基于WSN的便攜式FPGA農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

潘軍璋　高云等

摘要：針對農(nóng)田環(huán)境信息獲取時存在的信息對象多、地域廣、分布雜散、數(shù)據(jù)通訊條件落后等諸多不利因素，設(shè)計了采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可編程片上系統(tǒng)（ＳＯＰＣ）技術(shù)的便攜式農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過溫度、濕度、光照度等傳感器實時采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)；以ＣＣ２４３０模塊為終端測量節(jié)點的核心，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和匯集；采用具有ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器的現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理。田間試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并具有組網(wǎng)靈活、可擴展性強、攜帶方便等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）；農(nóng)田；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：ＴＰ２７４＋．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）24－5778-05

農(nóng)田環(huán)境信息主要包括溫度、濕度、光照度等，這些環(huán)境因素的確定對實現(xiàn)高產(chǎn)、高效農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化有很大的指導意義［１］。在對農(nóng)田環(huán)境信息進行獲取時，面臨著信息對象多、地域廣、分布雜散、數(shù)據(jù)通訊條件落后等諸多不利因素，而這些因素都制約著對農(nóng)田環(huán)境信息實時、有效、方便地獲取。如何快速、準確、有效、實時地獲得農(nóng)田環(huán)境信息的各類數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)代信息農(nóng)業(yè)的重要研究內(nèi)容，也是精細農(nóng)業(yè)得以發(fā)展的基礎(chǔ)［２，３］。

近幾年來發(fā)展起來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可編程片上系統(tǒng)（ＳＯＰＣ）技術(shù)為農(nóng)田環(huán)境信息采集提供了新的解決方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器、嵌入式、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無線通信等技術(shù)，具有分布式、自組織式的特點。可有效解決田間信息的遠距離數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)測及控制等問題。目前，國內(nèi)外對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田監(jiān)測方面的研究主要集中在組建網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、通訊等方面，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方面的研究較多見［４－１２］，而基于移性好、方便使用的便攜式網(wǎng)關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的研究還未見報道。而ＳＯＰＣ技術(shù)用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上。ＳＯＰＣ技術(shù)的主要應用模塊有復雜可編程邏輯器件（ＣＰＬＤ）和現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）兩種。ＦＰＧＡ可以用來實現(xiàn)模擬信號處理、數(shù)字信號的處理、批處理等控制功能，常應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前，ＦＰＧＡ在農(nóng)業(yè)工程上的應用主要集中在３個方面，一是對溫室，畜、禽舍等的環(huán)境進行控制；二是對農(nóng)業(yè)機械進行控制；三是通過圖像處理對農(nóng)產(chǎn)品進行分級。將ＦＰＧＡ技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合用于農(nóng)田環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集的研究還未見報道。針對農(nóng)田環(huán)境信息獲取時信息對象多、地域廣、分布雜散、數(shù)據(jù)通訊條件落后等問題，該研究設(shè)計了一種簡單有效、便攜式、低成本的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的自動獲取。系統(tǒng)以ＦＰＧＡ上ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器為主控單元［１３－１7］，以ＣＣ２４３０為核心的ＺｉｇＢｅｅ（無線個域網(wǎng)）模塊為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，構(gòu)成基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的便攜式ＦＰＧＡ農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對農(nóng)田環(huán)境信息的多節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、記錄、存儲、查詢等功能。

１ 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體上可分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)兩大部分，如圖１所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點由ＴＩ公司基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４協(xié)議的ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器模塊ＣＣ２４３０外接溫度、濕度、光照度等環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器電路組成，主要用途是散布在農(nóng)田區(qū)域，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息。ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)由ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)和ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器組成，配備３．２寸觸摸屏，主要完成網(wǎng)絡(luò)組建和對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各終端節(jié)點的管理、信息采集、信息存儲及分析功能，所有的終端節(jié)點采用５號電池供電，ＦＰＧＡ便攜式系統(tǒng)采用鋰電池供電。

ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)上電后，ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器自動建立可用網(wǎng)絡(luò)并實時向ＦＰＧＡ反饋組網(wǎng)信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點上電后，自動搜索可用網(wǎng)絡(luò)，并加入到可用網(wǎng)絡(luò)中。一旦組網(wǎng)完成，終端節(jié)點便開始響應協(xié)調(diào)器周期性發(fā)送的采集數(shù)據(jù)命令。ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)送至ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)，ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和存儲，以便隨時查看和進行現(xiàn)場分析。

２ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的設(shè)計

２．１ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點硬件設(shè)計

ＣＣ２４３０模塊支持全球通用２．４ＧＨｚ頻段ＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議，集ＺｉｇＢｅｅ射頻（ＲＦ）前段、內(nèi)存和微控制器（８０５１）于一體。ＣＣ２４３０模塊根據(jù)芯片內(nèi)置閃存容量分為３個版本，即ＣＣ２４３０Ｆ３２／６４／１２８，分別對應內(nèi)置閃存３２／６４／１２８ｋＢ［１１］。本系統(tǒng)采用的是ＣＣ２４３０Ｆ１２８模塊。通過ＣＣ２４３０模塊直接驅(qū)動溫度、濕度、光照度等傳感器模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。以ＣＣ２４３０模塊為核心器件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框架如圖２所示，包括電壓為３Ｖ的鋰電池供電模塊、ＴＨＳ１１０１濕度傳感器模塊、ＯＰＴ１０１光照度傳感器模塊、ＤＳ１８Ｂ２０數(shù)字溫度傳感器模塊、ＣＣ２４３０模塊電路。

２．２ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點軟件流程

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點主要完成溫度、濕度、光照度等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和接收以及執(zhí)行來自協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)控制命令。如果當前節(jié)點作為路由節(jié)點還需要負責其他節(jié)點數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

終端節(jié)點上電后首先進行系統(tǒng)初始化，掃描有效信道，當發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)后請求加入網(wǎng)絡(luò)，所有終端節(jié)點由協(xié)調(diào)器統(tǒng)一管理。設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，即進入低功耗模式，等待協(xié)調(diào)器發(fā)送的啟動采集數(shù)據(jù)的命令。在接送到開始采集環(huán)境數(shù)據(jù)的命令后，采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，而后回傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給ＦＰＧＡ。

為了提高無線傳感器終端節(jié)點在電池供電條件下的使用時間，節(jié)約電路的電能消耗，終端節(jié)點采用低功耗模式，通過響應協(xié)調(diào)器周期性發(fā)送的采集數(shù)據(jù)命令來工作。

３ ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)

ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)由ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)和ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器組成，其中ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器負責管理網(wǎng)絡(luò)，同時又是ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)與終端節(jié)點間互相通訊的橋梁。ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)和ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器相互獨立，通過串口相互連接。ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)由一個３．２寸觸摸屏和一塊ＦＰＧＡ核心板構(gòu)成。３．２寸觸摸屏控制器采用ＳＳＤ１２８９模塊。ＦＰＧＡ核心板上帶有４個獨立按鍵、一塊８ＭＦｌａｓｈ、一塊８ＭＳＤＲＡＭ、一個ＳＤ卡插槽以及擴展Ｉ／Ｏ接口。

３．１ 基于ＮｉｏｓⅡ的ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)

ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器是采用流水線技術(shù)和哈佛結(jié)構(gòu)的通用精簡指令集計算機精簡指令集架構(gòu)（ＲＩＳＣ）處理器。其中包含一套通用外設(shè)和接口庫，可以靈活選擇或增刪，可結(jié)合ＦＰＧＡ內(nèi)部ＲＡＭ、ＲＯＭ或是加上外部的Ｆｌａｓｈ、ＳＲＡＭ來構(gòu)成一個嵌入式系統(tǒng)［１５］。該系統(tǒng)中的ＮｉｏｓⅡ設(shè)計包括ＣＰＵ、Ａｖａｌｏｎ交換總線及一些外圍設(shè)備，如ＳＤＲＡＭ控制器、ＵＡＲＴ、Ｉ／Ｏ、用戶自定義邏輯等。其中Ｉ／Ｏ接口包括觸摸屏接口（用戶自定義數(shù)字Ｉ／Ｏ）、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＳＤＣａｒｄ控制器等。ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器的配置如圖３所示。ＮｉｏｓⅡ外連接８Ｍ的ＳＤＲＡＭ、８Ｍ的Ｆｌａｓｈ以及配置芯片ＥＰＣＳ１６構(gòu)成ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)的核心。ＦＰＧＡ器件上電后自動讀取存儲在ＥＰＣＳ中的配置信息，采用軟件延時啟動模塊保證系統(tǒng)在ＦＰＧＡ正確配置以后再啟動。系統(tǒng)時鐘由板上的５０ＭＨｚ有源晶振提供，通過鎖相環(huán)倍頻和移相提供１００Ｍ的ＣＰＵ主時鐘和１００Ｍ相位差為３ｎｓ的ＳＤＲＡＭ時鐘。

