基于WSN的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

　　摘要:準(zhǔn)確和實(shí)時的獲取農(nóng)作物生長的環(huán)境信息是實(shí)施和推進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基本前提。在對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)充分研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)，提出了三層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，詳述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及數(shù)據(jù)傳輸過程，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)程實(shí)時交互。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測農(nóng)作物周圍的溫濕度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測提供了一種有效的解決方案。

　　關(guān)鍵詞:精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);遠(yuǎn)程交互;MC13213;監(jiān)測系統(tǒng)

　　精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PrecisionAgriculture)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其含義是按照田間每一操作單元的具體條件，準(zhǔn)確調(diào)整土壤和作物管理措施，優(yōu)化投入，提高經(jīng)濟(jì)效益，從而節(jié)約土地資源和保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。農(nóng)作物生長環(huán)境信息準(zhǔn)確和實(shí)時的獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施中的關(guān)鍵一步，也是當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的最大障礙所在［1－3］。隨著時代的進(jìn)步、科技的發(fā)展以及人與自然和諧相處的提出，發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，合理利用每一寸土地，提高土地的利用效率、單位土地的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益是我國農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的必然方向。在國外，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為發(fā)達(dá)合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最富有吸引力的前沿?zé)狳c(diǎn)［4］。而我國在這方面的研究時間短、科技投入少、推廣范圍及效果十分有限，在現(xiàn)有的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目中，監(jiān)測參數(shù)不全面，實(shí)時性差，并且，多采用有線方式對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行布置，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本高、布線工作量大、監(jiān)測設(shè)備不易靈活配置、系統(tǒng)可靠性低、維護(hù)困難，難以實(shí)現(xiàn)對整個種植區(qū)域的全面覆蓋，不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求［5－9］。

　　1監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。其中，無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由多個部署于監(jiān)測區(qū)域的簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，一個簇頭節(jié)點(diǎn)和若干簇節(jié)點(diǎn)組成一個簇網(wǎng)絡(luò)。為了得到農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時信息，在監(jiān)測區(qū)域安放傳感器節(jié)點(diǎn)。各種農(nóng)作物的生長發(fā)育對土壤水分有不同的要求，缺水不僅影響作物的光合作用，還影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì);相反，過分灌溉影響農(nóng)作物的呼吸進(jìn)而影響其生長，同時，還造成水資源的浪費(fèi)，因此，土壤水分含量是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的重要指標(biāo)，通過在土壤中埋放土壤水分傳感器，采集并以無線方式傳送出土壤水分含量;環(huán)境溫度的高低直接影響農(nóng)作物生長速度與發(fā)育情況，同時，空氣濕度也是影響農(nóng)作物生長發(fā)育的重要因素，空氣濕度過高，會抑制植株正常的水蒸騰作用，使植株體因散熱不及時而“燒傷”組織或器官，空氣干燥不僅影響植株進(jìn)行光合作用，還易誘發(fā)各種病蟲害，所以，在農(nóng)作物周圍安放空氣溫濕度傳感器顯得尤為重要;光照是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的基本條件，為了能及時掌握農(nóng)作物生長環(huán)境的光照強(qiáng)度，在農(nóng)作物上方安放光照強(qiáng)度傳感器實(shí)時監(jiān)測環(huán)境光照強(qiáng)度。監(jiān)測過程中，每個監(jiān)測區(qū)域組成一個簇網(wǎng)絡(luò)，簇節(jié)點(diǎn)采集土壤水分含量、空氣溫濕度與光照強(qiáng)度，并以無線方式匯聚到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余處理，轉(zhuǎn)發(fā)到與無線網(wǎng)關(guān)相連的協(xié)調(diào)器，無線網(wǎng)關(guān)把匯集的信息打包處理后，以自定義的數(shù)據(jù)格式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心;遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，從而實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測。

