信仿真運(yùn)算后的結(jié)果Fig.5 The results of power consumption test for wireless sensor node and communication simulation

若以標(biāo)稱電壓為3.6 V、 標(biāo)稱容量為2 200 mA的電池供電，理論上計(jì)算節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間約為367 d，實(shí)際測(cè)試時(shí)間為 142 d。為了解釋這種差異產(chǎn)生的原因，在Matlab中進(jìn)行仿真，并引入路徑損耗對(duì)數(shù)距離模型（d）：

式中：d0為參考距離，對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境，d0值各不相同。路徑損耗指數(shù)n由無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境決定，取值范圍是[2,6]，當(dāng)信道傳播環(huán)境惡化時(shí)，n取值增大。對(duì)功率延遲、信道沖激響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，圖5–a和圖5–b顯示，在極端非可視距離的通信環(huán)境下，信號(hào)傳播反射、散射和衍射現(xiàn)象較嚴(yán)重，各簇到達(dá)的時(shí)間不斷重疊，致使同一時(shí)間的接收功率疊加，射頻信號(hào)穿越障礙物時(shí)損失的能量較多，節(jié)點(diǎn)必須增加功率以保證接收端的RSSI質(zhì)量，因此，造成了電池實(shí)際使用壽命與理論分析之間的差異。

3.3 大田部署試驗(yàn)

試驗(yàn)田主要種植甘藍(lán)型油菜，植株平均高度約為180 cm，冠層直徑為60～120 cm。試驗(yàn)中引入傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)“五點(diǎn)”采樣法，取樣點(diǎn)基本等距分布。匯聚節(jié)點(diǎn)靠近農(nóng)田邊緣，與上位機(jī)距離較近。最遠(yuǎn)處傳感器測(cè)試點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)約為（120±5） m，最近節(jié)點(diǎn)約（25±5） m，試驗(yàn)中傳感器節(jié)點(diǎn)位置、植被深度和植株密度，對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)都有一定的衰減影響，因此，略為提升供電電壓，以加大發(fā)射功率，傳感器采用2節(jié)3.2 V磷酸鐵鋰電池穩(wěn)壓后供電。共用25個(gè)傳感器，每個(gè)取樣點(diǎn)部署5個(gè)傳感器，以2 m高的油菜為例，將植株按高度分層，按照表2分層測(cè)試各種現(xiàn)場(chǎng)信息。

表2 傳感器分層測(cè)試和部署Table 2 Sensor placement in a hierarchical setting

采用對(duì)比方法，將本系統(tǒng)傳感器獲取的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的農(nóng)學(xué)測(cè)試手段包括水銀溫度計(jì)、指針式相對(duì)濕度計(jì)和 TES1335數(shù)字式光照度計(jì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。表3為以采集到的數(shù)據(jù)中連續(xù)2 h的數(shù)據(jù)量進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)獲取的頻率是每30 min 1次。

表3 2種采集方法得到的溫光濕數(shù)據(jù)Table 3 Data comparison

從表3可以看出，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)測(cè)量手段相比較，獲取數(shù)據(jù)的數(shù)值接近，但前者精度更高，測(cè)量范圍更廣。通過(guò)7 d不間斷測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，使用方便，極大地降低了獲取數(shù)據(jù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且為二次開發(fā)積累了豐富的一手?jǐn)?shù)據(jù)。

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英文編輯：張 健