果園環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分析

王 越，杜海燕，趙雪輝

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，晉中 030800）

果園環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分析

王 越，杜海燕，趙雪輝

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，晉中 030800）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)果園環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，文章就果園環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從多種角度進(jìn)行分析，以尋求合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

果園環(huán)境監(jiān)測(cè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

果樹生產(chǎn)中，園區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的變化，包括果樹的生長(zhǎng)發(fā)育、生產(chǎn)管理和病蟲害信息，對(duì)于后續(xù)的管理工作的開展具有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保障。基于此，為了滿足這一需求，需要加強(qiáng)果園生態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保信息可以自動(dòng)化采集和傳輸，這對(duì)于果園生產(chǎn)管理具有深遠(yuǎn)的意義。以往的果園環(huán)境信息獲取主要是通過(guò)人工方式，這樣不僅需要耗費(fèi)大量的人力資源，而且工作效率偏低。因此，加強(qiáng)果園環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究很有必要，有助于為實(shí)際工作提供指導(dǎo)和幫助。

1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)作為核心所在，通過(guò)傳感器來(lái)采集和處理果園環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)，發(fā)揮節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)處[1]。果園環(huán)境信息的采集中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器模塊、射頻通信模塊和電源幾個(gè)部分構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是負(fù)責(zé)對(duì)果園環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集和處理，微控制器模塊則是用于節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，存儲(chǔ)其它節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)信息。

1.1 微控制器模塊

微控制器模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和處理，為了能降低電能消耗，主要是采用定時(shí)休眠和定時(shí)喚醒的工作模式。微控制器被喚醒后，系統(tǒng)的電源啟動(dòng)，讀取傳感器中收集的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行計(jì)算和處理。射頻模塊同樣是定時(shí)打開，連接基站收發(fā)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，采用MSP430F149芯片，功耗更低，將其應(yīng)用在系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的安全存儲(chǔ)和處理。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)果園環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和濕度信息數(shù)據(jù)的收集和處理，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理。其中光照強(qiáng)度單元是通過(guò)光品轉(zhuǎn)換器TSL230實(shí)現(xiàn)，此種裝置可以實(shí)現(xiàn)光源的頻率轉(zhuǎn)化，通過(guò)自動(dòng)化程序來(lái)控制靈敏度和分頻輸出。其中S0、S1是靈敏度控制端，可以通過(guò)改變芯片感光窗口面積實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏度的調(diào)整；OUT為頻率信號(hào)輸出，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的捕獲輸入，對(duì)比不同捕獲時(shí)間所得數(shù)據(jù)的差異，有針對(duì)性計(jì)算得出輸出頻率值；溫度傳感器單元，采用SHT11，可以實(shí)現(xiàn)溫度在-40～120℃之間的分辨率為14 bit數(shù)字輸出，在運(yùn)行中，要求電源供電標(biāo)準(zhǔn)在2.4～5.5 V之間，通過(guò)微處理器提供電源和時(shí)鐘信號(hào)[2]。

1.3 射頻通信模塊

射頻通信模塊在實(shí)際應(yīng)用中，可以有效降低功耗，實(shí)現(xiàn)短距離之間的信息傳輸，同其它無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

1.4 電源模塊

為各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能量支持，盡可能選擇容量大的電池，提供可靠的電源支持。

2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)工作流程

傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸要求遵循相應(yīng)的無(wú)線傳輸協(xié)議，系統(tǒng)基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸中，首先應(yīng)該初始化，將系統(tǒng)調(diào)整到低功耗模式，在接收傳感器數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，喚醒網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，在特定時(shí)間內(nèi)，將數(shù)據(jù)傳輸出去后再回到低功耗運(yùn)行模式，降低電能消耗。

2.2 無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

通過(guò)建立IAR Workbench V3.1平臺(tái)，對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程。無(wú)線傳輸軟件設(shè)計(jì)中，包括初始化程序、管腳模擬程序和數(shù)據(jù)收發(fā)程序[3]。收發(fā)模式下，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的FIFO，促使數(shù)據(jù)可以低速送入，借助nRF2401高速發(fā)送，這樣可以有效降低電能消耗；射頻協(xié)議則是由內(nèi)部芯片處理，有助于為后續(xù)的程序開發(fā)提供便捷和支持；nRF2401自動(dòng)處理數(shù)據(jù)幀頭和CRC校驗(yàn)碼，在數(shù)據(jù)接收過(guò)程中，自動(dòng)移去，而發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，同樣自動(dòng)化將數(shù)據(jù)幀頭和CRC校驗(yàn)碼加入其中。如果單片機(jī)需要傳輸數(shù)據(jù)，首先需要將CE置高，促使nRF2401自動(dòng)化調(diào)整為數(shù)據(jù)發(fā)送模式，單片機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)的地質(zhì)輸入FIFO中[4]。

Shock Burst TM的數(shù)據(jù)接收中，通過(guò)DR1、CE、CLK1和DATA實(shí)現(xiàn)，在nRF2401模式下，可以通過(guò)無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。單片機(jī)置高CE，調(diào)整到數(shù)據(jù)接收模式；nRF2401進(jìn)入監(jiān)視模式，等待數(shù)據(jù)接收；數(shù)據(jù)接收正確，自動(dòng)去除數(shù)據(jù)幀的頭和CRC校驗(yàn)碼；nRF2401置高DR1，發(fā)出數(shù)據(jù)接收的信號(hào)；從nRF2401讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后將DR1置低。

3 結(jié)論

綜上所述，在果園環(huán)境監(jiān)測(cè)中，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)果園環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，可以有效降低人力資源浪費(fèi)，提升數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量，為果園的生產(chǎn)管理提供參考依據(jù)。

[1] 劉燕德，趙文星，周衍華，等．基于果園環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)．電子設(shè)計(jì)工程，2013，26（17）：27～29+33

[2] 陳莉．基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)．上海交通大學(xué)，2014

[3] 呂陽(yáng)．基于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．電子科技大學(xué)，2015

[4] 黃麗燕，肖江．花卉基地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，21（05）：15～16