　　2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2．1傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)由低功耗無線單片機(jī)MC13213、信息采集模塊、電源管理模塊等部分組成。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集成度高、功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，發(fā)射功率為4dBm，通信距離為30m～100m。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2．2無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚、處理、遠(yuǎn)程傳輸，承擔(dān)監(jiān)測區(qū)域與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的信息交換任務(wù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限，因此，需要采用工作電壓低、工作電流小并且功耗低的MCU以及GSM/GPRS芯片，同時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)量大，需要具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，所以，本系統(tǒng)以Samsung公司推出的32bitARM9微處理器S3C2410為無線網(wǎng)關(guān)核心，由于數(shù)據(jù)傳輸量大，所以采用華為公司推出的高集成度GSM/GPRS芯片GTM900C。S3C2410處理器擁有獨(dú)立的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，8路10bitADC，以及豐富的I/O接口，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)203MHz［12］。GTM900C芯片和S3C2410的UART1相連，其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，使用簡單，易于集成，工作電壓:3．3V～4．7V，工作電流小，功耗低，通過AT指令對其編程，實(shí)現(xiàn)SMS、傳真信息和語音傳輸。無線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)采用飛思卡爾公司推出的CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合與MC13213配套的無線點(diǎn)對點(diǎn)SMAC協(xié)議，自主開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，組成監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)無線分簇網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)的采集、傳輸、匯聚與處理，結(jié)合無線網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　3．1傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是:星型拓?fù)?，網(wǎng)狀拓?fù)浜痛貥浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)洹Ｐ切屯負(fù)渚哂薪M網(wǎng)簡單、成本低和電池使用壽命長的優(yōu)點(diǎn);但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，可靠性不及網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一旦中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，所有與之相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信都將中斷。網(wǎng)狀拓?fù)渚哂锌煽啃愿摺⒏采w范圍大的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是電池使用壽命短、管理復(fù)雜。簇樹結(jié)構(gòu)拓?fù)渚C合了以上兩種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，其組網(wǎng)方式使ZigBee網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。為了提高傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少能量損耗和數(shù)據(jù)丟包，監(jiān)測系統(tǒng)采用簇樹結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別是:簇頭和簇節(jié)點(diǎn)組成的底層簇網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集和傳輸;簇頭和協(xié)調(diào)器組成的中層星型網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)環(huán)境信息的匯聚以及處理;無線網(wǎng)關(guān)獨(dú)立組成的上層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。底層簇網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程如下:簇頭發(fā)送建網(wǎng)的信標(biāo)幀，簇節(jié)點(diǎn)接收到該信標(biāo)幀后，對信標(biāo)幀進(jìn)行分析、判斷與處理，由于在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)包含個多個簇網(wǎng)絡(luò)，為了減少發(fā)射功率、降低能量消耗、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕毓?jié)點(diǎn)選擇信號強(qiáng)度最大的簇頭作為其父節(jié)點(diǎn)加入該簇網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送入網(wǎng)請求，簇頭對接收到的簇節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求幀分析處理，并保存該簇節(jié)點(diǎn)的ID，之后再回發(fā)同意入網(wǎng)幀。簇網(wǎng)絡(luò)建立流程如圖4所示。中層星型網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)器為中心，以底層簇網(wǎng)絡(luò)的簇頭節(jié)點(diǎn)為周邊節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收周邊節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余處理，從而減少上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送量。信息傳輸過程如下:首先，簇節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息，包括土壤濕度、空氣溫濕度以及光照強(qiáng)度，并按自定義格式建立信息數(shù)據(jù)包，其包括:該傳感器節(jié)點(diǎn)ID、下一目的節(jié)點(diǎn)ID、數(shù)據(jù)類型以及相應(yīng)數(shù)據(jù)值，其中，簇節(jié)點(diǎn)建立的數(shù)據(jù)包中的下一目的節(jié)點(diǎn)ID即為所在簇網(wǎng)絡(luò)的簇頭ID。簇節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，簇頭接收到數(shù)據(jù)包后，修改其中的下一目的節(jié)點(diǎn)ID為中層網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器ID，之后再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的無線傳輸以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對信息的匯聚。信息傳輸過程如圖5所示。

