李亮斌，姜晟，王衛(wèi)星,2,3*，陳華強(qiáng)，焦國(guó)輝(.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣東 廣州 50642；2.國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 50642；3.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 50642)

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基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)村供水廠水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

李亮斌1，姜晟1，王衛(wèi)星1,2,3*，陳華強(qiáng)1，焦國(guó)輝1
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；3.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

摘 要：為解決目前農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)所存在的無(wú)線通信障礙、污染預(yù)警滯后和成本高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用于組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水廠水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。節(jié)點(diǎn)以STM32F103ZET6為核心，WLK01L39射頻芯片及其外圍電路作為無(wú)線通信模塊，傳感器模塊由美國(guó)ASI公司的水質(zhì)溶解氧、pH、溫度復(fù)合傳感器以及Global Water公司的WQ730濁度傳感器組成。為節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)了通信協(xié)議、時(shí)間同步算法和應(yīng)用程序。在軟件設(shè)計(jì)上，節(jié)點(diǎn)采用睡眠、蘇醒工作機(jī)制來(lái)降低功耗。對(duì)節(jié)點(diǎn)的功耗和通信距離進(jìn)行了分析和測(cè)試，組網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)系統(tǒng)在空曠地帶有效通信距離達(dá)到500 m，節(jié)點(diǎn)平均工作電流低于50 mA，休眠電流低于25 μA。

關(guān) 鍵 詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)村供水廠；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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農(nóng)村供水廠采用傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)[1–2]，設(shè)備落后，水質(zhì)超標(biāo)已經(jīng)嚴(yán)重影響了農(nóng)村飲用水的安全。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)作為一種新型的信息采集技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域[3–9]。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)村供水廠的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)種類繁多，需對(duì)不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)研制。曹惠茹等[10]采用MSP430F1611單片機(jī)，同時(shí)使用CC110和CC2530射頻芯片，設(shè)計(jì)了雙頻段層次結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)，用于小范圍通用檢測(cè)，但是單個(gè)節(jié)點(diǎn)需配備雙射頻部分，使得成本增加。潘賀等[11]以JN5148作為無(wú)線微處理器模塊，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)采用休眠機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗，但由于節(jié)點(diǎn)通信距離僅為70 m，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及連通性受到限制。李小敏等[12]根據(jù)水稻生長(zhǎng)過(guò)程環(huán)境的變化因素設(shè)計(jì)了一款發(fā)射功率自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)水稻生長(zhǎng)周期、通信距離、接收信號(hào)強(qiáng)度、平均丟包率等因素自動(dòng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，降低節(jié)點(diǎn)功耗，但節(jié)點(diǎn)伴隨著監(jiān)測(cè)對(duì)象固定而產(chǎn)生了單一化監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。

筆者針對(duì)農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)環(huán)境寬闊、太陽(yáng)能充足且建筑障礙少的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于農(nóng)村供水廠水質(zhì)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，旨在實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離有效通信，能量自供給持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，以滿足農(nóng)村供水廠水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用要求。

1　硬件系統(tǒng)

節(jié)點(diǎn)以自組織的形式構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)環(huán)境信息通過(guò)單跳或多跳的方式傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心[13]，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)環(huán)境信息參數(shù)的采集。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電源供電模塊和傳感器模塊組成，在傳輸過(guò)程中傳感器節(jié)點(diǎn)還起中繼轉(zhuǎn)發(fā)作用，從而提高網(wǎng)絡(luò)的連通性與可靠性。

圖1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structural of WSN node

1.1處理器模塊

為了提升節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行性能，微處理器采用意法半導(dǎo)體(ST)公司出品的STM32F103ZET6。該芯片具有集成度高、外圍模塊豐富和低功耗等特點(diǎn)，其命令執(zhí)行效率高，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)支持待機(jī)休眠、底層驅(qū)動(dòng)調(diào)度、數(shù)據(jù)集成和通信協(xié)議等功能。

1.2傳感器模塊

傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)精度和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，選擇美國(guó)ASI公司的溶解氧、pH、溫度復(fù)合電極和美國(guó)Global Water公司的WQ730濁度電極，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村供水廠水質(zhì)數(shù)據(jù)信息的測(cè)量采集。傳感器如圖2所示。節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖2　復(fù)合傳感器和濁度傳感器Fig.2 Composite sensor and Turbidity sensor

圖3　傳感器節(jié)點(diǎn)Fig.3 Sensor node

1.3無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用高度集成遠(yuǎn)距離半雙工微功耗的WLK01L39模塊，自帶CRC校驗(yàn)，因而具備強(qiáng)抗干擾和高靈敏度特性，能夠較好地抑制農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的影響。

