基于780 MHz频段的农田信息采集无线传感器网络设计

发布时间：2020-10-23 09:18

　　 基于MSP430F5438A单片机和AT86RF212射频芯片设计了一种工作在780 MHz中国专用频段且符合IEEE802.15.4c标准的无线传感器网络。介绍了无线传感器节点结构及传感器节点无线通信电路的设计,并给出了空气温湿度、土壤温湿度及光照度传感器的选型和指标参数。选取豫东平原一块麦田作为试验环境,在小麦的拔节期和抽穗期,对工作于780 MHz、433 MHz和2.4 GHz频段的3种无线传感器网络节点进行试验,给出了3种节点的平均丢包率曲线和接收信号强度值随通信距离变化曲线。试验结果表明,在小麦不同生长期,780MHz和433 MHz频段的无线传感器网络的通信质量和传输性能明显优于2.4 GHz的无线网络,而且780 MHz网络的通信质量表现更佳,完全能够满足农田间数据的可靠传输。
【部分图文】：

62河南农业大学学报第51卷通信)、I2C接口(与数字传感器通信)，集成A/D转换器(便于后期扩展采集模拟量)。综合上述各方面的考虑，本文选取德州仪器(TI)公司的MSP430F5438A作为节点的处理器。图1无线传感器网络节点结构Fig．1StructuraldiagramofwirelesssensornetworknodesMSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗单片机，它集成了丰富的片内资源，在发扬低功耗特性的同时，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗与待机功耗非常低，分别为160μA·MHz－1和1．5μA，芯片采用1．8V至3．6V低电压供电，具有5种节能方式，配有多种通信接口，各类数字传感器可通过串口、SPI、I2C等接口与处理器通信。该单片机的时钟系统提供了MCLK、SMCLK、ACLK3种时钟，得益于独立的时钟系统，单片机可实现不同深度的系统休眠，尽可能地节省了能量［15］。单片机与无线射频模块接口电路如图2所示，单片机与传感器模块接口电路如图3所示。1．3780MHz频段无线射频模块设计基于收/发一体、低功耗、稳定性等方面的考虑，本研究选用Atmel公司的AT86ＲF212无线射频芯片。该芯片可工作在779～787MHz在中国免费的ISM频段，是一款专为适合IEEE802．15．4c标准的ISM(IndustrialScientificMedical)应用而设计的低电压、低功耗、低成本的无线收发芯片。该芯片最大发射功率达10dBm，接收灵敏度高达－110dBm，睡眠状态下电流消耗为0．2μA，接收状态下消耗电流9．0mA，射频收发器关闭后消耗电流0．4mA，当发送功率为5dBm时，电流消耗为18mA。以上特性能够满足WSN节点低功耗的设计要求。AT86ＲF212工作在1．8～3．6V低电压，与处理器MSP430F5438A相匹配，保证了WSN节点电源系统的一致性。射频模块天线部分采用差分方式，有效减少了其他?

MSP430F5438A是TI公司推出的一款超低功耗单片机，它集成了丰富的片内资源，在发扬低功耗特性的同时，大大提高了芯片性能。MSP430F5438A的工作功耗与待机功耗非常低，分别为160μA·MHz－1和1．5μA，芯片采用1．8V至3．6V低电压供电，具有5种节能方式，配有多种通信接口，各类数字传感器可通过串口、SPI、I2C等接口与处理器通信。该单片机的时钟系统提供了MCLK、SMCLK、ACLK3种时钟，得益于独立的时钟系统，单片机可实现不同深度的系统休眠，尽可能地节省了能量［15］。单片机与无线射频模块接口电路如图2所示，单片机与传感器模块接口电路如图3所示。1．3780MHz频段无线射频模块设计基于收/发一体、低功耗、稳定性等方面的考虑，本研究选用Atmel公司的AT86ＲF212无线射频芯片。该芯片可工作在779～787MHz在中国免费的ISM频段，是一款专为适合IEEE802．15．4c标准的ISM(IndustrialScientificMedical)应用而设计的低电压、低功耗、低成本的无线收发芯片。该芯片最大发射功率达10dBm，接收灵敏度高达－110dBm，睡眠状态下电流消耗为0．2μA，接收状态下消耗电流9．0mA，射频收发器关闭后消耗电流0．4mA，当发送功率为5dBm时，电流消耗为18mA。以上特性能够满足WSN节点低功耗的设计要求。AT86ＲF212工作在1．8～3．6V低电压，与处理器MSP430F5438A相匹配，保证了WSN节点电源系统的一致性。射频模块天线部分采用差分方式，有效减少了其他芯片造成的杂散辐射干扰。无线射频模块除了晶体振荡器、去耦电容和天线等简单电路外，所有的主要ＲF元件都集成在AT86ＲF212内部，MAC及AES硬件加速改善了无线传感器网络的功耗利用率和时效性。AT86ＲF212提供一个三线制SPI串行接口、少量控制引脚和一个中断请求引脚，SPI总?

