基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊方

摘要：針對(duì)農(nóng)田環(huán)境狀況復(fù)雜、監(jiān)測(cè)難度大等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)后，通過ＺｉｇBｅｅ技術(shù)發(fā)送到控制中心，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，使農(nóng)田管理者能精確直觀地控制農(nóng)作物種植過程中的關(guān)鍵參數(shù)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田環(huán)境參數(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)；實(shí)時(shí)監(jiān)控；ＺｉｇＢｅｅ

中圖分類號(hào)：Ｓ１２６文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ＹＡＮＧ Ｆａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｕｎｙｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｚｕｎｙｉ ５６３００２， Ｇｕｉｚｈｏｕ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ waｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ，a ｆａｒｍｌａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅd ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｔｈｅ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｅｎｄ ｔｈｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ＺｉｇBｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｆａｒｍ ｍａｎａｇｅｒｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｅｃｉｓｅly ａｎｄ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅly ｃｏｎｔｒｏｌ the ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｒｏｐ ｐｌａｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ； ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ＺｉｇＢｅｅ

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到溫度、濕度、水分等多種農(nóng)田環(huán)境因素的影響。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中引入現(xiàn)代信息技術(shù)，可以準(zhǔn)確、高效地收集農(nóng)田信息，對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量具有重要意義。

針對(duì)農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)難度大等特點(diǎn)，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活而強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，設(shè)計(jì)了基于ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶終端等組成［１］，利用安裝在被監(jiān)測(cè)區(qū)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)后，通過ＺｉｇBｅｅ技術(shù)發(fā)送到控制中心，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，使農(nóng)田管理者能精確直觀地控制農(nóng)作物種植過程中的空氣溫度、相對(duì)濕度、ＣＯ２含量、水位等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能有著很好的實(shí)用價(jià)值［２］。

１農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ＺｉｇＢｅｅ技術(shù)是一種短距離、低速率的無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建中。與其他無線通信技術(shù)相比，ＺｉｇＢｅｅ具有網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、架構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、可靠性高、組網(wǎng)能力強(qiáng)和安全等優(yōu)點(diǎn)［３，４］；ＺｉｇＢｅｅ由終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和路由器構(gòu)成。終端設(shè)備是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，將其按一定規(guī)律安裝在農(nóng)田里，配備低功耗的微處理器，監(jiān)測(cè)空氣溫度、相對(duì)濕度、ＣＯ２含量、水位、雨量、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、土壤含水量等參數(shù)。一定區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，這些節(jié)點(diǎn)又分為簇首和普通節(jié)點(diǎn)。簇首主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合及轉(zhuǎn)發(fā)，能把簇中普通節(jié)點(diǎn)采集到的信息發(fā)送到上級(jí)的協(xié)調(diào)器，也能把協(xié)調(diào)器接收的信息在簇內(nèi)進(jìn)行傳播；普通節(jié)點(diǎn)只能與本簇的簇首交換信息。協(xié)調(diào)器把監(jiān)測(cè)到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)通過ＧＰＲＳ把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。ＺｉｇＢｅｅ網(wǎng)絡(luò)主要有網(wǎng)狀和星狀，星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是覆蓋能力差，且只要簇首出現(xiàn)故障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就癱瘓；網(wǎng)狀拓?fù)涓采w能力強(qiáng)、可靠性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜［５］。農(nóng)田區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，存在很多不利因素，為提高ＺｉｇＢｅｅ的精確性，該設(shè)計(jì)采用星狀—簇首—路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［６］（圖１）。

２功能模塊設(shè)計(jì)

２．１硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

１）傳感器節(jié)點(diǎn)。ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊組成（圖２）。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由空氣溫度、相對(duì)濕度、ＣＯ２含量、水位、雨量、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、土壤含水量傳感器以及Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)以上參數(shù)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集模塊獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)；無線通信模塊主要是和簇首或協(xié)調(diào)器交換信息；電源模塊向系統(tǒng)提供能量；傳感器節(jié)點(diǎn)多選用低功耗器件，而且節(jié)點(diǎn)大多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，所以電源模塊可使用干電池。簇首節(jié)點(diǎn)因?yàn)轭l繁發(fā)送數(shù)據(jù)耗費(fèi)能量多，可使用光電池供電。

２）網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的任務(wù)是把傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)由ＺｉｇＢｅｅ網(wǎng)絡(luò)通過ＧＰＲＳ發(fā)送到監(jiān)控中心及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。網(wǎng)關(guān)由電源模塊、存儲(chǔ)模塊、控制模塊、射頻模塊以及相關(guān)Ｉ/Ｏ接口組成（圖３）。

網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理的工作量較大，因此采用ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１微處理器。該處理器具有高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。射頻收發(fā)模塊使用ＣＣ２５３０，主要任務(wù)是和ＺｉｇＢｅｅ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸［７］。ＧＰＲＳ無線通信模塊使用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的Ｇ２０產(chǎn)品，通過ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

２．２系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采取休眠－喚醒的工作方式能夠達(dá)到節(jié)能的目的。節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)接收到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，就被喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)工作［８］，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作流程如圖４。系統(tǒng)開啟后進(jìn)行參數(shù)設(shè)定等初始化工作。ＺｉｇＢｅｅ協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是網(wǎng)絡(luò)組建，所有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。監(jiān)控中心通過ＧＰＲＳ向ＺｉｇＢｅｅ網(wǎng)關(guān)發(fā)出信息采集的指令后，協(xié)調(diào)器對(duì)它所屬的簇進(jìn)行廣播喚醒簇首，簇首對(duì)該簇節(jié)點(diǎn)廣播喚醒休眠節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后傳送到簇首，然后處理反饋給網(wǎng)關(guān)；最后網(wǎng)關(guān)再利用ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心［９］。

３小結(jié)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能把環(huán)境中所需的各種信息匯集起來進(jìn)行智能處理，已成為研究熱點(diǎn)。研究針對(duì)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集量大等特點(diǎn)，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采取星狀－簇首－路由的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到使用壽命長(zhǎng)和數(shù)據(jù)傳輸效率高等目的，具有靈活性大和針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)使用了低功耗、低成本的ＣＣ２５３０芯片，在通電困難的環(huán)境中使用該設(shè)計(jì)具有很好的實(shí)用性。該系統(tǒng)可以最大程度地對(duì)農(nóng)田環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的有效途徑。下一步將對(duì)系統(tǒng)功能擴(kuò)展、路由改進(jìn)和數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)一步優(yōu)化，期望能對(duì)更多的環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)測(cè)與控制。

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