1.4電源供電模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間工作，電源供電模塊的設(shè)計(jì)對(duì)保證節(jié)點(diǎn)性能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。供電模塊采用10 Ah、12 V的鋰電池組，12 V電源電壓經(jīng)降壓轉(zhuǎn)換器TPS62170降壓至5 V，為傳感器模塊供電。同時(shí)，12 V電源電壓經(jīng)第2塊降壓轉(zhuǎn)換器TPS62170降壓至3.3 V，為處理器模塊、無(wú)線通信模塊供電，實(shí)現(xiàn)雙電源系統(tǒng)供電[14]。利用太陽(yáng)能電池板和控制器為鋰電池組進(jìn)行充電，以延長(zhǎng)電源使用壽命。

1.5光耦開(kāi)關(guān)電路

節(jié)點(diǎn)采取按需輸出的供電模式，使用光耦合器PC817、FDN340P PMOS管組成光耦開(kāi)關(guān)電路，如圖4所示。當(dāng)傳感器模塊需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，無(wú)線通信模塊需要傳輸數(shù)據(jù)以及其他外設(shè)需要工作時(shí)，光耦開(kāi)關(guān)電路控制輸出電源電壓5 V和3.3 V，同時(shí)起到了光電隔離效果；當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，光耦開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電路，關(guān)閉電源輸出。

圖4　光耦開(kāi)關(guān)電路Fig.4 Switch circuit of optocoupler

通過(guò)光耦開(kāi)關(guān)電路按需控制電源管理和使用太陽(yáng)能對(duì)供電模塊充電，可有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作周期，有利于網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)行。

2　軟件系統(tǒng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能與其所組成網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，都直接受到軟件系統(tǒng)的影響。針對(duì)上述硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)，結(jié)合農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)周期性強(qiáng)，區(qū)域干擾大，單次傳輸數(shù)據(jù)量少等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于C語(yǔ)言的對(duì)應(yīng)要求的軟件系統(tǒng)。

2.1通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

降低能耗是衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的主要指標(biāo)之一，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由算法、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和喚醒休眠機(jī)制進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，以達(dá)到低功耗的要求。

2.1.1網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間設(shè)計(jì)

為了使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間達(dá)到同步，并且在完成多次發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)、休眠和喚醒后還能保持網(wǎng)絡(luò)一致性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間進(jìn)行了設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)在每輪網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收發(fā)送完畢后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從服務(wù)器得到1個(gè)時(shí)間，再通過(guò)廣播發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)接收到同步時(shí)間信息后，解析其內(nèi)容，對(duì)自身的時(shí)鐘進(jìn)行修正并轉(zhuǎn)發(fā)同步包，設(shè)定各自定時(shí)器后進(jìn)入休眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間設(shè)計(jì)，避免了經(jīng)過(guò)多次喚醒休眠機(jī)制循環(huán)而可能導(dǎo)致的時(shí)間失步。

2.1.2數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，能量有限，所以大部分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都采用喚醒休眠機(jī)制來(lái)處理能量問(wèn)題[10]。節(jié)點(diǎn)針對(duì)農(nóng)村供水廠環(huán)境監(jiān)測(cè)具體情況，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的發(fā)送接收以及周期性喚醒休眠機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸方式，其過(guò)程如圖5所示。

圖5　節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序Fig.5 Node data transmission time sequence

首先，節(jié)點(diǎn)1、2、3進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)接收狀態(tài)，根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間長(zhǎng)度按序進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，若節(jié)點(diǎn)1先發(fā)，臨近節(jié)點(diǎn)2、3接收并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合，監(jiān)聽(tīng)接收時(shí)間完畢，各節(jié)點(diǎn)按序?qū)⑷诤咸幚砗髷?shù)據(jù)上傳網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后等待網(wǎng)關(guān)的同步設(shè)置包，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)同步設(shè)置包修改自身時(shí)鐘并設(shè)置下次喚醒時(shí)間及監(jiān)聽(tīng)接收時(shí)長(zhǎng)和自身發(fā)送數(shù)據(jù)次序，最后節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)同步設(shè)置包后進(jìn)入休眠模式，實(shí)現(xiàn)周期循環(huán)。

2.2應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)、采集數(shù)據(jù)、發(fā)送接收數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)融合處理。節(jié)點(diǎn)采取休眠喚醒周期性工作模式，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)初始化檢測(cè)記錄工作輪數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)固有節(jié)點(diǎn)號(hào)延時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，若為多跳路徑節(jié)點(diǎn)，則接收前端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)進(jìn)行本地登記，根據(jù)本地登記表判斷是否已接收過(guò)此數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，達(dá)到數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻，各節(jié)點(diǎn)按固定序號(hào)表依次延時(shí)上傳。在接收到同步設(shè)置信息包時(shí)，節(jié)點(diǎn)對(duì)自身參數(shù)及定時(shí)器設(shè)置并將其轉(zhuǎn)發(fā)，最后進(jìn)入休眠模式，等待下次定時(shí)器喚醒，再循環(huán)新一輪工作。