对湿度量程0～100%，准确度±1．8%;温度量程－40～123．8℃，准确度±0．4℃，工作电压2．4～5．5V，数字输出，I2C接口。1．4．2空气温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司的微功耗SHT11数字传感器，相对湿度量程0～100%，准确度±2%;温度测量范围－40～123．8℃，准确度±0．3℃，工作电压2．4～5．5V，数字输出，I2C接口。1．4．3光照度传感器选用日本ＲOHM公司的BH1710FVC传感器，量程0～65535lx，分辨率0．35lx，工作电压2．4～3．6V，数字输出，I2C接口。传感器与处理器MSP430F5438A连接电路如图3所示。图3传感器与MSP430F5438A连接原理图Fig．3Schematicdiagramofprocessorandsensormodule1．5低功耗节能设计考虑到农田环境参数变化的特征，为进一步降低无线传感器网络节点能耗、延长网络使用寿命，本研究除选用低微功耗的处理器、无线射频芯片和传感器之外，还从以下几方面进行节能设计［15］。1．5．1采用更灵活的数据上报机制现有的农用环境监测系统大多采用固定采集周期的方式上报环境参数。如果采集周期比较短，则频繁的无线收发数据会消耗大量电能，间隔周期过长，则不能实时监测参数的变化。本文采用参数变化达到设定变化幅度阈值时上报数据。比如土壤湿度变化±5%或者温度变化±3℃时上报数据。各参数变化幅度阈值根据农业生产需求进行设置。农田环境参数变化快时，该方法能够实时监测环境并及时将参数上报监测中心;参数比较稳定时，比如夜间光照度基本没变化，该方法能有效避免频繁地进行射频数据传输，降低节点通信能耗。1．5．2降低器件的工作电压和振荡器频率处理器主频降低一半功耗也下降一半，降低处理器的时钟频率是一个有效节能措施。MSP430F5438A提供了低功耗、低频率内部时
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈晓栋;郭平毅;兰艳亭;;基于780MHz频段的温室无线传感器网络的设计及试验[J];农业工程学报;2014年01期

2 李小敏;臧英;罗锡文;李腾;刘永鑫;孔庆军;;兰花大棚内无线传感器网络433MHz信道传播特性试验[J];农业工程学报;2013年13期

3 郑宝周;李富强;吴莉莉;林爱英;郑丹;郁会平;袁超;;基于ZigBee和GPRS技术的仓储环境监测系统设计[J];江西农业学报;2013年03期

4 史兵;赵德安;刘星桥;蒋建明;孙月平;;基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J];农业工程学报;2011年09期

5 文韬;洪添胜;李震;黄森;李加念;叶智杰;;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[J];农业工程学报;2010年06期

6 张瑞瑞;赵春江;陈立平;徐刚;;农田信息采集无线传感器网络节点设计[J];农业工程学报;2009年11期

7 曹元军;王新忠;杨建全;;基于无线传感器网络的农田气象监测系统[J];农机化研究;2008年12期

8 张瑞瑞;陈立平;郭建华;王彦集;徐刚;;农田土壤监测无线传感器网络通信平台[J];农业工程学报;2008年S2期

9 刘卉;汪懋华;王跃宣;马道坤;李海霞;;基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发[J];吉林大学学报(工学版);2008年03期

