（农业电气化与自动化专业论文）wsn土壤湿度采集节点电压补偿方法研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 准确、及时地掌握农嘲一卜壤水分含量信息，提高灌溉用水效率，对农业生产 和经济发腱意义十分重人。将无线传感器网络( w s n ) 技术应用于农r f l 土壤水 分检测j ：，制定合理的节水灌溉方案，受到越来越多的研究人员的重视。 依据农业i l - i _ 的特点，本文采用低电压、低功耗的e c 5 七壤湿度传感器和 c c 2 4 3 0 片上系统，设计了适合于农 l 土壤湿度信息采集的w s n 节点。针对节 点传感器检测误差的来源，重点分析了节点电挫对e c 一5 传感器检测结果的影响， 从硬件和软件两个方面研究电膻补偿的方法。如果采用硬件稳压措施，虽然节点 成本增加有限，但是稳压电路的额外能耗会大幅增加节点的能耗，缩短节点电池 使用寿命，不符合w s n 没计要求。由于神经网络具有很强的逼近任意连续非线 性函数的能力，能够对节点中非线性传感器系统进行逆向建模，且考虑到w s n 节点硬件资源有限、计算能力差，本文利用神经网络的基本理论，提出一种不需 要增加通信代价和传感器节点能耗的有效电压补偿方法，在上位机上将采集到的 土壤湿度和节点电压数据经过预处理后作为神经网络的训练样本，构建节点电压 补偿模型。 通过组建星型结构的w s n 节点电压补偿实验平台进行实验，理论分析和实 验结果表明，该补偿方法可有效地消除节点电压变化对采集到的土壤湿度信息的 影响。当节点电压从3 2 v 下降到2 1 v 时，补偿后士壤湿度信息误差减少到1 v 0 1 以内。 关键词：无线传感器网络；土壤湿度传感器；神经网络；电压补偿 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e t e c t i n gt h es o i lw a t e rc o n t e n ti n f o r m a t i o no ff a r m l a n da c c u r a t e l ya n dt i m e l yt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fi r r i g a t i o ni sv e r ys i g n i f i c a n tt oa g r i c u l t u r ep r o d u c t i o na n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t e s t a b l i s h i n gr e a s o n a b l ew a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o ns c h e m eb ya p p l y i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) t e c h n o l o g yt o t e s t s o i lw a t e rc o n t e n th a v eb e e ng o ta t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r e r e s e a r c h e r s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fa g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n ，c c 2 4 3 0a n de c 5 s o i lm o i s t u r e s e n s o rw i t hl o w v o l t a g ea n dl o w - p o w e ra r eu s e d ，a n dw s nn o d e sw h i c ha r es u i t a b l ef o rc o l l e c t i n g s o i lm o i s t u r ei n f o r m a t i o na l ed e s i g n e di nt h i sp a p e rv o l t a g ec o m p e n s a t i o nm o h o dw a sr e s e a r c h e d f r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea f t e ra n a l y z i n gt h es o u r c eo fd e t e c t i o ne r r o r , e s p e c i a l l yt h ei n f l u e n c e o fe c 一5s e n s o r so u t p u tc a u s e db yn o d ev o l t a g ev a r i e t y i fh a r d w a r em e t h o do fv o l t a g es t a b i l i z e r w a su s e d ，t h en o d ec o s ti n c r e a s e sl i m i t e d