基于茶园旱情监测的无线传感器节点能耗检测

潘小红

摘要：针对茶园旱情监测设计适用于无线传感器节点能量检测的功率计，该系统采用AVR系列Mega16单片机，通过测量精密电阻两端的电压差，从而测量出通过节点的电流和加在节点两端的电压，功率计1 s刷新1次显示，实时显示节点当前所消耗的电能和平均功率。对茶园中节点采用随机部署和确定型部署，并用功率计对2种部署中的节点能量进行测试。结果表明，该系统能以较高精度监测节点的功耗，为今后无线传感器网络的能耗分析提供了数据依据。

关键词：无线传感器节点；茶园；能量检测；功率计

中图分类号： TP212文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）06-0207-04

茶园中温濕度是影响茶叶产量的决定性因素。近些年来，绝大部分地区的茶园都因高温干旱受到严重影响，所以茶园旱情监测越来越受到人们的重视。由于传统的茶园旱情监测方式已经不能适应当前形势的需要，将无线传感器网络技术应用于茶园旱情监控，实现监控管理自动化势在必行。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的无线传感器节点组成，并通过无线通信方式形成的多跳自组织的网络系统。无线传感器网络节点负责传感和信息预处理，响应监控主机的指令进行数据收发，是构成无线传感器网络的基本单元，节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证。无线传感器节点通常采用电池供电，所以使用的能量有限。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地降低消耗，延长无线传感器网络的生命周期，提高网络性能，达到应用要求，成为无线传感器网络研究的核心问题。

本研究对部署在茶园中的传感器节点设计了1个可以实时测量节点能量的系统，并对菱形部署、随机部署2种方式的无线传感器网络进行了测试，结果显示测量数据准确。

1典型节点的能耗测量方法

节点的能耗监测是无线传感器网络能耗研究的基础问题，目前国内外关于节点的能耗测量方法主要有仿真方法、硬件试验方法。仿真方法是使用ns-2、simulink、Power TOSSIM等软件对节点的能耗进行分析，而试验方法是采用硬件电路对节点的功耗进行测量分析。

PowerTOSSIM采用实测的MICA2节点的能耗模型对节点所消耗的能量进行跟踪，实现了对无线传感器网络的能耗性能评价[1-2]。但是使用模拟工具进行仿真都是在给定参数下进行的，与实际的情况存在一定差距。

文献[3]中提出了1种使用软件探针的方法，该方法通过插入代码和使用外部电路配合组件可以对无线传感器网络的能耗情况进行实时监测，且抗干扰性较好；但是这种方法对硬件要求很高，而且还受到节点的软件平台限制[3]。

Panthachai等提出了一种基于外部电流测量的实测能耗方法，它通过给外接的电流取样电阻加上数字示波器来测量节点的能耗[4]。但是这种方法由于电流取样电阻过大，会影响节点的运行，另外通过人工观测示波器测量电阻上的电压，很难实现对数据的连续性分析和存储。

由于现有的功率因素测量方法都有局限性，本研究通过微处理技术和数字电路技术实现了对无线传感器网络节点的功耗在线测量。

2无线传感器节点功率计系统

系统功率计由单片机最小系统、模/数（A/D）转换模块、差分放大模块、键盘模块、显示模块、电源模块和精密电阻等模块组成，系统框架见图1。

3无线传感器节点功率计硬件设计

本设计中使用的单片机是ATMEL公司的ATMegal6单片机，它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位互补金属氧化物半导体（CMOS）微控制器。ATMegal6的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，它有16 kB的程序存储空间，1 kB内部SRAM，512B内置EEPROM。外部共有32个通用输入/输出（GPIO），1路通用同步/异步串行接收/发送器（USART），1路主从串行外设接口（SPI），1路I2C，2个8位定时器，1个16位定时器，4通道脉冲宽度调制（PWM）输出，8路10位A/D输入。ATMegal6单片机性能稳定、性价比高。

3.1键盘电路和显示电路

键盘电路由复位按钮Reset button、开始按钮Start button和停止按钮Stop button组成。电路如图2所示。液晶显示模块1602如图3所示，能对无线传感器节点的电压、电流和消耗的平均功率以及消耗的总电能等数据1 s刷新1次显示。

3.2电源模块的设计

本设计可以输出5 V直流电源和3 V直流电源。其中，单片机使用5 V工作电压，无线传感器节点使用3 V工作电压，其原理如图4所示。

4无线传感器节点功率计软件设计

软件设计主要包含键盘扫描、显示模块、定时器中断、模数转换（ADC）中断、数据处理模块。显示模块以1 s刷新1次显示，其主程序设计流程如图5所示。

中断服务程序包括定时器中断服务程序和A/D模数转换中断服务程序，如图6所示。定时器中断服务程序可以产生1 ms定时中断，并启动A/D模数转化。通过设置标示位对2路模拟信号进行轮流采样，采样频率设置为1 kHz。

5功耗测试

对茶园进行无线传感器节点部署，并采用菱形部署、随机

部署2种方案[5]，详见图7、图8。

设定传感器节点MicaZ每20 min开启传感器模块进行数据采集，待采集结束后启动发射模块。随机部署网络中节点的发射功率为0dbm，菱形部署网络中节点的发射功率为

-3 dbm，试验中对随机部署、菱形部署中2、4、5、6号节点电流、功耗分别进行了测试，结果分别见表1、表2。

从表1、表2可以看出，与随机部署中节点2、4、5、6号电流和功耗对比，菱形部署中节点2、4、5、6号电流和功耗要小些。显然，相对随机部署网络，菱形部署网络寿命较长，跟实

利用MATLAB软件对数据进行处理，从图9、图10可以看出，在传感器节点发射功率相同时，节点的功耗与发送的信息包比特数大小呈线性关系，与发送端和接收端之间的距离的平方也呈线性关系。对于相同大小的发送包，节点的功耗随发射功率增加而增大，所得测试结果与无线传感器节点的功耗情况符合。

6结论

節点的能耗监测是无线传感器网络能耗研究的基础问题。本研究设计了1种针对节点能量检测的功率计，并对茶园实际节点部署进行测试，结果表明，该功率测试方法符合实际情况，为节点的功耗测量提供了准确的数据。下一步将研究1个通过图形用户（QT）界面实现对所有节点的实时能量监测系统。

参考文献：

[1]Shnayder V，Hempstead M，Chen B R，et al. Simulating the power consumption of large-scale sensor network applications[C]//International Conference on Embedded Networked Sensor Systems，SENSYS 2004，Baltimore，Maryland，USA. 2004：188-200.

[2]Crossbow Technology Inc. MICA2 data sheet[EB/OL]. [2016-05-16]. http：//www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/Wireless_pdf/MICA2_Data.

[3]Hohlt B，Doherty L，Brewer E. Flexible power scheduling for sensor networks[C]//IPSN `04：Third International Symposium on Information Processing in Sensor Networks，Berkeley，California，USA. 2004：205-214.

[4]Panthachai Y，Keeratiwintakorn P. An energy model for transmission in telos-based wireless sensor networks[C]//International Joint Conference on Computer Science & Software Engineering，Las Vegas，USA. 2007：2-4

[5]谢洁锐，刘才兴，胡月明，等. 无线传感器网络的部署[J]. 传感器与微系统，2007，26（1）：4-7.孙磊，索雪松，张梦，等. 一种新型农业纳网DC-DC变换器的研究[J]. 江苏农业科学，2017，45（6）：211-215.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.055