基于UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

洪鋒　劉茹茹

摘要：如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蔬菜針對(duì)不同品種蔬菜，對(duì)環(huán)境的要求不同，濕度，溫度以及二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度都不盡相同，該文提出基于UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在大棚蔬菜里面部署不同的傳感器，來(lái)滿足不同蔬菜的營(yíng)養(yǎng)、光照、濕度的需求，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室作物生長(zhǎng)的各種環(huán)境參數(shù)的控制，達(dá)到現(xiàn)代化管理、精準(zhǔn)化作業(yè)和獲取更高效益的目的。

關(guān)鍵詞：UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）16-3741-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)一區(qū)域內(nèi)事件中，通過(guò)大量布置監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行檢測(cè)，處理。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定時(shí)期內(nèi)，被檢測(cè)對(duì)象采集數(shù)據(jù)，然后采用UWB技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制目的，UWB技術(shù)成本低，功耗少，數(shù)據(jù)傳輸速度好，安全性高，現(xiàn)在應(yīng)用的其他無(wú)線技術(shù)主要有Zigbee，藍(lán)牙，Wi-Fi技術(shù)，超寬帶等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而與其他技術(shù)比較UWB顯示了其極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，收到廣泛的關(guān)注和研究。

本系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度，二氧化碳濃度，空氣濕度，土壤濕度，光照強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取和分析處理，通過(guò)UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸，UWB設(shè)備在電池使用壽命山河電磁輻射有很大的優(yōu)越性。最后根據(jù)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到現(xiàn)代管理，精準(zhǔn)作業(yè)和獲取最大效益化的目的。

1 UWB主要技術(shù)

1.1 UWB技術(shù)框架

UWB（Ultra wideband）無(wú)線通信是一種不用載波，采用時(shí)間間隔極短的脈沖進(jìn)行通信，并且只有在需要發(fā)送的時(shí)候，才會(huì)工作，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高，發(fā)送功率小，針對(duì)大棚蔬菜對(duì)各種環(huán)境要求的不同，設(shè)置不同的傳感器，主要有：二氧化碳濃度、空氣濕度、，空氣溫度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器采集以后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)，以頻射的方式穿透塑料薄膜或者墻體，該文不考慮頻射的穿透能力，根據(jù)反饋信息設(shè)置相應(yīng)的溫度，濕度，光照強(qiáng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)的模型如圖1所示。

1.2 UWB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)環(huán)境中溫度、濕度和光強(qiáng)度以及各種數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的主要硬件結(jié)構(gòu)主要由采集結(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)終端組成，如圖2所示。采集終端節(jié)點(diǎn)主要是用來(lái)對(duì)環(huán)境中的監(jiān)測(cè)參量數(shù)據(jù)如二氧化碳濃度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚結(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）；路由節(jié)點(diǎn)承擔(dān)兩部分工作一方面采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸；另一方面對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要功能是接收采集結(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)的各路數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，同時(shí)將上位機(jī)終端的命令信息傳送給各種采集結(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，主要是作為上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的耦合橋梁；上位機(jī)是用來(lái)顯示采集的數(shù)據(jù)信息，并能發(fā)送指令控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由結(jié)點(diǎn)的工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)匯聚接收器節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）、許多傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、工作站和數(shù)據(jù)庫(kù)組成溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)共同組成了收集信息的重要節(jié)點(diǎn)。在這種傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)部署在溫室，它可以采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和通過(guò)多跳方式傳送數(shù)據(jù)到接收器節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）。

當(dāng)傳感器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如溫室溫度、土壤溫度、露點(diǎn)、濕度和光照強(qiáng)度，這些數(shù)據(jù)將提供給A/D 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)量化和編碼成為數(shù)字信號(hào)，它能通過(guò)無(wú)線傳感器通信節(jié)點(diǎn)傳送。每個(gè)無(wú)線傳感器通信節(jié)點(diǎn)有傳送和接收的能力，通信方式主要采用UWB技術(shù)。匯集器節(jié)點(diǎn)完成了數(shù)據(jù)分析和貯存的任務(wù)，并傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。在監(jiān)控室里通過(guò)運(yùn)行溫室管理軟件，接收器節(jié)點(diǎn)可以定期收到來(lái)自無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和在監(jiān)視器上顯示這些數(shù)據(jù)，圖3是無(wú)線傳感器的軟件的工作示意圖。

2.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位是各類節(jié)點(diǎn)。大量密切相關(guān)的具有相應(yīng)應(yīng)用要求的節(jié)點(diǎn)組成了硬件平臺(tái)。因此，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)最重要的工作是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，合理的硬件設(shè)計(jì)可以完美執(zhí)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳送和監(jiān)測(cè)功能，并體現(xiàn)UWB 的技術(shù)特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