10 冯友兵;张荣标;谷国栋;;无线传感网络在节水灌溉中的应用研究[J];中国农村水利水电;2007年02期

相关博士学位论文 前2条

1 张伟;面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D];浙江大学;2013年

2 冯友兵;面向精确灌溉的WSN数据传输关键技术研究[D];江苏大学;2009年

相关硕士学位论文 前1条

1 陈莉;基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计[D];上海交通大学;2008年

【共引文献】

相关期刊论文 前10条

1 陆洲;李江华;;农用灌溉水水质监测系统设计—基于无线传感设备网络[J];农机化研究;2017年07期

2 时珊珊;;基于智能电网的EAM测距改进研究[J];信息技术;2017年06期

3 安洁;翟国印;韩址楠;李云鹏;;我国生猪养殖环境智能控制标准体系建设研究[J];标准科学;2017年06期

4 王丹红;史智兴;孙剑锋;;基于433频段无线传输的试验研究[J];现代电子技术;2017年11期

5 李猛;田立国;丁航;刘书威;;基于ZigBee的农田土壤水分采集节点的设计[J];科技创新与应用;2017年15期

6 李凤民;郭根旺;贾世宇;;智慧型油田定位与数据采集研究[J];信息技术;2017年04期

7 李录山;柴晓虹;黄丹;祝毅娟;张洪祥;罗照西;腾志;;攀枝花市农林科学研究院蔬菜芒果基地物联网模式构建[J];四川农业科技;2017年04期

8 高成;王鹏;张亚玲;;基于物联网技术环境监测系统的设计及其在农业上的应用[J];贵州农业科学;2017年04期

9 陈君梅;孙道宗;叶娟;;太阳能无线微灌控制系统的应用设计及测试[J];节水灌溉;2017年04期

10 王能河;周崎;王飞;瞿少成;;基于NRF24L01的嵌入式Linux大型场所盆栽自动浇灌系统[J];电子测量技术;2017年03期

相关博士学位论文 前8条

1 刘海洋;基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统研究[D];内蒙古农业大学;2016年

2 刘大勇;农田异构无线传感器网络数据收集方法研究[D];北京工业大学;2016年

3 张瑞瑞;精准农业传感器网络中的节能技术研究[D];中国农业大学;2015年

4 杜克明;小麦生长监测物联网关键技术研究[D];中国农业科学院;2015年

5 朱凯;矿井围岩监测无线传感网技术研究[D];中国矿业大学(北京);2015年

6 秦绍华;无线传感器网络多信道通信技术的研究[D];山东大学;2014年

7 尹彦鑫;少免耕播种机信息流远程监测方法研究[D];中国农业大学;2014年

8 庄卫东;东北黑土漫岗区大豆变量施肥播种技术研究[D];黑龙江八一农垦大学;2011年

【二级参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 李小敏;臧英;罗锡文;李腾;刘永鑫;孔庆军;;兰花大棚内无线传感器网络433MHz信道传播特性试验[J];农业工程学报;2013年13期

2 张京;杨启良;戈振扬;齐亚峰;周兵;殷欣;;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[J];农业工程学报;2013年07期

3 张春元;;实时低功耗无线传感器网络设计[J];仪表技术与传感器;2013年01期

4 郭秀明;赵春江;杨信廷;李明;孙传恒;屈利华;王衍安;;苹果园中2.4GHz无线信道在不同高度的传播特性[J];农业工程学报;2012年12期

5 阎晓军;王维瑞;梁建平;;北京市设施农业物联网应用模式构建[J];农业工程学报;2012年04期

6 吕冬华;林贤贤;冯军;申红明;杨永杰;;基于WSN的燃气表自动抄表系统设计[J];现代电子技术;2012年03期

7 张粤;倪桑晨;倪伟;;基于ZigBeeCC2430的土壤含水率监测系统设计[J];农机化研究;2012年02期

8 李道亮;;物联网与智慧农业[J];农业工程;2012年01期

9 李玉冬;;Si4432的无线热网监测系统设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2012年01期

10 史兵;赵德安;刘星桥;蒋建明;孙月平;;基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统[J];农业工程学报;2011年09期

