基于無線傳感器網(wǎng)絡的精準農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　摘要：在充分研究現(xiàn)有農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，將基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術應用于精準農業(yè)環(huán)境監(jiān)測領域，給出了農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)方案，重點設計了基于MSP4300和CC2420芯片的傳感器節(jié)點硬件結構和軟件流程，系統(tǒng)可以對目標監(jiān)測區(qū)內的溫度、濕度、光照度等農業(yè)環(huán)境信息進行快速、可靠的遠程采集和傳輸。解決了傳統(tǒng)農業(yè)環(huán)境監(jiān)測信息存儲的有限性和移動測量的不便性等問題，為精準農業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供了一種有效的解決方案。

　　關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡精準農業(yè)ZigBee環(huán)境監(jiān)測

　　1引言

　　精準農業(yè)(PrecisionAgriculture)的基本涵義是根據(jù)作物生長的環(huán)境狀況，調節(jié)對作物的投入，以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境[1]。準確實時的信息供給是精準農業(yè)的必須前提。精準農業(yè)的實現(xiàn)首先在于認識農田內農作物生長環(huán)境和生長情況的差異，而這必須依賴于各種先進的傳感器，如大氣溫度、大氣濕度、風速、太陽輻射、作物生長情況、作物產量等各種類型傳感器。如何將這些傳感器采集的信息及時準確地收集，為農業(yè)專家提供決策并制定農田變量作業(yè)處方的主要數(shù)據(jù)源和參數(shù)，一直是一個難題。近年來,出現(xiàn)了許多采用無線公共網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡等無線通訊方式進行農、林、牧業(yè)的遠程監(jiān)測的研究[2]。這些無線通信技術的優(yōu)勢是傳輸速度快、信息量大、可遠距離傳輸，但都存在功耗高、時延長、通信費用高等因素制約，使其很難廣泛地應用到農業(yè)環(huán)境監(jiān)測中。

　　2系統(tǒng)總體設計

　　2.1系統(tǒng)體系結構

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡的農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳器節(jié)點、無線網(wǎng)關和監(jiān)測中心服務器三部分組成。ZigBee明確定義了星形、簇狀和網(wǎng)狀3種拓撲結構[3]。為減小能量損耗和數(shù)據(jù)包丟失，本文采用簇狀網(wǎng)絡拓撲結構和層次路由協(xié)議。具體做法是將監(jiān)測目標區(qū)域中的所有傳感器節(jié)點分為若干個簇，每個簇相當于是一塊較為固定的自組織網(wǎng)絡。簇的范圍由網(wǎng)絡覆蓋面積的實際情況決定。根據(jù)傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡中扮演的角色不同，又將它們分為底層普通節(jié)點、簇首以及網(wǎng)絡協(xié)調器3種類型。其中底層普通節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)跳傳至本簇的簇首，簇首主要完成數(shù)據(jù)融合和轉寄數(shù)據(jù)包，可以將其所轄簇的底層普通節(jié)點采集的數(shù)據(jù)融合處理并發(fā)送給就近的網(wǎng)絡協(xié)調器，同時還可以將網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送給其的數(shù)據(jù)包向其所轄的簇廣播。簇首應位于所劃分的簇的較為中心的位置，使得每個節(jié)點和它的傳輸距離大致相同，各個節(jié)點的功耗分布較為均勻，從而避免某些節(jié)點由于傳輸距離較遠而造成能量的過多消耗。網(wǎng)絡協(xié)調器主要負責建網(wǎng)以及設備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡管理功能。系統(tǒng)的體系結構如圖1所示。

　　2.2系統(tǒng)工作過程

　　系統(tǒng)工作時首先由監(jiān)測中心服務器發(fā)出對農田環(huán)境各項指標進行查詢的請求命令，通過Internet和GPRS網(wǎng)絡傳到網(wǎng)關節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點根據(jù)請求命令的具體要求，選擇對應的網(wǎng)絡協(xié)調器，接著網(wǎng)絡協(xié)調器根據(jù)命令選擇所要查詢的簇，當簇首節(jié)點收到控制命令以后，喚醒并激活本簇內的所有節(jié)點，進行數(shù)據(jù)采集和通信。節(jié)點及時采集數(shù)據(jù)，經過數(shù)模轉換后發(fā)送給本簇的簇首節(jié)點，簇首節(jié)點對傳來的數(shù)據(jù)進行融合，然后將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)回到網(wǎng)關節(jié)點，繼而通過外部網(wǎng)絡傳給監(jiān)測中心服務器。監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進行處理、分析，并存入環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，為以后的分析決策提供數(shù)據(jù)資源。

　　3硬件系統(tǒng)設計

　　3.1傳感器節(jié)點硬件設計

　　傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，是構成無線傳感器網(wǎng)絡的基礎平臺。本文中的傳感器節(jié)點是由傳感器模塊、主處理模塊、無線通訊模塊和電源四部分組成。傳感器模塊負責采集溫度、濕度、光照度等參數(shù)和數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換。主處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理從它自身采集來的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送來的二進制信息，無線通訊模塊負責與其他的節(jié)點進行通訊，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)。電源部分主要給傳感器模塊、處理模塊、無線通訊模塊供電。其硬件結構如圖2所示。