圖4顯示了本系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集周圍環(huán)境的溫度和光照值以及二氧化碳的數(shù)值，并利用UWB技術(shù)無(wú)線的方式進(jìn)行傳輸，且通過(guò)匯聚結(jié)點(diǎn)的處理能在顯示屏和服務(wù)器上顯示采集到的參量和相應(yīng)數(shù)值，最終通過(guò)上位機(jī)來(lái)對(duì)搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，達(dá)到控制溫室相關(guān)濕度、濃度。如果采集到的環(huán)境參數(shù)，如，溫度、光照以及無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度不滿足系統(tǒng)要求時(shí)（溫度過(guò)高或信號(hào)強(qiáng)度太差等），系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)顯示屏上會(huì)顯示相應(yīng)的參量，以供用戶根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需求進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。

3 結(jié)論

本文將UWB技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境信息監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤濕度、濕度及光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，表明了該系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，但是本系統(tǒng)在信號(hào)采集的傳輸距離上面還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李群，陳向堅(jiān)，姜宇.基于ZigBee和SPI總線技術(shù)的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2008，26（18）：1-9.

[2] 回楠木，喬曉軍，王成.ZigBee無(wú)線農(nóng)田采集控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008，10（2）：1-10.

[3] 吳鍵，袁慎芳，殷悅，等.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究 [J].測(cè)控技術(shù)，2008，19（5）：15-18.

[4] 黃金科，王興華，向新.一種基于WI-FI的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（8）：95-97.

[5] 徐顯榮，高清維，李中一.一種用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（7）：98-100.

[6] 許東，操文元，孫茜.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S2）17-20.

[7] 李莉，李海霞，劉卉.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（增刊）.endprint

摘要：如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蔬菜針對(duì)不同品種蔬菜，對(duì)環(huán)境的要求不同，濕度，溫度以及二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度都不盡相同，該文提出基于UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在大棚蔬菜里面部署不同的傳感器，來(lái)滿足不同蔬菜的營(yíng)養(yǎng)、光照、濕度的需求，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室作物生長(zhǎng)的各種環(huán)境參數(shù)的控制，達(dá)到現(xiàn)代化管理、精準(zhǔn)化作業(yè)和獲取更高效益的目的。

關(guān)鍵詞：UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）16-3741-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)一區(qū)域內(nèi)事件中，通過(guò)大量布置監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行檢測(cè)，處理。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定時(shí)期內(nèi)，被檢測(cè)對(duì)象采集數(shù)據(jù)，然后采用UWB技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制目的，UWB技術(shù)成本低，功耗少，數(shù)據(jù)傳輸速度好，安全性高，現(xiàn)在應(yīng)用的其他無(wú)線技術(shù)主要有Zigbee，藍(lán)牙，Wi-Fi技術(shù)，超寬帶等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而與其他技術(shù)比較UWB顯示了其極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，收到廣泛的關(guān)注和研究。

本系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度，二氧化碳濃度，空氣濕度，土壤濕度，光照強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取和分析處理，通過(guò)UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸，UWB設(shè)備在電池使用壽命山河電磁輻射有很大的優(yōu)越性。最后根據(jù)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到現(xiàn)代管理，精準(zhǔn)作業(yè)和獲取最大效益化的目的。

1 UWB主要技術(shù)

1.1 UWB技術(shù)框架

UWB（Ultra wideband）無(wú)線通信是一種不用載波，采用時(shí)間間隔極短的脈沖進(jìn)行通信，并且只有在需要發(fā)送的時(shí)候，才會(huì)工作，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高，發(fā)送功率小，針對(duì)大棚蔬菜對(duì)各種環(huán)境要求的不同，設(shè)置不同的傳感器，主要有：二氧化碳濃度、空氣濕度、，空氣溫度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器采集以后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)，以頻射的方式穿透塑料薄膜或者墻體，該文不考慮頻射的穿透能力，根據(jù)反饋信息設(shè)置相應(yīng)的溫度，濕度，光照強(qiáng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)的模型如圖1所示。

