基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張釗+李瑋+辛?xí)云?/p>

摘 要： 針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件中的射頻模塊、系統(tǒng)感知模塊、能量模塊以及系統(tǒng)處理模塊進(jìn)行設(shè)計與選型，并采用直接序列的擴(kuò)頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)短距離的無線監(jiān)測；在節(jié)點(diǎn)初始位置中添加相應(yīng)的傳感器軟件，使代碼能夠有效整合到系統(tǒng)之中。經(jīng)過分析不同字節(jié)的意義，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行修改，并將寄存器數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為真實(shí)數(shù)據(jù)值，方便客戶查看。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的合理性，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、速度快、時間短等優(yōu)勢，有利于牧區(qū)的生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 草原氣象； 自動監(jiān)測； ZigBee技術(shù)

中圖分類號： TN915?34； TP393. 07 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0015?03

Abstract： For the automatic monitoring system of grassland weather， the design and model selection are performed for the RF module， system perception module， energy module and system processing module of the system hardware. The spread spectrum technology of direct sequence is used to realize the short?distance wireless monitoring for the modules. The corresponding sensor software is added into the initial position of the node to integrate the code into the system effectively. By analyzing the meaning of different bytes， the data transfer protocol is modified and the register data value is converted into the real data value for customer convenient viewing. The rationality of the system is verified with experiment， and the experimental conclusion is obtained. The experimental results show that the system has the advantages of accurate monitoring， fast monitoring speed and short time， and benefits the production of pasturing area.

Keywords： wireless sensor network； grassland weather； automatic monitoring； ZigBee technology

0 引 言

近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，畜牧業(yè)的進(jìn)程不斷加快。為了提高利益，人們對自然環(huán)境資源的合理利用越來越重視。尤其草原在人類的生活中占據(jù)著重要地位，比如，保持水土、維持生態(tài)平衡等，但是更重要的是保護(hù)自然環(huán)境，隨時關(guān)注氣象變化情況，確保生物生存安全，維持草原的可持續(xù)發(fā)展。

針對傳統(tǒng)自動監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、魯棒性差、速度慢等問題，無法達(dá)到草原氣象監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，降低了社會的經(jīng)濟(jì)效益，本文提出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)。針對系統(tǒng)硬件中的射頻模塊、系統(tǒng)感知模塊、能量模塊以及系統(tǒng)處理模塊進(jìn)行設(shè)計與選型，并采用直接序列的擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離的無線監(jiān)測。在節(jié)點(diǎn)初始位置中添加相應(yīng)的傳感器軟件，使代碼能夠有效整合到系統(tǒng)之中。經(jīng)過分析不同字節(jié)的意義，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行修改，并將寄存器數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為真實(shí)數(shù)據(jù)值，方便客戶查看。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的合理性，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、速度快、時間短等優(yōu)勢，有利于牧區(qū)的生產(chǎn)。

1 自動監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，其中主要有星型結(jié)構(gòu)與多級樹結(jié)構(gòu)，為了構(gòu)造良好的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)充分考慮多級樹形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是物理范圍覆蓋面較廣，容納的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多，還可延長傳感器節(jié)點(diǎn)與各個協(xié)調(diào)器之間的通信距離，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的攜帶負(fù)載能力[1]。該系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹狀結(jié)構(gòu)是由協(xié)調(diào)器、節(jié)點(diǎn)以及路由器組成的，不同路由器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)都攜帶傳感器，而協(xié)調(diào)器需要通過串口與無線服務(wù)設(shè)備進(jìn)行連接，并將收集的信息發(fā)送給無線服務(wù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測的目的。為了降低整個網(wǎng)絡(luò)的消耗，需要延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命，該系統(tǒng)使用定時喚醒模式，按照用戶的需求定時喚醒各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，剩下的時間該系統(tǒng)處于休眠模式?？紤]實(shí)際應(yīng)用功能，設(shè)計系統(tǒng)的模擬分布圖，如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與選型

針對系統(tǒng)各個模塊硬件進(jìn)行設(shè)計與選型，主要有無線服務(wù)硬件選擇和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計與選型。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件主要包括射頻模塊、系統(tǒng)感知模塊、能量模塊及系統(tǒng)處理模塊，能量模塊選擇型號為CC2430，射頻模塊支持2.4 GHz的ZigBee協(xié)議，該芯片尺寸為6 mm×6 mm，集合了運(yùn)算、加密、存儲以及無線接收的各種功能[2]，且接口方便、性能比較可靠。該芯片能解決傳統(tǒng)監(jiān)測功能消耗高、成本花費(fèi)大等問題，用該芯片具有以下優(yōu)勢：

（1） CC2430芯片上系統(tǒng)功能模塊集成了CC2420RF型號的收發(fā)器，增強(qiáng)了型號為[8051]的微控制單元，大大提高了數(shù)據(jù)處理速度[3]。endprint

（2） 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)電流消耗較小。正常工作電流消耗功率小于25 mA，處于休眠時電流消耗為0.8 μA，待機(jī)時刻電流消耗[4]小于0.5 μA。

（3） 時延較短。該系統(tǒng)從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)僅需15 ms，將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化并接入到網(wǎng)絡(luò)的時間僅僅為30 ms。

（4） 代碼較短。對該系統(tǒng)設(shè)計的8位微型控制進(jìn)行測量與計算，整個系統(tǒng)功能的節(jié)點(diǎn)只有32 KB的代碼，而子功能節(jié)點(diǎn)至少為4 KB的代碼。