3　試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1節(jié)點(diǎn)功耗

傳感器節(jié)點(diǎn)總體功耗與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的密度成正比，而就節(jié)點(diǎn)個(gè)體而言，功耗和硬件選型與設(shè)計(jì)又密不可分。節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試選用美國(guó)福祿克公司的Fluke 15B新型數(shù)字萬(wàn)用表，接入傳感器節(jié)點(diǎn)電路，測(cè)量不同狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)電流，測(cè)量3次，取平均值，測(cè)得節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)的平均電流僅為23.47 μA，數(shù)據(jù)采集平均電流為32.42 mA，數(shù)據(jù)發(fā)送平均電流為36.63 mA，數(shù)據(jù)接收平均電流為22.37 mA。

3.2電池放電特性

節(jié)點(diǎn)采用10 Ah、12 V的鋰電池組供電，內(nèi)配穩(wěn)壓功能，當(dāng)電池電壓降至10 V，鋰電池將停止輸出，節(jié)點(diǎn)壽命結(jié)束。對(duì)不接太陽(yáng)能電池板供電僅使用飽和鋰電池組給節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電測(cè)試，設(shè)置節(jié)點(diǎn)每8 min完成一輪休眠喚醒、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)的周期性工作。

從節(jié)點(diǎn)首次工作到壽命結(jié)束，共進(jìn)行了5 258輪休眠喚醒工作。為了保證數(shù)據(jù)完整性，將5 258輪的原始散點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行了分層取樣、移動(dòng)平均平滑法處理，傅立葉擬合得出電池放電特性擬合曲線，如圖6所示，電池電壓從1 00～ 4 800輪供電為穩(wěn)定狀態(tài)，從4 800輪開(kāi)始，呈快速下降趨勢(shì)。若按照每30 min進(jìn)行一輪周期工作，而節(jié)點(diǎn)絕大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，預(yù)計(jì)可持續(xù)工作約100 d，而當(dāng)配備太陽(yáng)能供電后，將可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性工作，達(dá)到低功耗、壽命長(zhǎng)要求。

圖6　電池放電特性Fig.6 Discharge characteristics of battery

3.3節(jié)點(diǎn)有效通信距離

農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)必須能遠(yuǎn)距離有效通信，根據(jù)此應(yīng)用要求，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的有效通信距離，設(shè)置節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為10 dBm，周期性發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收成功時(shí)點(diǎn)亮指示燈，根據(jù)激光測(cè)距儀以及衛(wèi)星地圖測(cè)距確認(rèn)兩測(cè)試節(jié)點(diǎn)間的直線距離，節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試衛(wèi)星圖如圖7所示。在兩測(cè)試節(jié)點(diǎn)相距390 m和640 m時(shí)均能正常通信，測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)在空曠或少量障礙物地帶實(shí)現(xiàn)了500 m的有效通信距離。

圖7　節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試衛(wèi)星圖Fig.7 Satellite map of nodes Communication distances testing

3.4網(wǎng)絡(luò)可靠性

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與1個(gè)連接PC的匯集節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了簡(jiǎn)易無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)每小時(shí)采集并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，等待接收、融合處理其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)，接收同步設(shè)置信息包后進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過(guò)1個(gè)月共720輪循環(huán)測(cè)試，丟包率數(shù)據(jù)列于表1。

表1　數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率Table 1　Packet loss rate of data transmission

數(shù)據(jù)測(cè)得網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率為0.78%，測(cè)試期間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包。由此表明，網(wǎng)絡(luò)連通性好，無(wú)死機(jī)，無(wú)故障，能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5節(jié)點(diǎn)性能

與Crossbow公司的Micaz 節(jié)點(diǎn)、成都無(wú)線龍公司的WXL07節(jié)點(diǎn)以及CE504節(jié)點(diǎn)[15]的性能進(jìn)行比較(表2)，結(jié)果表明，本研究所設(shè)計(jì)的ScauG1節(jié)點(diǎn)，有效通信距離遠(yuǎn)大于其他3種節(jié)點(diǎn)。在保證通信暢通和造價(jià)不高于通用WSN節(jié)點(diǎn)的前提下，ScauG1節(jié)點(diǎn)能以最優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行WSN組網(wǎng)。由此可見(jiàn)，ScauG1節(jié)點(diǎn)在農(nóng)村供水廠組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中更具實(shí)用性及針對(duì)性。