1.2 UWB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)環(huán)境中溫度、濕度和光強(qiáng)度以及各種數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的主要硬件結(jié)構(gòu)主要由采集結(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)終端組成，如圖2所示。采集終端節(jié)點(diǎn)主要是用來(lái)對(duì)環(huán)境中的監(jiān)測(cè)參量數(shù)據(jù)如二氧化碳濃度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚結(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）；路由節(jié)點(diǎn)承擔(dān)兩部分工作一方面采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸；另一方面對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要功能是接收采集結(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)的各路數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，同時(shí)將上位機(jī)終端的命令信息傳送給各種采集結(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，主要是作為上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的耦合橋梁；上位機(jī)是用來(lái)顯示采集的數(shù)據(jù)信息，并能發(fā)送指令控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由結(jié)點(diǎn)的工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)匯聚接收器節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）、許多傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、工作站和數(shù)據(jù)庫(kù)組成溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)共同組成了收集信息的重要節(jié)點(diǎn)。在這種傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)部署在溫室，它可以采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和通過(guò)多跳方式傳送數(shù)據(jù)到接收器節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）。

當(dāng)傳感器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如溫室溫度、土壤溫度、露點(diǎn)、濕度和光照強(qiáng)度，這些數(shù)據(jù)將提供給A/D 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)量化和編碼成為數(shù)字信號(hào)，它能通過(guò)無(wú)線傳感器通信節(jié)點(diǎn)傳送。每個(gè)無(wú)線傳感器通信節(jié)點(diǎn)有傳送和接收的能力，通信方式主要采用UWB技術(shù)。匯集器節(jié)點(diǎn)完成了數(shù)據(jù)分析和貯存的任務(wù)，并傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。在監(jiān)控室里通過(guò)運(yùn)行溫室管理軟件，接收器節(jié)點(diǎn)可以定期收到來(lái)自無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和在監(jiān)視器上顯示這些數(shù)據(jù)，圖3是無(wú)線傳感器的軟件的工作示意圖。

2.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位是各類節(jié)點(diǎn)。大量密切相關(guān)的具有相應(yīng)應(yīng)用要求的節(jié)點(diǎn)組成了硬件平臺(tái)。因此，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)最重要的工作是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，合理的硬件設(shè)計(jì)可以完美執(zhí)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳送和監(jiān)測(cè)功能，并體現(xiàn)UWB 的技術(shù)特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

圖4顯示了本系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集周圍環(huán)境的溫度和光照值以及二氧化碳的數(shù)值，并利用UWB技術(shù)無(wú)線的方式進(jìn)行傳輸，且通過(guò)匯聚結(jié)點(diǎn)的處理能在顯示屏和服務(wù)器上顯示采集到的參量和相應(yīng)數(shù)值，最終通過(guò)上位機(jī)來(lái)對(duì)搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，達(dá)到控制溫室相關(guān)濕度、濃度。如果采集到的環(huán)境參數(shù)，如，溫度、光照以及無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度不滿足系統(tǒng)要求時(shí)（溫度過(guò)高或信號(hào)強(qiáng)度太差等），系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)顯示屏上會(huì)顯示相應(yīng)的參量，以供用戶根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需求進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。

3 結(jié)論

本文將UWB技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境信息監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤濕度、濕度及光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，表明了該系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，但是本系統(tǒng)在信號(hào)采集的傳輸距離上面還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李群，陳向堅(jiān)，姜宇.基于ZigBee和SPI總線技術(shù)的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2008，26（18）：1-9.

[2] 回楠木，喬曉軍，王成.ZigBee無(wú)線農(nóng)田采集控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008，10（2）：1-10.

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[4] 黃金科，王興華，向新.一種基于WI-FI的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（8）：95-97.

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[6] 許東，操文元，孫茜.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S2）17-20.

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摘要：如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蔬菜針對(duì)不同品種蔬菜，對(duì)環(huán)境的要求不同，濕度，溫度以及二氧化碳濃度，光照強(qiáng)度都不盡相同，該文提出基于UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在大棚蔬菜里面部署不同的傳感器，來(lái)滿足不同蔬菜的營(yíng)養(yǎng)、光照、濕度的需求，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室作物生長(zhǎng)的各種環(huán)境參數(shù)的控制，達(dá)到現(xiàn)代化管理、精準(zhǔn)化作業(yè)和獲取更高效益的目的。

關(guān)鍵詞：UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）16-3741-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)一區(qū)域內(nèi)事件中，通過(guò)大量布置監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行檢測(cè)，處理。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定時(shí)期內(nèi)，被檢測(cè)對(duì)象采集數(shù)據(jù)，然后采用UWB技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制目的，UWB技術(shù)成本低，功耗少，數(shù)據(jù)傳輸速度好，安全性高，現(xiàn)在應(yīng)用的其他無(wú)線技術(shù)主要有Zigbee，藍(lán)牙，Wi-Fi技術(shù)，超寬帶等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而與其他技術(shù)比較UWB顯示了其極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，收到廣泛的關(guān)注和研究。

