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基于太阳能供电的WSN土壤水分检测节点研究
资料介绍
随着无线传感器网络(Wirelesssensornetwork,WSN)技术的发展,WSN在农业领域中得到广泛应用。目前WSN节点一般都采用能量有限的干电池进行供电,严重束缚了WSN的生存周期,生存周期是WSN性能的重要指标之一,因此确保节点能量有效对WSN尤为重要。采用新能源为节点供电并结合能量管理措施可有效地解决节点能量问题。
本文采用太阳能为节点供电,太阳能电池把光能转换为电能存储到锂电池中,由锂电池为节点供电。在研究太阳能电池输出能量(包括锂电池储能)与光照强度、光照时间关系的基础上,建立节点能量供给模型:通过研究节点通信能耗与通信距离、数据包长度的关系,利用数学归纳法建立节点能耗模型;在上述分析的基础上提出能量管理措施,并建立节点收发频度模型。在不同的天气情况下,根据电池能量、温度、光照强度的变化分别对节点收发频度进行调整,从而实现节点能量平衡。
为了验证节点能量平衡模型,搭建了土壤水分检测实验平台,将该实验平台和WSN技术相结合,在田间进行了实验。实验平台由硬件系统和软件系统组成,其中硬件部分采用超低功耗的MSP430F135单片机作为节点控制核心,通过监测天气情况和节点能量调整节点收发频度;采集节点和汇聚节点之间的通信采用支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片,节点的电源模块采用2W/6V的太阳能电池和3.7V/1050mAh的锂电池,太阳能充电管理芯片采用CN3063对锂电池进行充电管理;通过软件设计实现节点的能量管理和收发频度优化。夏秋季的晴天和阴天分别在田间进行了实验,在不同天气情况下,根据节点能量优化节点收发频度。
实验结果表明,本文提出的能量管理措施可有效地降低节点能耗,实现节点能量平衡。夏季光照强度强、节点电池能量充足、温度高、土壤水分变化快,增加节点的收发频度,不仅提高了能量利用率,而且能够及时了解土壤墒情:秋季光照强度较弱、节点电池能量较少、温度较低、土壤水分变化慢,减少节点收发频度,实现节点能量长期有效。
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