l y , b u tt h ea d d i t i o n a le n e r g yc o n s u m p t i o ni n t r o d u c e db y v o l t a g es t a b i l i z i n gc i r c u i tw i l lg r e a t l yi n c r e a s et h e s e n s o rn o d e se n e r g yc o n s u m p t i o n ，r e d u c et h e l i f eo fn o d eb a k e r y , t h i sd o e s n tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fw s n t h en e u r a ln e t w o r kh a sa s t r o n ga b i l i t yt oa p p r o x i m a t ea n yc o n t i n u o u sn o n l i n e a rf u n c t i o n ，a n di tc a np e r f o r mt h ei n v e r s e m o d e l i n go fn o n l i n e a rs e n s o rs y s t e m c o n s i d e r i n gt h el i m i t e dr e s o u r c e sa n dw e a kc o m p u t i n g a b i l i t yo fw s nn o d e s ，a ne f f e c t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h eb a s i c t h e o r yo fn e u r a ln e t w o r k ，i te s t a b l i s h e st h ev o l t a g ec o m p e n s a t i o nm o d e lo fw s nn o d ea f t e rt h e d a t ao fs o i lm o i s t u r ea n dn o d ev o l t a g ei sp r e t r e a t e da st h et r a i n i n gs a m p l eo fn e u r a ln e t w o r k t h i s m e t h o dd o e sn o tn e e dm o r ec o m m u n i c a t i o nc o s t sa n de n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn o d e e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt h r o u g ht h ev o l t a g ec o m p e n s a t i o np l a t f o r mw h i c hi sb u i l to r d e r i n g s t a rt o p o l o g y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a l l e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n f l u e n c ec a u s e db yn o d ev o l t a g ev a r i a t i o n a f t e rc o m p e n s a t i o n ，t h e d e t e c t i o ne r r o ro fs o i lm o i s t u r er e d u c e st ol e s st h a n1v o i w h e nt h en o d ev o l t a g ed e s c e n d sf r o m 3 2 v t o2 1 v k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；s o i lm o i s t u r e s e n s o r ；n e u r a ln e t w o r k ；v o l t a g e c o m p e n s a t i o n l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复e p t t ：和电子版，允许论文被查阅和借 阋。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权节。 本学位论文属于 不保密囹 学位论文作者签名：余功；工 矽产年月陟几 指虢缅褂古 硼| 3 年1 目伟 独创性声明 本人郑：重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：余功江 矽产年c 月l 明 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 中图是一个农业大罔，同时又是一个水资源比较贫乏的国家，中国人口占世 界的2 2 ，而淡水资源只占世界总量的8 ，人均水资源占有量仅2 3 0 0 m 3 年，只 柏当于1 廿界人均的1 4 ，足世界上人均占有水资源最贫乏的1 3 个国家之一i 。 