无线传感器网络在辣椒种植中的高效应用研究

### 无线传感器网络在辣椒种植中的高效应用研究 #### 一、引言 随着信息技术的飞速发展，各行业之间的融合日益加速。尤其是无处不在的技术应用于农业这一基础产业，有望极大提升农业的附加值和生产力。为了成功构建这样的农业环境，需要开发一系列针对农业优化的核心技术，如传感器硬件、中间件平台、路由协议和农业环境应用服务等。 在无线传感器网络中，为了实现这些无处不在的技术，研究人员探索了各种节能的媒体访问控制（MAC）协议。例如，S - MAC协议通过应用“睡眠、待机”模式来提高能量效率；T - MAC协议进一步减少不必要的唤醒时间；Adaptive S - MAC旨在避免占空比应用时出现的传输延迟现象；混合类型的Z - MAC结合了CSMA和TDMA；X - MAC则在异步方法的睡眠期间使用前导码占用信道。 本研究聚焦于在辣椒种植设施中应用无线传感器网络时，选择最适合的传感器网络MAC协议。选择辣椒种植设施作为研究对象，是因为辣椒是韩国主要的出口园艺产品之一，其产量受光照、温度和湿度等环境因素影响较大。目前韩国辣椒的产量虽有增长，但与荷兰相比仍有较大差距，因此提高辣椒种植的效率和质量具有重要意义。 #### 二、相关工作 ##### 2.1 S - MAC协议 S - MAC是一种典型的同步MAC协议，它以固定长度周期性地重复“睡眠模式”和“监听模式”。在“监听模式”下，两个节点之间可以进行数据传输；在“睡眠模式”下，通过为传感器节点提供维持所需的最小功率，同时关闭主电源，减少了每个传感器节点的功率浪费。然而，由于固定长度的设置，会出现无通信的“监听段”，导致功率浪费；并且在“睡眠段”无法接收信号，会造成数据传输延迟。 ##### 2.2 X - MAC协议 X - MAC协议旨在解决B - MAC协议中长前导码导致的监听问题。它通过重复传输用于同步的最小前导码和包含目标地址的“脉冲前导码”，减少了B - MAC协议的前导码监听。当有数据要传输时，使用X - MAC的节点会先传输最小前导码和包含目标地址的“短前导码”，告知附近节点有数据要传输，然后进入“待机”模式等待接收早期确认（ACK）。 #### 三、协议适配方法 ##### 3.1 辣椒种植环境 本研究以韩国全罗南道光阳市的实际辣椒温室为模型。在设施栽培中，辣椒种子先播种在岩棉托盘上，然后临时种植在岩棉块上，当出现第一分支茎时，再永久种植到培养基中。为了保证辣椒的生长环境，会在培养基下部安装锅炉管道供应温水，上部安装LED照明设备，同时安装通风设备和移动屏幕来调节温度和光照。辣椒岩棉块之间的距离为30厘米，每个培养基长50米，培养基组之间的距离为50厘米，温室除了移动和工作空间外，都种植着辣椒。生长环境要求白天温度保持在22 - 25℃，夜间温度保持在18 - 20℃，湿度保持在70 - 75%。 ##### 3.2 硬件描述 本研究采用顺天国立大学ITRC研究中心开发的传感器节点。该传感器节点可以通过一个传感器收集叶片湿度、叶片温度、温室温度/湿度信息并控制继电器。CPU采用MSP430 MCU，数据传输/接收设备使用Chipcon公司的CC2420 RF模块。MSP430微处理器具有16位RISC结构，拥有48 Kbyte的程序内存和10Kb的RAM，工作速度快，使用3.6V电池供电。 ##### 3.3 网络拓扑 传