表2　節(jié)點(diǎn)性能比較Table 2　Comparison of performances of different node products

4　結(jié) 論

為在農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)環(huán)境構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連通性強(qiáng)、可靠性高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域面積大、數(shù)據(jù)規(guī)律采集以及太陽(yáng)能資源充足等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有休眠喚醒機(jī)制的農(nóng)村供水廠監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)有效通信距離可達(dá)500 m，休眠平均電流僅為23.1 μA，喚醒平均工作電流低于50 mA，僅靠鋰電池組供電的工作時(shí)長(zhǎng)約5 258輪數(shù)，如配備太陽(yáng)能供電后能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，組網(wǎng)測(cè)得網(wǎng)絡(luò)通信有效暢通，平均丟包率為0.78%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳巖，閆云浩，譚婷，等．基于WSNs多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的終端設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2014(10)：83–86．

[2] 閆宏浩，陳天華．水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2015(4)：81–84．

[3] Yick Jennifer，Mukherjee Biswanath，Ghosal Dipak. Wireless sensor network survey[J]．Computer Networks，2008，52(12)：2292–2330．

[4] Riaz N，Ghavami M．Analytical performance evaluation of ultra-wideband multiple access schemes for different wireless sensor network application environments[J]．IET Communications，2009，3(9)：1473–1487．

[5] Panda Mrutyunjaya．Application of swarm intelligence based routing protocols for wireless adhoc sensor network[J]．Sensors & Transducers，2011，130(7)：48–60．

[6] Cionca Victor，Newe Thomas，Dadarlat Vasile Teodor. Configuration tool for a wireless sensor network integrated security framework[J]．Journal of Network and Systems Management，2012，20(3)：417–452．

[7] Pottie G J，Kaiser W J．Wireless integrated network sensors[J]．Communications of the ACM，2000，43(5)：51–59．

[8] 龍婧．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法研究[D]．大連：大連海事大學(xué)，2013．

[9] 張強(qiáng)，孫雨耕，楊挺，等．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．中國(guó)電力，2010(6)：31–36．

[10] 曹惠茹，張曉軍，陳放．基于雙頻無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2014(3)：55–57．

[11] 潘賀，關(guān)久念，李太浩．基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014(5)：246–250．

[12] 李小敏，臧英，羅錫文，等．基于發(fā)射功率自適應(yīng)的稻田無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014(7)：140–146．

[13] 蔣建明，史國(guó)棟，趙德安，等．水產(chǎn)養(yǎng)殖參數(shù)無(wú)線測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)生命周期研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014(7)：147–154．

[14] 姜晟，王衛(wèi)星，孫道宗，等．能量自給的果園信息采集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012(9)：153–158．

[15] 王衛(wèi)星，羅錫文，孫道宗，等．茶園信息采集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(5)：169–173．

責(zé)任編輯：羅慧敏英文編輯：吳志立

Design of wireless sensor network node for monitoring water quality of rural water supply plant

Li Liangbin1, Jiang Sheng1, Wang Weixing1,2,3*, Chen Huaqiang1, Jiao Guohui1
(1. College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2. National Engineering Research Center for Breeding Swine Industry, Guangzhou 510642, China；3. Key Laboratory of Key Technology for South Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China)

Abstract:A wireless sensor network (WSN) node is designed for monitoring of rural water supply plant in order to solve the problems of wireless communication barrier, postponed pollution warning and high cost, etc. The node uses a STM32F103ZET6 as a processing core, a WLK01L39 RF chip with peripheral circuits as wireless communication module, and a sensor module consisting of a mutifuctional sensor from American ASI for dissolved oxygen , pH, and temperature, and a WQ730 turbidity sensor from Global Water. The communication protocol, time synchronization algorithm and application program are designed for the node. A sleeping and waking up work mode is applied to reduce power consumption. The communication distance and power consumption of the node were tested and analyzed. The results showed that the node works stably and trustfully. The available communication distance is up to 500 m in the open areaThe average working current is lower than 50 mA as well as a sleeping current lower than 25 μA.

Keywords:wireless sensor networks; rural water supply plant; low power consumption; node design

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007?1032(2016)02?0212?05

收稿日期：2015–08–30 修回日期：2016–01–19

基金項(xiàng)目：國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2013GA780046)；廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014–17)

作者簡(jiǎn)介：李亮斌(1990—)，男，廣東東莞人，碩士研究生，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用研究，liliangbin@stu.scau.edu.cn；*通信作者，王衛(wèi)星，博士，教授，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究， weixing@scau.edu.cn