我国地理情况复杂，南北纬度差大，地区气候差异明显，而我国的农业生产 属于气候型农业，尘产模式落后，农业灌溉占据着大量的水资源，其用水量约占 全囡总用水量的7 0 。而且我罔水资源时空分布不均，与国民经济发展的布局严 重错位。地处长江淮河一线以北的广大地区总面积占全国土地面积的6 5 ，人口 占4 0 ，集中了我罔的重要能源、化工等基地和全国5 1 的耕地，但水资源总 量只占全国的2 0 ，许多地区人均水资源已大大低于1 7 0 0m 3 的缺水警戒线，区 域惟缺水更为严重。我国农业用水一方面存在水资源短缺问题，另一方面则是浪 费严重，平均利用率只有4 0 左右，远远低于发达国家的水平1 2 4 1 。 对于农业来说，土壤含水量是农作物发芽、生长发育的基本条件，是植物生 长状况的重要影响冈子。准确、及时测定土壤水分含量有利于研究和了解水土流 失变化规律、了解土壤水分动态变化规律和空间立体分布，也是灌溉管理调配用 水和产量预报模式中重要的参量酗i 。 在信息技术快速发展的今天，精准农业1 7 1 中的信息采集技术是不可缺少的重 要环节。将低成本、高效率、智能化没备应用于农f f l 信息采集，用信息技术来提 升改造传统农业，能够推动中国农业向实质意义上的“工厂化 方向稳步持续快 速地发展。无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术1 8 1 ，凭借其低 功耗、低成本、高可靠性等特点，已逐渐渗透到农业领域1 9 - 1 0 1 。 1 2 无线传感器网络简介 1 2 1w s n 的典型体系结构 一个典型的无线传感器网络体系结构如图1 1 所示【i 。图中大量无线传感 江苏大学硕士学位论文 器网络节点随机布设在监测区域内，节点之间通过自组织的方式快速形成一个 传感器网络。在传感器网络内部，每个传感器节点既是信息的采集者和发送者， 又是信息的路由者。传感器节点所探测到的信息( 传感数据) ，以多跳中继的方 式，将其传送给汇聚节点。传感器数据在向汇聚节点传递的过程中，可能需要 在中f u j 转发节点逐渐进行聚合或融合处理，以压缩需要传送的数据量或提高信 息的精度和可信度，或者对多个原始数据进行归纳、汇总与推理，从更高的信 息层判断出现的现象或发生的事件。 传感器节点 图1 1 典型的无线传感器网络体系结构 当传感器网络与用户网络距离较远时，为了实现他们之问的相互通信，通 常需要借助网络基础设施( 即主干网) ，如i n t e m e t 、g s m 、卫星网等进行互连。 汇聚节点充当传感器网络与主干网之间互联的桥梁。这样，当传感数据传送到 汇聚节点后，汇聚节点将传感数据经i n t e m e t 、g s m 或卫星等途径传送给用户 所在的任务管理节点。用户也可以通过任务管理节点对传感器网络进行管理和 配置、发布监测任务或者收集回传数据。 1 2 2w s n 的特征 无线传感器网络的组成节点数量巨大，而且还处在恶劣的环境中，这就使 它有着不同于普通网络的特征i l 。 ( 1 ) 节点数量大、密度高 微型化的传感器网络节点数量巨大，可能达几万、几十万，甚至更多。这 2 江苏大学硕士学位论文 样会带来一系列f u j 题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之 问如何协同工作等。 ( 2 ) 资源受限 通信能力有限：无线传感器网络通信覆盖范围只有几十到几百米，传感器 节点之间的通信断连频繁。通信容易受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以 及j x l 雨雷电等自然环境的影响，因此传感器可能会脱离网络离线工作。由于网 络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居节点直接通信。如果希望与其射 频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点转发。 能量有限：由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的能量限 制是整个传感器网络设计最关键的约束之一。传感器传输信息要比执行计算更 消耗电能，传感器接传输l b i t 信息所需要的电能足以执行3 0 0 0 条计算指令。 计算和存储能力有限：受到价格、硬件体积等的影响，节点计算和存储能 力有限，使得其不能进行复杂的计算。传统i n t e m e t 网络上成熟的协议和算法对 传感器网络而言丌销太大，难以使用，所以必须重新设计简单有效的协议及算 法。 ( 3 ) 网络拓扑动态性强 在恶劣的外界环境之中，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，传感器 节点随时可能由于各种原因发生故障而失效。而且可能会有新的传感器节点补 充进来以提高网络的质量。这些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化很快， 这对网络各种算法的设计提出了挑战。 ( 4 ) 以数据为中心 在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，不会去关心具 体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来 的。以数据为中心的特点使传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有 效地组织、融合起各个节点信息传送给用户。 ( 5 ) 安全性问题 传感器网络是一种特殊的无线自组网，其安全目标与传统网络中的安全目 标基本上是一致的。但由于不依赖固定基础设施，传感器网络体系结构的安全 性面临新的挑战。现有传感器网络协议大多不考虑安全性，极易遭受攻击。例 3 江苏大学硕士学位论文 如：内部妥协节点可以报告虚假信息，欺骗基站。外部恶意节点可以通过制造 冲突、复制延迟、改变信号强度等手段影响节点测量距离和计算中转跳数，达 到攻击网络路由、定位、同步等协议的目的。 1 2 3w s n 关键技术 无线传感器网络研究涉及到通信方式、组网结构、管理模式、分布式处理 等几个方面，具体来讲，其关键技术主要有以下几个方面i l 。 ( 1 ) 路由协议 路由选择就是在源节点和目的节点之间寻找一条传诵数据的节点集合，数 据沿这个节点集合从源节点发送到目的节点。寻找节点集合的算法称为路由选 择算法。传统的路由选择算法主要以路径最短、开销最小、延迟最小为目标， 算法一般都由专用的路由选择设备路由器来完成。对于传感器网络而言，由 于节点资源有限，节点数目庞大，节点位置没有预先设定，所以传统的路由算 法不适合无线传感器网络，需要号用的无线传感器网络路由协议来完成。 ( 2 ) m a c 协议 介质访问控制( m a c ) 协议决定无线通信频率、信道分配。在节点之间分 配信道资源，构建w s n 的底层通信结构。m a c 层决定最底层的无线通信参数， 对传感器网络的性能有很大的影响，是无线传感器网络中的关键协议之一。 ( 3 ) 拓扑控制 传感器网络的拓扑结构是决定了网络的通信方式和组织方式，如何有效地 自组织无线传感器网络，是非常关键的。保证网络中的任何一个节点都能够连 通网络，传输信息，完成设计任务，好的拓扑结构对网络组织，协议简化都有 极大帮助，根据不同应用选择合适的拓扑结构，进行控制，高效快速地建立网 络，是拓扑控制的目的。 ( 4 ) 定位技术 定位，简单地说就是确定目标传感器的位置。由于w s n 的传感器节点位 置没有预先确定，所以当传感器节点把信息传送给汇聚节点时，汇聚节点必须 确定该节点的地理位置，确定监测信息描述的是哪里的环境信息。这个过程称 为定位，采用的方法称为定位技术。 4 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 时间同步技术 无线传感器网络中的每个传感器都有独立的本地时钟，由于不同节点时钟 晶体振荡存在偏差，各个节点的时钟在运行一段时问后便会出现误差，如果这 种误差得不到校正，汇聚节点和信息中心将无法准确判断信息产生的时间，从 而造成数据混乱和无法利用。时问同步就是采用某种机制或者算法使网络中传 感器节点的时钟完全相同。 ( 7 ) 能量管理 能量管理的核心是电源管理。传感器节点是大量部署，随机散播，自带电 源，采用电池供电。要保证一定的监测区域内信息的准确传递和接收，传感器 节点的正常工作尤为重要，如何保证节点的连续工作时问和满负荷工作的数据 突发处理，能量管理，就冠得非常必要而且关键。 1 2 4 网络协议栈 无线传感器网络协议栈i 结合能量和路由寻找，运用网络协议整合数据， 通过无线方式进行有效通信，促进节点间有效的合作。图1 2 所示为无线传感 器网络协议栈的构成。 图1 2 无线传感器网络协议栈结构 ( 1 ) 应用层。应用层就是为用户能够在基础物理层、数据链路层、网络层 和传输层的基础上开发各种传感器网络应用软件提供有效的软件开发环境和软 件工具。 5 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 传输层。传输层按照传感器网络的需求产生数据流，并负责数据流的 传输控制，当传感器网络需要和i n t e m e t 或其他外部网络连接的时候，传输层就 尤其显得重要。 ( 3 ) 网络层。网络层维护传输层提供的数据流，主要关注路由技术，负责 路由生成和路由选择。 ( 4 ) 数据链路层。数据链路层考虑到网络环境存在噪音和传感器节点的移 动，主要负责数据流的多路技术、数据帧探测、介质访问和差错控制，减少临 近节点广播的冲突，保证可靠的点到点和点到多点通信。 ( 5 ) 物理层。物理层的关键技术是调制、发送和接收技术。 ( 6 ) 能量管理平台。能量管理平台对节点如何使用自身的有限能量进行管 理。 ( 7 ) 移动管理平台。移动管理平台用于发现和注册移动的传感器节点，从 而节点能够跟踪和判别它们的相邻：符点。 ( 8 ) 任务管理平台。任务管理平台为某一特殊区域的传感器节点安排任务 和时问计划。 1 2 5 网络拓扑结构 所谓网络拓扑结构，就是指网络中节点相互连接的形式。由于传感器节点 自身资源有限，因此在不同的应用环境中，必须设计与应用环境相适应的网络 拓扑结构，提高节点的工作效率，减少不必要的能量损耗，从而延长整个网络 的生命周期，提高网络的可靠性和稳定性。因此必须把选择网络拓扑结构作为 传感器网络设计过程中一个需要考虑的问题。目前，传感器网络一般采用以下 三种拓扑结构，如图1 3 所示。 ( 1 ) 星型结构 如图1 3 ( a ) 所示。网络中有两种性质的节点。处于中心位置的汇聚节点 负责与周围节点进行数据通信，对接收到的数据进行分析，融合和转发，并控 制和管理网络中的其他节点。汇聚节点以外的所有节点只能与汇聚节点进行通 信，节点之问的数据通信必须通过汇聚节点来转发。 可见，星型结构结构简单，组网容易实现，便于管理和控制，但弊端也十 6 江苏大学硕士学位论文 分明显，因为汇聚节点足全网络数据通信的中问站，一旦它的任务过于繁重或 者发生故障，会导致信息延迟堵塞，甚至是整个网络的瘫痪。此外，由于无线 通信距离的限制，网络的覆盖范围比较小，因此星型结构网络只适合小范h 哥的 应用，如智能家居。 ( 2 ) 树型结构 图1 3 ( b ) 所示。树型结构是一种层次结构，网络中的节点分为两种：父节 点与子节点。网络中的任何节点通过它的父节点把消息转发到汇聚节点，而汇 聚节点也可以利用反向路径与网络中的节点通信。这种网络结构解决了星型网 络覆盖面积小的问题，可以容纳较多的网络子节点，很适合于汇聚信息的应用 要求。但若过多地扩大网络，增加网络级连，就会导致数据发送延迟和丢包现 象出现的频率大大增加。 ( 3 ) 网状结构 如图1 3 ( c ) 所示。网状结构与a dh o c 网络耷h 似。在网状结构网络中，节点 之问的地位都是相同的。处于通信范围内的节点之问可以一跳直接通信，而处 于通信范围外的节点就得依靠中间的节点充当路由进行转发。网络中的任何节 点均需要维护路由表，进行较复杂的路由发现算法。由于覆盖范围内的所有节 点都建立了联系，当某些节点失效后，虽然部分链路断丌，但仍然可以通过其 他节点进行转发。可见，这种网络结构组网灵活，覆盖范围较大，网络比较健 壮，可靠性也比较高。但是，由于传感器节点硬件资源有限，路由表存储和最 优路由计算的大量歼销，会对网络造成一定的负面影响。 ( a ) 星型结构( b ) 树型结构( c ) 网状结构 图1 3w s n 网络拓扑结构 7 江苏大学硕士学位论文 1 3w s n 在土壤墒情信息采集中的应用 无线传感器网络具有的精度高、灵活性强、可靠性高、经济性好等优点， 使得其在农业领域具有非常好的应用前景。国内外许多研究人员均开展了十h 关 的研究和应用1 1 0 - 1 6 i 。 ( 1 ) 葡萄园环境监测系统应用方案 2 0 0 2 年，英特尔公司率先在俄勒冈州建立了世界上第一个无线葡萄园。研 究人员将传感器节点分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、 湿度和该区域有害物的数量，研究葡萄园气候的细微变化对葡萄酒的质量的影 响。 ( 2 ) 温室环境应用方案 北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”正式把 农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。在温室环境咀单个温室即可 成为无线传感器网络的一个测量控制区，采用不同的传感器节点构成无线网络 来测鼍土壤湿度、土壤成分、p h 值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强 度、c 0 2 浓度等，米获得农作物生长的最佳条件，为温室精准调控提供科学依 据。 ( 3 ) 精准农业监测系统 在国家发展和改革委员会的支持下，由中国科技大学牵头，与中国科学院 计算技术研究所和国家水利部淮河水资源保护局合作承担了“基于i p v 6 无线传 感网络环境监测系统 项目。该系统在位于蚌埠市的安徽省农业科技示范园区 获得初步应用。2 0 多个节点被均匀地布置在面积大约为1 2 0 0 平方米的花卉大 棚内。节点类型包括土壤湿度传感器、土壤湿度传感器和光照传感器等。当系 统运行时，每个传感器节点将附近的环境信息和自身的状态信息经过自组织多 跳路由传递给基站，然后通过被地服务器上的数据获取程序将数据传输到远程 服务器上。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题所做的主要工作及论文的组织结构 1 4 1 本课题所做的主要工作 本文在查阅国内外相关文献，了解了现有传感器误差补偿方法的基础上， 提出通过软件补偿的方法，探索了一种运用神经网络的基本理论在上位机上实 现节点电压变化引起采集误差的补偿方法。 本文主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 依据无线传感器网络节点设计原则，采用低电压、低功耗的e c 一5 土 壤湿度传感器和c c 2 4 3 0 片上系统，设计了一种适合于农田土壤湿度信息采集 的无线传感器网络节点。 ( 2 ) 分析了节点e c 5 传感器检测误差的来源，从能耗角度出发，重点分 析了节点电压引起检测误差的补偿方法，提出采用神经网络对w s n 节点中非 线性传感器系统进行逆向建模，在上位机上实现枪测误差补偿的方法。 ( 4 ) 依据i e e e 8 0 2 1 5 4 协议框架，采用星型网络拓扑结构，构建w s n 节 点电压补偿实验平台，设计了组网通信工作程序。 ( 5 ) 利用实验平台对基于神经网络的土壤湿度采集节点电压补偿方法进行 试验，试验结果表明，该方法能有效地减少节点电池电压变化对w s n 土壤湿 度采集精度的影响。 