摘要：設計并實現精準農業無線傳感器網路，用于監測農作物生長環境。用高性能、超低功耗單片機MSP430F149設計溫濕度和光照強度傳感器節點;用高性能32位ARM處理器LM3S6918設計匯聚節點，采用無線射頻器件CC1000實現數據的無線收發;針對匯聚節點能量不限的特點，改進傳統MAC協議，提出并實現了一種新的MAC層通信協議。實驗證明，該網絡具有生命周期長、穩定性好的優點，可以滿足精準農業的環境監測要求。

精準農業被稱為人類農業生產的一場革命，并依托于信息技術。準確實時的信息供給是精準農業的首要條件，它的實現依賴于大氣溫濕度、風速、光照強度況等多種先進的傳感器。近年來，出現了許多采用無線公共網絡等無線通訊方式進行農、林、牧業的遠程監測的研究。這些無線通信技術的優勢是傳輸速度快、信息量大、傳距離輸遠。但因其功耗高、時延長、通信費用高等因素，在農業環境監測中未得到廣泛的應用。

無線傳感器網絡有監測精度高、實時性好、容量大、覆蓋區域大、功耗和成本低等顯著優點，適合于精準農業環境監控系統的實現。開發用于精準農業監測的無線傳感器網絡，研究降低其能耗、提高其生命周期和可靠性等關鍵技術，具有重要的實用價值。

1 系統總體設計

大多數精準農業監測系統中，各個監測區域相距較近，所布設的光照、濕度和溫度等傳感器節點可在同一無線節點的輻射區域內;同時，控制中心一般都可持續提供能量，匯聚節點能量不限。為此，監測WSN采用星型拓撲結構，系統結構圖如圖1所示。

1)信息中心即管理節點，負責接收匯聚節點通過GPRS網絡上行發送的數據，并提供Web服務功能;當傳感器節點工作失常，或者“死亡”時，應能及時采取相應措施。

2)匯聚節點周期性發送信標幀，接收傳感器節點發送的數據幀并通過GPRS網絡向信息中心轉發;接受信息中心查詢命令，并向傳感器節點下傳完成查詢任務。

3)傳感器節點采集監測信息，并及時地向匯聚節點上傳數據;當某個節點的能量低于一定門限時能及時上傳低電量告警信息。傳感器節點采用電池供電，在非工作狀態時一般處于休眠狀態。

2 通信協議

精準農業監測WSN具有單覆蓋、匯聚節點能量不限、實時性要求不高等特點，為了降低節點功耗、延長網絡生命周期，改進傳統的MAC協議，提出一種基于TDMA的星型MAC協議一START-MAC協議。

START—MAC協議采用信標幀、確認幀和數據幀3種幀格式。其中信標幀用于匯聚節點的廣播同步;確認幀用于匯聚節點應答傳感器節點;數據幀則用于承載傳感器節點向匯聚節點發送的數據。

協議中匯聚節點始終處于發送/接收轉換的狀態，處于發送和處于接收狀態的時間比為1：1。匯聚節點每隔周期T即發送一定數目的廣播幀對全網進行廣播，該廣播幀包括了匯聚節點的同步信息。網內要傳送數據的節點任意接收一幀廣播幀，否則就丟棄。接收了廣播幀的節點延時一段時間后待匯聚節點轉入接收狀態，在規定的時隙里發送數據，否則轉入睡眠。這樣既避免了數據碰撞，又降低了能量的損耗。

將傳感器節點一個周期內協議步驟歸納如下：

1)控制傳感器模塊采集數據，判斷是否為新數據，是則進入步驟2)否則進入步驟4);

2)接收一幀信標幀，然后進入低功耗狀態;

3)延時至規定時隙，向匯聚節點發送數據;

4)進入低功耗，延時至下一周期。

匯聚節點一個周期內協議步驟如下：

1)進入發送狀態;

2)若有確認幀需要發送，則發送確認幀，然后發送信標幀對全網進行時間同步;

3)轉入接收狀態，接收數據;

4)若接收狀態接收到數據，需要進行存儲、串口操作或LCD顯示，則進行該操作，結束后轉到步驟1。

一個完整的START—MAC協議如圖2所示。