　　3．2無線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

　　無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，通過S3C2410的串口實(shí)現(xiàn)對GTM900C的AT指令編程，從而實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接、數(shù)據(jù)的傳輸、網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)以及網(wǎng)絡(luò)的不斷線連接，為數(shù)據(jù)的實(shí)時可靠傳輸提供保障。鑒于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约癎PRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇中國移動作為服務(wù)提供商;由于傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)字和英文字母組成，并且數(shù)據(jù)傳輸量大，所以選擇text信息傳輸模式。監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臅r間具有不確定性，而GPRS網(wǎng)絡(luò)在沒有數(shù)據(jù)傳遞的情況下，一次連接只能維持2s～3s的網(wǎng)絡(luò)暢通，為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時、可靠傳輸，徹底改變網(wǎng)絡(luò)連接的間斷性，無線網(wǎng)關(guān)以發(fā)送心跳包的方式保持網(wǎng)絡(luò)連接，即在沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸時，每隔1s發(fā)送一個空字節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)的永遠(yuǎn)在線，為隨時可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。無線網(wǎng)關(guān)信息傳輸流程如圖6所示。

　　4遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

　　4．1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以MicrosoftVisualStudio2008作為開發(fā)平臺，以MicrosoftSQLServer2005數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過調(diào)用System．Threading命名空間里的Thread類，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時接收、存儲以及動態(tài)的圖形化顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要包括以下功能模塊:數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊。

　　(1)數(shù)據(jù)接收模塊基于Socket編程技術(shù)，監(jiān)聽本地IP地址的固定端口，在和無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接成功后，根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)包格式，接收并提出采集的信息;

　　(2)數(shù)據(jù)存儲模塊對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析后，以采集時間和數(shù)據(jù)種類組成主鍵，從而把數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表格中;

　　(3)數(shù)據(jù)顯示模塊對解析后得到的數(shù)據(jù)，通過第三方Chart控件，對接收到的信息進(jìn)行分類實(shí)時動態(tài)曲線化顯示。

　　4．2監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)測試選擇在郊區(qū)一彩椒蔬菜大棚里進(jìn)行，通過在大棚中安放土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)、空氣溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、光照強(qiáng)度傳感器節(jié)點(diǎn)以及無線網(wǎng)關(guān)構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時采集環(huán)境信息，并傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心存儲、處理以及實(shí)時顯示。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)60個，簇頭節(jié)點(diǎn)12個，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1個。彩椒最佳生長環(huán)境為:土壤水分67%、濕度65%、白天溫度25℃、夜間16℃，光照強(qiáng)度2萬5千勒克斯，在后臺監(jiān)控中心，設(shè)置相應(yīng)的變化閾值(土壤水分73%，濕度70%，溫度30℃，光照強(qiáng)度3萬勒克斯)，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果超過設(shè)定的相應(yīng)最佳參數(shù)閾值時，則在報(bào)警節(jié)點(diǎn)列表中，紅色顯示參數(shù)類型以及節(jié)點(diǎn)編號。系統(tǒng)還可以選擇需要的參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表中，供農(nóng)業(yè)專家進(jìn)行研究。為了測試系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)過程中人為地對溫濕度傳感器進(jìn)行了加熱，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看溫度變化能夠很及時地在監(jiān)測系統(tǒng)中反映出來。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢界面如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)對土壤水分、溫濕度和光照強(qiáng)度的實(shí)時監(jiān)測，完全滿足農(nóng)作物環(huán)境信息實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求。

　　5結(jié)束語

　　將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一最新的IT技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測，具有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測方式無法比擬的優(yōu)勢。本文提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各部分的軟硬件設(shè)計(jì)，采用飛思卡爾公司推出的MC13213系統(tǒng)芯片以及配套的SMAC無線協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與信息的傳輸，結(jié)合GPRS，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)測。本系統(tǒng)構(gòu)建成本低，擴(kuò)展性強(qiáng)，靈活性大、適用范圍廣、性價比高，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測提供了一種有效的解決方案。

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　　常超，鮮曉東*，胡穎

《基于WSN的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*》

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