型號為CC2430的高頻率部分需要采用直接序列的擴(kuò)頻技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)不僅能夠?yàn)檐娛掠?xùn)練天氣監(jiān)測提供更加安全的保障，還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的無線監(jiān)測，并且提高無線監(jiān)測的可靠性[5]。

1.2 無線模塊軟件部分設(shè)計

1.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信是一種應(yīng)用非常廣闊的技術(shù)，根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求也不同，在該系統(tǒng)中添加傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)資源是非常有限的，需要設(shè)計優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高自動檢測效率，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性與動態(tài)性。

在節(jié)點(diǎn)初始位置中添加相應(yīng)的傳感器軟件，并在程序編譯的過程中，使用make工具進(jìn)行編譯[6]。用戶需要對目錄中的文件做出修改，使得代碼能夠有效整合到系統(tǒng)之中，具體操作如圖2所示。

不同節(jié)點(diǎn)需要先確定好隨機(jī)延時的時間，進(jìn)入等待狀態(tài)，如果時間達(dá)到，節(jié)點(diǎn)就會發(fā)送入網(wǎng)請求，隨后監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)是否存在發(fā)送間隔包信號，即完成協(xié)調(diào)器自動監(jiān)測。由于選擇的數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性，進(jìn)而導(dǎo)致時間延長，發(fā)生碰撞，因此需要規(guī)定監(jiān)測的上限。如果節(jié)點(diǎn)沒有接收到間隔包[7]發(fā)送的信號，那么需要重復(fù)第一次申請，等待間隔包響應(yīng)；如果重復(fù)的次數(shù)已經(jīng)達(dá)到了假設(shè)的上限，節(jié)點(diǎn)沒有接收到信號，那么該區(qū)域就不會存在網(wǎng)絡(luò)；如果達(dá)到規(guī)定的上限，那么節(jié)點(diǎn)就會收到信號，確定網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在，即完成入網(wǎng)的過程。

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議修改

將ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建之后，需要對各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳送到協(xié)調(diào)器上，在這期間需要有固定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，方便協(xié)調(diào)器能夠區(qū)分節(jié)點(diǎn)傳來的方向和物理信息種類[8]。當(dāng)組建的網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，網(wǎng)絡(luò)中會存在多個協(xié)調(diào)器，為此需要在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議中對每一個協(xié)調(diào)器、終端的節(jié)點(diǎn)和傳感器進(jìn)行設(shè)置，首先對原始的數(shù)據(jù)傳輸格式進(jìn)行分析。將協(xié)調(diào)器直接與主機(jī)串口連接，通過串口助手，采集未經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)：[2820350E000100000400010011301D81B15037854，]經(jīng)過分析不同字節(jié)的意義，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行修改，見表1。

1.2.3 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)不同傳感器結(jié)構(gòu)，對輸入與輸出的特性與性能進(jìn)行分析，降低電路板統(tǒng)一設(shè)計的難度。串口顯示出的寄存器與主機(jī)所表示的變量轉(zhuǎn)換關(guān)系并不相同，因此需要針對不同傳感器特性，將寄存器數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為真實(shí)的數(shù)據(jù)值，方便客戶查看。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計的合理性進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。根據(jù)對草原溫度和濕度數(shù)據(jù)的分析，將土壤溫度、水分和空氣的溫度變化情況作為標(biāo)準(zhǔn)，分析草地土壤中的氮磷鉀含量，確定pH值；還要分析牧草生長情況，確定草原氣象合理承載能力的評估。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

合理推算草原放牧季節(jié)，將系統(tǒng)中物理信息之間的影響關(guān)系通過歷史數(shù)據(jù)和曲線查詢計算出兩者之間的影響關(guān)系，進(jìn)而確定草原不同季節(jié)氣象情況。以草原空氣溫度數(shù)據(jù)為例，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，見表2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照時間段可對各個區(qū)域監(jiān)測的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，根據(jù)草原氣象特征，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)不會有較大變化，但是空氣中的濕度、風(fēng)速變化較大，因此按照實(shí)際需求對數(shù)據(jù)各個信息的變化特征進(jìn)行統(tǒng)計，為此設(shè)計了三種頻率，按照年、月、日對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測與分析。由表1可知，草原氣象監(jiān)測結(jié)果顯示出時間范圍內(nèi)的平均值、最大值與最小值，根據(jù)該結(jié)果繪制柱狀圖，使數(shù)據(jù)對比更加明顯，方便用戶讀取。

由圖3可知，該監(jiān)測系統(tǒng)通過柱狀圖能使用戶直觀地獲取草原氣象空氣濕度情況，進(jìn)而掌握草原區(qū)氣候。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)能使用戶直觀地獲取草原氣象空氣濕度情況，進(jìn)而更便捷地掌握草原區(qū)的氣候狀況和動態(tài)；傳統(tǒng)系統(tǒng)自動監(jiān)測的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與實(shí)際草原土壤水分存在較大的偏差，而基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)與實(shí)際值相比誤差較小，該系統(tǒng)具有監(jiān)測精確、速度快、時間短等優(yōu)勢，適合草原氣象的自動監(jiān)測。

3 結(jié) 語

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，畜牧業(yè)需求不斷增加，隨著草原地區(qū)環(huán)境保護(hù)意識的提高，草原氣象自動監(jiān)測逐漸成為科研工作關(guān)注的焦點(diǎn)?；赯igBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的草原氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋了硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和無線遠(yuǎn)程服務(wù)，經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得出：該系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對草原氣象的精準(zhǔn)監(jiān)測，魯棒性較強(qiáng)，具有可移植性，在草原生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和管理中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)測、遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)字草原的發(fā)展目標(biāo)有重要作用。

注：本文通訊作者為辛?xí)云健?/p>

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