本系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度，二氧化碳濃度，空氣濕度，土壤濕度，光照強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取和分析處理，通過(guò)UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸，UWB設(shè)備在電池使用壽命山河電磁輻射有很大的優(yōu)越性。最后根據(jù)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到現(xiàn)代管理，精準(zhǔn)作業(yè)和獲取最大效益化的目的。

1 UWB主要技術(shù)

1.1 UWB技術(shù)框架

UWB（Ultra wideband）無(wú)線通信是一種不用載波，采用時(shí)間間隔極短的脈沖進(jìn)行通信，并且只有在需要發(fā)送的時(shí)候，才會(huì)工作，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高，發(fā)送功率小，針對(duì)大棚蔬菜對(duì)各種環(huán)境要求的不同，設(shè)置不同的傳感器，主要有：二氧化碳濃度、空氣濕度、，空氣溫度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器采集以后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)，以頻射的方式穿透塑料薄膜或者墻體，該文不考慮頻射的穿透能力，根據(jù)反饋信息設(shè)置相應(yīng)的溫度，濕度，光照強(qiáng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)的模型如圖1所示。

1.2 UWB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)環(huán)境中溫度、濕度和光強(qiáng)度以及各種數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的UWB無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)的主要硬件結(jié)構(gòu)主要由采集結(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)終端組成，如圖2所示。采集終端節(jié)點(diǎn)主要是用來(lái)對(duì)環(huán)境中的監(jiān)測(cè)參量數(shù)據(jù)如二氧化碳濃度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚結(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）；路由節(jié)點(diǎn)承擔(dān)兩部分工作一方面采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸；另一方面對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要功能是接收采集結(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)的各路數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，同時(shí)將上位機(jī)終端的命令信息傳送給各種采集結(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，主要是作為上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的耦合橋梁；上位機(jī)是用來(lái)顯示采集的數(shù)據(jù)信息，并能發(fā)送指令控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由結(jié)點(diǎn)的工作。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)匯聚接收器節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）、許多傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、工作站和數(shù)據(jù)庫(kù)組成溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)共同組成了收集信息的重要節(jié)點(diǎn)。在這種傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)部署在溫室，它可以采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和通過(guò)多跳方式傳送數(shù)據(jù)到接收器節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）。

當(dāng)傳感器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如溫室溫度、土壤溫度、露點(diǎn)、濕度和光照強(qiáng)度，這些數(shù)據(jù)將提供給A/D 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)量化和編碼成為數(shù)字信號(hào)，它能通過(guò)無(wú)線傳感器通信節(jié)點(diǎn)傳送。每個(gè)無(wú)線傳感器通信節(jié)點(diǎn)有傳送和接收的能力，通信方式主要采用UWB技術(shù)。匯集器節(jié)點(diǎn)完成了數(shù)據(jù)分析和貯存的任務(wù)，并傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。在監(jiān)控室里通過(guò)運(yùn)行溫室管理軟件，接收器節(jié)點(diǎn)可以定期收到來(lái)自無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和在監(jiān)視器上顯示這些數(shù)據(jù)，圖3是無(wú)線傳感器的軟件的工作示意圖。

2.2節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位是各類節(jié)點(diǎn)。大量密切相關(guān)的具有相應(yīng)應(yīng)用要求的節(jié)點(diǎn)組成了硬件平臺(tái)。因此，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)最重要的工作是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，合理的硬件設(shè)計(jì)可以完美執(zhí)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳送和監(jiān)測(cè)功能，并體現(xiàn)UWB 的技術(shù)特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

圖4顯示了本系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集周圍環(huán)境的溫度和光照值以及二氧化碳的數(shù)值，并利用UWB技術(shù)無(wú)線的方式進(jìn)行傳輸，且通過(guò)匯聚結(jié)點(diǎn)的處理能在顯示屏和服務(wù)器上顯示采集到的參量和相應(yīng)數(shù)值，最終通過(guò)上位機(jī)來(lái)對(duì)搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，達(dá)到控制溫室相關(guān)濕度、濃度。如果采集到的環(huán)境參數(shù)，如，溫度、光照以及無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度不滿足系統(tǒng)要求時(shí)（溫度過(guò)高或信號(hào)強(qiáng)度太差等），系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)顯示屏上會(huì)顯示相應(yīng)的參量，以供用戶根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需求進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。

3 結(jié)論

本文將UWB技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境信息監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤濕度、濕度及光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，表明了該系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，但是本系統(tǒng)在信號(hào)采集的傳輸距離上面還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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