３．２ 基于ＮｉｏｓⅡ的軟件設(shè)計

ＦＰＧＡ器件的硬件編程包括一個延時啟動模塊Ｒｅｓｅｔ＿Ｄｅｌａｙ、鎖相環(huán)模塊ＰＬＬ＿ＳＤＲＡＭ、ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器模塊ＣＰＵ１。ＦＰＧＡ便攜系統(tǒng)主要用于接收、存儲和查看各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。在其上電后，由ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器自動建立起可用網(wǎng)絡(luò)，其他子節(jié)點在上電時掃描可用網(wǎng)絡(luò)，并申請加入該網(wǎng)絡(luò)。ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡(luò)的管理，并把組網(wǎng)的信息發(fā)送給ＦＰＧＡ。在組網(wǎng)成功后，開始周期性的接收各終端節(jié)點發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程如圖４所示。通過３．２寸觸摸屏可以查看各節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以對網(wǎng)絡(luò)性能進行設(shè)置。

運行在ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器上的程序在ＮｉｏｓⅡＩＤＥ環(huán)境下編輯，ＮｉｏｓⅡＩＤＥ環(huán)境為其提供了完善的底層函數(shù)，其中包括可訪問外設(shè)的ＨＡＬＡＰＩ函數(shù)。系統(tǒng)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法，很大程度上減小軟件復雜度，提高軟件運行效率。

４ 系統(tǒng)試驗驗證與結(jié)果分析

４．１ 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測試驗設(shè)計

農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測試驗在華中農(nóng)業(yè)大學校內(nèi)試驗田進行。采用４Ｇ的ＳＤ卡作為數(shù)據(jù)記錄載體存儲采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。試驗田的面積為６０ｍ×４５ｍ，試驗使用的８塊無線傳感器終端節(jié)點均勻放置在試驗田中的８個不同位置。試驗時間為第一天的０８∶００到第二天０８∶００。由于試驗田的面積不大，系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，無線傳感器終端節(jié)點設(shè)置為每一個小時采集一次數(shù)據(jù)。ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)送至ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)，由ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行預處理并存儲于ＳＤ卡中。試驗中的ＦＰＧＡ便攜式主控系統(tǒng)如圖５所示。主控系統(tǒng)用鋰電池供電，觸摸式液晶屏顯示采集到的數(shù)據(jù)。

４．２ 監(jiān)測試驗結(jié)果分析

試驗時間為２０１１年４月，每次試驗進行１周。每次以２４ｈ為一個采集數(shù)據(jù)組。試驗中，每個終端節(jié)點采用鋰電池供電，主控系統(tǒng)采用大容量鋰電池，連續(xù)工作一周后，系統(tǒng)仍能正常工作。８個節(jié)點采集數(shù)據(jù)全部被ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器接收，丟包率為０。圖６為其中一次試驗中３號節(jié)點采集到的晴天和雨天數(shù)據(jù)折線圖。

由圖6可知，一個晝夜中（記錄從第一天的０８∶００到第二天的０８∶００）晴天最高氣溫為３６℃，出現(xiàn)在１３∶００左右，最低氣溫為１２℃，全天溫差為２４℃。光照度最高為５６６１２ｌｘ，在１０∶３０～１５∶３０，光照度維持在５００００ｌｘ以上。濕度范圍為１９％～８１％。雨天溫差不大，平均溫度為１６．２℃。濕度較高，范圍為７７．８％～９６．６％。光照度最大值為４７６０ｌｘ，出現(xiàn)在10∶００左右。通過查詢當?shù)貧庀缶謹?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其與當天的數(shù)據(jù)相近。

５ 小結(jié)

針對農(nóng)田環(huán)境信息獲取時存在的信息對象多、地域廣、分布雜散、數(shù)據(jù)通訊條件落后等諸多不利因素，設(shè)計了采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ＳＯＰＣ技術(shù)的便攜式農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過溫度、濕度、光照度等傳感器實時采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)；以ＣＣ２４３０模塊為終端測量節(jié)點的核心建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和匯集；采用具有ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器的ＦＰＧＡ控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理。田間試驗證明系統(tǒng)能有效地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，丟包率為０。該系統(tǒng)具有部署靈活方便、穩(wěn)定可靠、成本低、組裝維護簡單、擴展方便的特點，可以針對具體的應用環(huán)境自動獲取節(jié)點覆蓋區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，有效提高了農(nóng)作物種植環(huán)境信息管理自動化程度。

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