相关博士学位论文 前4条

1 刘丽萍;无线传感器网络节能覆盖[D];浙江大学;2006年

2 叶涛;精准农业的农田信息采集系统研究与开发[D];中国农业科学院;2006年

3 牟伶俐;农业旱情遥感监测指标的适应性与不确定性分析[D];中国科学院研究生院（遥感应用研究所）;2006年

4 裘正军;基于GPS、GIS及虚拟仪器的精细农业信息采集与处理技术的研究[D];浙江大学;2003年

相关硕士学位论文 前1条

1 杨赓;Zigbee无线传感器网络的研究与实现[D];浙江大学;2006年

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李华;李文秀;;无线传感器网络技术在养殖业污染监测上的应用[J];渔业现代化;2008年02期

2 曾宣皓;张旭;李凡;邓广;郭颖;;基于自然保护区传感器网络的整合架构设计[J];林业科学研究;2008年S1期

3 孙玉文;沈明霞;周良;熊迎军;林相泽;;农田无线传感器网络的节点部署仿真与实现[J];农业工程学报;2010年08期

4 裴芳;张洁;;无线传感器网络发展及其在精准农业方面的应用[J];计算机光盘软件与应用;2012年03期

5 尚明华;黎香兰;王风云;张晓艳;刘淑云;王利民;;无线传感器网络及其在设施农业监控中的应用[J];山东农业科学;2012年09期

6 陈栋;;农田无线传感器网络系统应用浅析[J];农村经济与科技;2014年03期

7 陆志平;秦会斌;王春芳;;无线传感器网络在森林火灾监测中的应用[J];杭州电子科技大学学报;2006年05期

8 高峰;俞立;张文安;卢尚琼;于莉洁;徐青香;;基于茎直径变化的无线传感器网络作物精量灌溉系统[J];农业工程学报;2008年11期

9 王承明;;无线传感器网络的安全分析与对策[J];农业网络信息;2008年08期

10 陈宏滨;冯久超;;基于阈值判决的无线传感器网络混沌信号重构[J];西南大学学报(自然科学版);2010年01期

相关博士学位论文 前10条

1 马瑞;基于小生境粒子群算法的机舱WSN目标覆盖研究[D];大连海事大学;2014年

2 李洪峻;面向入侵目标追捕的多回路无线网络控制系统设计与相关技术研究[D];国防科学技术大学;2013年

3 张德敬;基于虚拟坐标的无线传感器网络路由协议研究[D];山东大学;2015年

4 杨显辉;森林资源数据获取的移动Sink无线传感器网络可靠性研究[D];东北林业大学;2015年

5 毕冉;基于无线传感器网络的事件监测算法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 石熙;数字水印技术在无线传感器网络安全中的应用研究[D];重庆大学;2015年

7 徐力杰;低占空比传感器网络的数据传输调度问题研究[D];南京大学;2014年

8 欧阳键;面向无线传感器网络的协作传输技术研究[D];南京航空航天大学;2014年

9 冯森;面向智能配用电的无线传感器网络路由优化协议研究[D];华北电力大学;2015年

10 徐毅;无线传感器网络低能耗路由协议研究[D];山东大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 胥常杰;传感器网络设计的数学模型及其应用[D];青岛大学;2010年

2 黄铮;无线传感器网络连通与覆盖的研究[D];武汉理工大学;2006年

3 彭一;基于复杂网络理论的无线传感器网络关键节点识别技术研究[D];西南大学;2015年

4 肖力;基于ZigBee无线传感器网络的车流量检测系统设计[D];华南理工大学;2015年

5 刘丽萍;无线传感器网络中基于时空相关性的数据压缩[D];西南大学;2015年

6 何沐曦;无线传感器网络环境下基于MATLAB和OMNeT++的IEEE1588时间同步仿真[D];西南大学;2015年

7 黎凤霞;一种双极型多变量公钥密码算法在无线传感器网络上的优化与实现[D];华南理工大学;2015年

8 王晓彤;基于无线传感器网络的奶牛健康监测系统研究[D];天津理工大学;2015年

9 刘晓晨;基于无线传感器网络的室内定位方法研究[D];上海师范大学;2015年

10 董晓峰;畜禽养殖环境感知及动物标识技术装备集成研究和应用[D];浙江大学;2015年

本文编号：2852843