基于GPRS的土壤溫濕度采集系統

摘要 設計了一種基于GPRS的土壤溫濕度實(shí)時(shí)采集系統，給出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境監測方案。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量隨機分布的傳感器節點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)自組織構成的網(wǎng)絡(luò )，傳感器節點(diǎn)具有數據采集處理、無(wú)線(xiàn)通信和自動(dòng)組網(wǎng)能力。文中利用Telosb節點(diǎn)平臺設計了傳感器節點(diǎn)的硬件結構，并在TinyOS操作系統的基礎上，完成了節點(diǎn)的軟件設計。該系統可以對目標監測區內多點(diǎn)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現單跳和多跳的數據傳輸，同時(shí)利用GPRS進(jìn)行高效可靠的遠程傳輸，實(shí)現長(cháng)期動(dòng)態(tài)監測。
關(guān)鍵詞 GPRS；實(shí)時(shí)采集；telosb；TinyOS

對于農林作物而言，土壤溫濕度是其發(fā)育、生長(cháng)的重要條件。在古代中國農業(yè)中，將濕潤的土壤稱(chēng)為“墑”，并有豐富的關(guān)于保墑、散墑等調節土壤水分狀況的技術(shù)和作業(yè)。土壤溫濕度是反應土壤狀況的重要物理參數，決定著(zhù)植物生長(cháng)狀況的好壞，它對于研究植物水分利用、農業(yè)灌溉及生態(tài)系統的變化等具有重要意義。在現代農業(yè)中，能否對土壤溫濕度進(jìn)行有效測量與控制，是實(shí)現“精細農林業(yè)”與“精細灌溉”的關(guān)鍵，同時(shí)在水文、氣象和生態(tài)科學(xué)中，土壤溫濕度的測量也具有重要意義。尋求一種快捷、經(jīng)濟、精度高、可靠性強、適合實(shí)時(shí)測量的土壤溫濕度測量技術(shù)是科學(xué)決策的依據。

1 系統框架
設計的土壤溫濕度采集系統可以實(shí)時(shí)準確地獲取監測區域的溫濕度。系統由兩部分組成：數據采集模塊和GPRS網(wǎng)關(guān)，如圖1所示。數據采集模塊由多個(gè)從節點(diǎn)與一個(gè)主節點(diǎn)組成，形成一個(gè)監控網(wǎng)絡(luò )。它將各個(gè)從節點(diǎn)采集到的土壤溫濕度信息，發(fā)送給主節點(diǎn)；GPRS網(wǎng)關(guān)由單片機與GPRS模塊構成，它負責將主節點(diǎn)的信息發(fā)送給監控主機。

2 數據采集模塊
模塊包含兩部分：采集(從)節點(diǎn)、主節點(diǎn)。采集節點(diǎn)由TI MSP430F1611單片機、時(shí)鐘、存儲、LED顯示、CC2420通信模塊、土壤溫濕度傳感器5TM等組成，如圖2所示。它負責實(shí)時(shí)采集監測點(diǎn)的土壤溫濕度信息，并發(fā)往主節點(diǎn)；主節點(diǎn)無(wú)土壤溫濕度傳感器模塊，其他部分與采集節點(diǎn)相同。它負責接收采集節點(diǎn)的數據，并將數據處理后，發(fā)送至串口。即通過(guò)主節點(diǎn)Telosb平臺的UART0將數據傳送給GPRS網(wǎng)關(guān)。采集節點(diǎn)的軟件平臺基于TinyOS2．1．1操作系統開(kāi)發(fā)，使用TinyOS-2．1．1操作系統內核，各模塊及應用程序由nesC語(yǔ)言編程實(shí)現。

2．1 節點(diǎn)平臺
節點(diǎn)采用Crossbow公司的TelosB，TelosB具有低功耗和快速蘇醒功能，可保證更長(cháng)的電池壽命。主要功能及部件有IEE802．15．4協(xié)議、250 kbit·s-1高傳輸速率射頻器、TI MSP430F1611單片機、10 kB RAM微處理器、集成板載天線(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)USB接口獲取數據和編程，開(kāi)源操作系統，集成了光照及空氣溫度、濕度傳感器，兩個(gè)擴展接口和板載跳線(xiàn)可以通過(guò)配置控制模擬傳感器以及電子外圍設備等。
2．2 TinyOS操作系統
TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的輕量級、低功耗的開(kāi)源嵌入式操作系統，它以通信為中心的設計和模塊式軟件模型，使得TinyOS符合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )資源受限、功耗低和操作魯棒性的需求。它所引入的事件(event)驅動(dòng)執行模式和基于組件(component)的軟件設計，在使用少量ROM的情況下支持高度并行處理、復雜協(xié)議和算法，提高了系統的性能，使得TinyOS能有效地運行在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中。TinyOS運行在每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上，是上層應用和協(xié)議運行的前提。TinyOS提供一系列可重用的組件，一個(gè)應用程序可以通過(guò)連接配置文件將各種組件連接，以完成所需的功能?；赥inyOS的開(kāi)發(fā)者可以選擇所需要的組件，組件庫包括網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感驅動(dòng)器和數據采集工具，這些組件都可以作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的基礎。