　　3.1.1微處理器模塊

　　由于傳器節(jié)點使用電池供電而且必須長期在野外工作，所以在選擇微處理器時低功耗是一個非常重要的技術指標。MSP430F149是TI公司的一款超低功混合信號控制器，能夠在低電壓下以多種低功耗模式工作，具有強大的處理能力和豐富的片內外設同時支持C語言編程[4]。MSP430最顯著的特點就是它的超低功耗，在1.8V~3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，耗電在0.1μA~400μA之間，RAM在節(jié)電模式耗電0.1u。這些特點使得其非常適合于無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的設計。

　　3.1.2無線通信模塊

　　無線通信模塊中，選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，它附合IEEE802.15.4標準，能實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，同時具有低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時間(＜30nm)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測等特性。其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路以及微控制器接口電路，和微處理器之間使用4線SPI連接。

　　3.2無線網(wǎng)關的硬件設計

　　在該系統(tǒng)中無線網(wǎng)關是無線傳感器網(wǎng)絡與監(jiān)測中心服務器的中轉站，負責發(fā)送命令、接收下層節(jié)點的請求與數(shù)據(jù)，承擔著無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)交換任務。網(wǎng)關的硬件體系結構如圖3所示，主要包括主處理器、擴展存儲器單元、射頻收發(fā)模塊和GPRS通信模塊，另外配有以太網(wǎng)接口以及擴展接口等。

　　4系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計工作主要包括ZigBee協(xié)議棧的實現(xiàn)和傳感器節(jié)點的程序設計，在ZigBee簇狀網(wǎng)絡中，協(xié)調器和傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡中的功能、地位不同，因而普通傳感器節(jié)點與網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點的軟件設計又有所不同。在本設計中，使用C語言編寫實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧，同時使用處理器自帶的程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網(wǎng)絡表和綁定表。根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義將協(xié)議棧在邏輯分為多個層，實現(xiàn)每個層的代碼位于一個獨立的源文件中，而服務和應用程序接口(API)則在頭文件中定義[7]。

　　4.1傳感器節(jié)點的程序設計

　　傳感器節(jié)點主要負責采集傳感器數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡協(xié)調器，同時接收來自協(xié)調器的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行相關操作。傳感器點上電后首先對MCU初始化，然后加載SPI驅動來初始化無線通信模塊CC2420，初始化成功后掃描所有可用信道來尋找臨近的網(wǎng)絡協(xié)調器，并申請加入此網(wǎng)絡。由于傳感器節(jié)點采用電池供電方式，必須要保證終端節(jié)點的低功耗，因此在設計中采用被動喚醒的方式連接協(xié)調器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。其它時間則轉入低功耗模式，節(jié)點功耗降到最低。傳感器節(jié)點的軟件流程圖如圖4所示。

　　4.2網(wǎng)絡協(xié)調器的程序設計

　　作為網(wǎng)絡中的協(xié)調器，要承擔網(wǎng)絡創(chuàng)建與管理和數(shù)據(jù)傳輸二個重要功能。網(wǎng)絡創(chuàng)建與管理功能主要是負責組建ZigBee網(wǎng)絡，分配網(wǎng)絡地址及維護綁定表。網(wǎng)絡協(xié)調器通過掃描一個空信道來創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡，維護一個目前連接設備的列表，支持獨立掃描程序來確保以前的連接設備能夠重新加入網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)傳輸功能主要是充當傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給無線網(wǎng)關，或將監(jiān)測中心的監(jiān)測指令發(fā)送給傳感器節(jié)點。網(wǎng)絡協(xié)調器的軟件流程圖如圖5所示。

　　5系統(tǒng)實現(xiàn)與監(jiān)測實驗

　　5.1系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

　　傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡協(xié)調器的軟件使用C語言在MSP430系列單片機配套的開發(fā)環(huán)境IAREmbeddedWorkbench開發(fā)，利用單片機本身的JTAG接口，通過TI公司所帶的仿真器FET可以方便的進行程序調試和代碼下載。無線網(wǎng)關使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，使用C語言開發(fā)了ZigBee協(xié)議棧和網(wǎng)關應用程序。

　　5.2系統(tǒng)監(jiān)測實驗

　　為了驗證系統(tǒng)的各方面性能，于2008年9月5日在蕪湖某花卉生產基地進行了實地監(jiān)測實驗。在實驗場地內布置了4傳感器節(jié)點和一個網(wǎng)關結點，場地的植株高度約為60cm，節(jié)點天線高度為120cm，節(jié)點間的距離約為40米，實驗數(shù)據(jù)的采集結果如圖6所示。

　　6結束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)控等領域應用日益廣泛，尤其是在艱苦或惡劣環(huán)境條件下，具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術不可比擬的優(yōu)勢[8]。本設計將基于ZigBee的無線傳器網(wǎng)絡技術應用于精準農業(yè)環(huán)境測控，利用無線傳感器網(wǎng)絡對農作物現(xiàn)場信息進行采集，設計了簇狀的無線傳器監(jiān)測網(wǎng)絡組網(wǎng)方案，完成了傳感器節(jié)點硬件設計和軟件設計。這種無線測控的方式相對于傳統(tǒng)農業(yè)來說，其優(yōu)點在于網(wǎng)絡組建簡單，一次性構建成本低，擴展性強，靈活性大，能有效地改善現(xiàn)有的農業(yè)生產管理模式，并極大地提高農業(yè)生產效力。

　　參考文獻

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