1 4 2 论文的组织结构 全文共分五章，内容安排如下： 第一章为绪论，概要介绍了课题研究背景、无线传感器网络技术及其在土 壤墒情信息采集中的应用，讨论了将无线传感器网络技术应用于农业节水灌溉 的重要意义，同时对论文的主要工作做了总体概述。 第二章从w s n 土壤湿度采集节点设计原则出发，采用低电压、低功耗的 e c 5 土壤湿度传感器和c c 2 4 3 0 片上系统，设计了适合于农田土壤湿度信息采 集的无线传感器网络节点，并对节点电池消耗模型和节点能耗进行了分析，为 后续探索电压补偿方法和组网实验平台奠定了基础。 第三章首先分析了采集节点检测误差的来源，重点分析了节点电压对e c 5 9 江苏大学硕士学位论文 传感器检测结果的影响，从能耗角度出发，研究硬件补偿方法和软件补偿方法 的特点，提出采用神经网络对节点中非线性传感器系统进行逆向建模，在上位 机上实现检测误差补偿的方法，并研究了人工神经网络的建模方法和b p 网络 算法的实现。 第四章阐述了i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议标准，采用星型网络拓扑结构，设计 了组网通信工作程序，构建w s n 节点电压补偿实验平台。利用实验平台对基 于神经网络的土壤湿度采集节点电压补偿方法进行试验，试验结果表明，该方 法能有效地减少节点电池电压变化对w s n 土壤湿度采集精度的影响。 第五章对整个课题进行总结与展望。 l o 江苏大学硕士学位论文 第二章w s n 土壤湿度采集节点设计 2 1w s n 土壤湿度采集节点设计原则 及时、准确的获取农田土壤墒情信息，制定合理的灌溉施肥措施，对提高 农作物产量至关重要。根据农业生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时， 设计节点需要考虑以下几个方面1 1 4 - 1 6 l ： ( 1 ) 低功耗：节能是无线传感器网络设计最主要的问题之一。农业，| 产环 境比较特殊，一般不可能有公共生活用电系统供电，在该农业监控系统中采用 普通a a 电池供电，同时要求网络必须是低功耗的，保证网络的生命周期尽量 长： ( 2 ) 低成本：农业生产的收益本身就很低，要求该系统必须是低成本，不 仅要从节点硬件、软件考虑，而且传感器也必须采用价格相对低的； ( 3 ) 微型化：微型化足无线传感器网络追求的终极目标； ( 4 ) 稳定性：农业生产环境较复杂，因此，设计的节点要求各个部件都能 在给定的外部环境变化范围内正常工作，在给定的温度、湿度等外部条件f ， 传感器节点各部件能够保证正常功能，且能够工作在各自量程范围内； ( 5 ) 网关无线通信：由于农业监测区域的特殊性，不可能存在有线网络， 例如：i n t e m e t 、有线局域网等，故需要网关把采集的环境信息无线传输到服务 器，不受监测区的影响； ( 6 ) 精度：传感器决定了采集数据的精度，在农业生产环境中，对于精度 的要求不是很高，又考虑到节点传感器成本的i 廿j 题，因此传感器采集数据的精 度可以在规定范围内存在一定程度的误差，传感器可以选用价格低的型号。 2 2 土壤湿度采集节点设计 2 2 1 节点模块设计 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四 部分组成1 1 0 。，如图2 1 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转 换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据 江苏大学硕士学位论文 以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信， 交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需要的 能量，通常采用微型电池。 传感模块处理模块无线通信模块 处理器无线收 传感器 a d d c - + 存储器发器 j l ji ji ( 电池) 能量供应模块 图2 1 传感器节点模块 传感器节点、汇聚节点和监控巾心都以处理器模块和无线通信模块为核心， 完成组网通信和数据传输等功能。三部分不同点在于：传感器：箝点增加了传感 器模块，以电池供电；汇聚节点没有传感器模块，采用持续电力供电；监控中 心与汇聚节点类似，不同的足它由监控中心的p c 机供电。 2 2 2 关键器件选择 能耗问题在无线传感器网络中至关重要，因此，节点关键器件的选择也必 须依据低电压、低功耗的原则。 2 2 2 1 土壤湿度传感器选择 土壤湿度传感器有多种型号可供选择，目前市面上常见的土壤湿度传感器如 t d r 一3 、f d s 一1 0 0 、中国农业大学研制的s w r 等。然而这些传感器总存在一些不 尽人意的缺点，如t d r 传感器虽然精度较高，但其工作电压高、能耗大、价格较 昂贵，显然不适用于无线传感器网络。 本文节点采用的传感器为美匡 d e c a g o n 公司生产的e c 一5 土壤湿度传感器，其 参数如表所示。e c 5 传感器是一种适用于w s n 低电压、低功耗的土壤湿度传感 1 2 江苏大学硕士学位论文 器，国外的一些研究人员已经对该传感器丌展了一系列的研究1 1 7 - 2 0 1 。其特性参数 见表2 1 所示。 表2 1e c 5 十壤湿度传感器参数 精度3 v 0 1 ，经过校准可以达1 2 v 0 1 分辨率 0 1 v 0 1 ( 矿质土) ，0 2 5 v 0 1 ( 矿棉) 测量范嘲 o 10 0 v 0 1 尺寸 8 9 1 8 x 0 7 c m 响应时间 1 0 m s 电源 2 v 一5 v 10 m a 输出输出电压信息，与土壤湿度体积比成线性或多项式关系 工作温度 4 0 0 c 斗5 0 0 c 2 2 2 2 处理器与通信模块选择 节点处理器与通信模块都利用c c 2 4 3 0 片上系统作为无线收发模块的核心， 完成组网和数据传输等功能。c c 2 4 3 0 是t i 公司推出的用米实现嵌入式z i g b e e 应用的片上系统，其特点如一f 1 2 1 】： ( 1 ) 超低功耗满足终端传感器节点低功耗的要求 c c 2 4 3 0 片上系统内部集成了适应2 4 g h z 的c c 2 4 2 0 r f 收发器，高性能、 低功耗的8 0 5 l 微控制器内核，电流消耗小，当微控制器内核运行在3 2 m h z 时， r x 为2 7 m a ，t x 为2 5 m a ；掉电方式下，电流消耗只有0 9 x a ，外部中断或 者实时钟( r t c ) 能唤醒系统；挂起方式下，电流消耗小于0 6 a ，外部中断 能唤醒系统；电源电压范围宽( 2 0 3 6 v ) 。 ( 2 ) 丰富的系统资源，满足低成本的要求 自带1 个通用的1 6 位和2 个8 位定时器；1 个i e e e 8 0 2 1 5 4 媒体存耿控制 器( m a c ) 定时器；具有8 路输入8 1 4 位a d c ；2 1 个通用i o 引脚，其中2 个具有2 0 m a 的电流吸收或电流供给能力；2 个支持多种串行通信协议的 u s a i 玎；1 个通用的1 6 位和2 个8 位定时器；只需一个晶体，即可满足组网需 要；小尺寸q l p 一4 8 封装，7 m m x 7 m m 。 ( 3 ) 处理能力强、工作稳定，使设备更耐用 江苏大学硕士学位论文 该：签片具有极高的接收灵敏度和抗f 扰能力；强大的d m a 功能；8 k b s r a m ，具备在各种供电方式下的数据保持能力；硬件支持避免冲突的载波侦 听多路存取( c s m a c a ) ；支持数字化的接收信号强度指示器链路质量指示 ( r s s i l q i ) 。另外，此器件为_ - e ! l k 级器件，运行环境温度为4 0 0 c 一+ 8 5 0 c ，运 行稳定可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。 ( 4 ) 便于开发 支持硬件调试；提供强大、灵活的开发工具，本课题选用的软件开发工具 为i a rw o r k b e n c h ；丌发语言有汇编语言和c 语言。 2 2 3 节点电路 节点模块的原理图如图2 2 所示。节点采用2 节5 号电池给各个模块供电。 _ ! 互竺 ! 竺工竺工! 工：二p 兰工! 罕兰 ! 兰丁- ：埘 图2 2 传感器节点模块原理图 传感节点的实物图见图2 3 。 1 4 江苏大学硕士学住论五 图2 3 传感节点实物图 2 3 传感器节点畿量研究 无线传感器节点出容量十分有限的电池供电，使得无线传感器网络叶1 存在 着，”重的能量约束。因此研究传感器节点的能耗问题，对制定高散低能耗控 制算法和通信出议，降低网络系统能量消耗，延长系统使用寿命至关蘑要。 传感器节点能量研究主要有能量获取方式和供电电源能量消耗模型研究、 节点各模块能耗分析两个方面。 2 , 3 1 能量获取与电池消耗模型 无线传感器网络设计的重要指标之一是延长节点和网络系统工作寿命。设 网络系统平均寿命为e ( t ) ，则e q ) ： e 舻厕e o - e ( e o ) 江苏大学硕士学位论文 式中氏为网络系统初始总能量，e ( 色) 是系统平均浪费能量( 即在网络死 亡时仍木用的能量) ，尸是整个网络持续功率消耗常数，五为传感器平均报告 速度定义为每个单位时间内采集的数据数，e ( e ) 是所有传感器随机数据 采集的平均报告能耗消耗1 2 2 i 。 由e 式可见，对一个确定网络系统米讲分母中的三项是固定不变的，因此， 网络平均寿命e ( 1 ) 的延长包含有各种町能形式的能量补给( 增大岛) 和有效利 用现有能量( 减小e ( 乞) 和e ( t ) ) 两方面。 目前，传感器：肖点的能量补给主要有干电池供电和太阳能电池供电两种。 对于低成本的传感器节点来说，由于无线传感器网络中传感器节点数量众多且 靠置环境复杂，所以尽量使用 乜量容量大的干电池。 本课题设计的低成本传感器节点应用于土壤湿度检测系统中，故采用干电 池供电。对于电池，我们关心的主要是电池输出电压和电池容量两方面。理想 的电池输出电压在整个放电周期丁内为一常数v ，放电完毕后输出电压降为0 ， 如图2 4 中a 图所示，而实际使用中电池放电性能却并非如此，如图2 4 中b 图 所示( 南孚5 号电池放电性能) 。 o ( a ) 理想电池放电情况 1 6 江苏大学硕士学位论文 电压 1 5 0 ，9 0 6 1 2l82 4放电时间h ( b ) 南孚聚能5 号电池1 0 q 电器连续放电 图2 4 电池输 电压随放电时问变化情况 2 3 2 节点能耗分析 传感器节点能量供应模块为整个节点提供能量，能量消耗模块主要有传感 器模块、处理器模块、无线通信模块。下面分别对这= 三部分的能量消耗情况进 行分析。 ( 1 ) 传感器模块 传感器模块由传感器和a d d c 控制器等构成，它们的主要任务是负责采样 收集被测对象的敏感信息，并转换成相应的数字信息。 在传感器中有许多能量消耗源1 2 4 l ：采样信号与物理信号到电信号的转化； 信号调理；模拟信号到数字信号的转换。通常采用被动工作方式的传感器( 如 地震传感器) 与传感器节点的其他组件相比消耗的能量可以忽略不计。而采用 主动工作方式的传感器( 如声纳传感器) 消耗的能量要大一些。但总体上与处 理模块和无线通信模块相比，传感器模块消耗的能量非常小。 ( 2 ) 处理模块 处理模块包括微处理器( m c u ) 、存储器( m e m o r y ) 和输入输出接口电路 ( i o ) 几个部分，负责控制传感器、执行通信协议和处理传感器数据等算法， 是传感器节点的控制和计算中心。 1 7 江苏大学硕士学位论丈 指令的执行是处理模块能量消耗的方式，算法复杂度的高低直接影响着处 理模块的消耗。处理模块有三种工作方式：活动( a c t i v e ) 、空闲( i d l e ) 和休 l 民( s l e e p ) 。活动状态能耗远远人于其他两种状态，因此处理模块的功能强弱、 性能高低、在不同工作状态持续时间的长短以及不同状态问的相互切换等，都 会影响节点的能鼍消耗。 ( 3 ) 无线通信模块 无线通信模块主要包括无线收发器和放大器，负责节点的通信。在传感器 节点中，通信模块消耗能量所占比例足最人的。 无线收发器有 ! q 种工作模式：发送( t r a n s m i t ) 、接收( r e c e i v e ) 、空闲( i d l e ) 和休眠( s l e e p ) 。除了休眠状态外，其它三种状态的能耗都很大。中科院软件 所多媒体通信与网络研究中心的叶驰等对无线收发器的各个状态的能耗情况进 行了研究，得到了表所示的结果1 2 4 】见表2 2 。从表中可以看出发送消耗能量最大， 休眠消耗能量最小，而空闲状态的能耗接近于接收状态，所以如果传感器节点 没有数据收发，最好使无线收发器进入休眠状态以降低能耗。 表2 2r a d i o 模块各工作模式的能耗 无线通信模块模式能耗( m w ) 发送( t r a n s m i t ) 1 4 8 8 接收( r e c e i v e ) 1 2 5 0 空闲( i d l e ) 1 2 3 6 休眠( s l e e p ) o 0 1 6 本设计中传感器节点主要由c c 2 4 3 0 和e c 5 土壤湿度传感器组成。当系统 设置为休眠状态时，与外围电路的连接处于高阻状态，外围电路能耗极低，所 以在能耗分析中不考虑外围电路的能耗。c c 2 4 3 0 功耗如表2 3 所示。通过该表 可以发现芯片的能量主要消耗在数据无线收发过程中。 1 8 江苏大学硕士学位论文 表2 3c c 2 4 3 0 的功耗 模式典型值：卷片工作情况 r x 模式2 6 7 m am c u ：i ：作在全速模式下( 3 2 m h z ) ，3 2 m h zx o s c 工作， 射频部分：f ：作在r x 模式，外设全部关闭。 t x 模式 2 4 7 m am c u 工作在全速模式下( 3 2 m h z ) ，3 2 m h zx o s c 工作， 射频部分工作在t x 模式，外设全部关闭。 模式l 2 9 6 m a 稳爪器工作，高速r c o s c 和晶体振荡器关。3 2 6 7 8 k h z x o s c 、p o r 和睡眠时钟工作。r a m 保持。 模式20 9 m a 稳压器关，高速r c o s c 和晶体振荡器关。3 2 6 7 8 k h z x o s c ，p o r 、睡眠时钟工作。r a m 保持。 模式3 0 6 m a全部时钟关闭，r a m 保持，p o r 工作。 2 4 本章小结 本章从w s n 土壤湿度采集节点设计原则出发，采用低电压、低功耗的e c 一5 土壤湿度传感器和c c 2 4 3 0 片上系统，设计了适合于农田土壤湿度信息采集的 无线传感器网络节点，并对节点电池消耗模型和节点能耗进行了分析，为后续 探索电压补偿方法和组网实验平台奠定了基础。 1 9 江苏大学硕士学位论文 第三章土壤湿度采集节点误差分析及电压补偿方法 3 1 土壤湿度采集节点误差分析 引起土壤湿度采集节点检测信息误差的原因主要有两方面。 ( 1 ) w s n 的传感部件由传感器和数模转换组成，由于传感器暴露在外界 环境中，所以较容易发生故障。当：宵点的传感部件发生故障时，故障节点仍然 能与相邻节点进行通信，但是得到的测量数据却是错误的。 ( 2 ) w s n 传感器节点可能存在测量误差：传感器节点本身存在非线性特 性；传感器节点本身的动态特性( 如响应速度) 不够理想；传感器节点在测控 过程中受到各种外界环境因素( 如温度、湿度等) 的影响。 影响e c 5 传感器测试精度的因素较纠1 7 之o l ，如传感器本身的工作电压、土 壤温度以及电导率等，其中供电电压对测量结果的影响相当明显，其主要原因 和e c 一5 传感器的充放电测量原理有关。 3 1 1e c 5 测量原理 e c 5 土壤湿度传感器是一种高集成度的电容式变换器，内部主要由电子振荡 器、r c 电路和时间电压转换部件组成，传感部件电容c 以耐腐蚀的p c b 为极板， 待测土壤为电介质，土壤介电常数s 随湿度的变化表现为电容量的变化。当测试