基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )農田信息自動(dòng)檢測系統的設計與實(shí)現

摘要：農田信息的及時(shí)準確獲取是精準農業(yè)實(shí)施的基礎?；诋斍?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )">無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在農田信息采集中的應用現狀，提出了設計體積小、成本低、低功耗、工作持續時(shí)間長(cháng)的農田信息采集無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的必要性。系統采用Atmel公司的低功耗處理器芯片ATmega1281和AT86RF23 1射頻芯片，最終實(shí)現了低功耗、低成本、低復雜度的檢測系統，通過(guò)對溫濕度等環(huán)境因子的檢測，能夠達到對作物種植環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；農田信息采集；低功耗；實(shí)時(shí)監測；節點(diǎn)

精準農業(yè)已成為我國農業(yè)發(fā)展的趨勢，農田信息的及時(shí)準確獲取是精準農業(yè)實(shí)施的基礎。傳統農業(yè)主要使用孤立的、沒(méi)有通信能力的機械設備和傳感設備，主要依靠人力監測作物的生長(cháng)狀況。不但要耗費大量的人力，而且不能夠做到實(shí)時(shí)監控，如果采用有線(xiàn)測控系統，則需要鋪設光纖或者電纜，這樣不但增加了成本，而且降低了系統的靈活性和可擴展性。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，孕育出了一種新的信息獲取、傳輸、處理的智能網(wǎng)絡(luò )——無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)時(shí)監測、感知和采集監控區域的信息，并將采集到的數據經(jīng)處理后發(fā)送給終端用戶(hù)。目前，國內外科研人員已有將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用于農業(yè)領(lǐng)域，本文主要針對當前環(huán)境監測中面臨的網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)困難、成本高及實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )農田信息自動(dòng)檢測系統的設計，該系統具有低功耗、體積小、工作時(shí)間長(cháng)、成本低的特點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現危險區域的低成本無(wú)人連續在線(xiàn)監測。

1 系統結構設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)部署在監控領(lǐng)域，對感興趣的數據進(jìn)行采集、處理、融合，并通過(guò)主節點(diǎn)路由到基站，用戶(hù)可以通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行查看、控制。其系統結構如圖1所示。其中，網(wǎng)關(guān)(基站)負責對各節點(diǎn)傳感器數據的收集、處理及與外網(wǎng)的通信；傳感器節點(diǎn)負責采集周?chē)男畔?，如溫度、濕度等，同時(shí)還要兼具有路由功能，通過(guò)路由協(xié)議直接或者通過(guò)“多跳”的方式將數據傳給網(wǎng)關(guān)，再借助臨時(shí)建立的sink鏈路把整個(gè)區域內的數據傳輸到監控中心；監控中心主要負責將采集的數據進(jìn)行綜合計算得到所需的信息，并對各傳感器節點(diǎn)進(jìn)行管理。同時(shí)開(kāi)發(fā)了客戶(hù)端界面，方便用戶(hù)對服務(wù)器的數據進(jìn)行查詢(xún)和控制，并能以圖形的方式直觀(guān)地顯示出用戶(hù)所需要的信息。

2 系統硬件設計
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)總體架構由傳感器模塊、數據處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊4個(gè)部分組成。傳感器模塊負責環(huán)境信息的采集和數據轉換，本系統主要是負責采集土壤溫濕度傳感器，傳感器模塊上還預留了數字和模擬接口，可以方便地擴展傳感器的種類(lèi)；數據處理模塊負責控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)的存儲和處理本身采集的數據和其它節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據，還要負責節點(diǎn)組網(wǎng)和數據路由選擇以及系統功耗的控制等。數據處理模塊的核心是高性能的ATmega1281處理器；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責與其它傳感器節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源模塊為傳感器節點(diǎn)提供運行所需的所有電源。
2．1 傳感器模塊
傳感器模塊是節點(diǎn)的數據采集部分，根據實(shí)際需求，確定合適的傳感器，系統采用溫濕度傳感器，并留有通用傳感器擴展接口，傳感器模塊為獨立電路板，通過(guò)51PIN連接器與主控模塊電路板連接。
本系統采用的溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度一體傳感器。該傳感器的特點(diǎn)是體積微小、功耗極低，兩線(xiàn)數字輸出，濕度測量范圍：0～100％RH，濕度的測量精度為±4.5％RH，溫度測量范圍：-40～-+123．8℃，在25℃時(shí)，溫度的測量精度為±0.5℃，響應時(shí)間：8 s，可完全浸沒(méi)。SHT10采用兩條串行線(xiàn)(SCK，DATA)與處理器進(jìn)行數據通信。SCK用于處理器、SHT10之間的通訊同步，串行數據(DATA)用于數據的讀取，在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。SHT10完整的測量時(shí)序由啟動(dòng)傳輸時(shí)序、發(fā)布命令、等待測量完成、讀回數據這四個(gè)部分組成。處理器用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來(lái)發(fā)起一個(gè)通信過(guò)程。它包括：當SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉為低電平。在DATA為低電平期間，SCK變?yōu)榈碗娖?，再翻轉為高電平，隨后是在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉為高電平。在“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序之后，微控制器可以向SHT10發(fā)送命令。微控制器在發(fā)布一組濕度或者溫度測量命令后，需要等待測量的結束，SHT10通過(guò)將DATA線(xiàn)拉低表示測量的完成。重新啟動(dòng)時(shí)鐘線(xiàn)SCK讀取測量結果時(shí)，2個(gè)字節的測量數據和1個(gè)字節的CRC校驗將被傳送。為節能VDD接在處理器1281的PC0口，需采集數據時(shí)傳感器上電，采集完數據傳感器斷電。
2．2 數據處理模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊
數據處理模塊采用Atmel公司的低功耗ATmega1281芯片，該芯片具有片內256 kB的Flash存儲器、8 kB的SRAM數據存儲器(可外接擴展到64 kB)和4 kB的EPROM存儲器。該芯片還有8／16通道的10位ADC，2個(gè)8位和4個(gè)16位硬件定時(shí)／計數器，4個(gè)8位PWM通道、可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器，2／4個(gè)可編程串行USART、51／86個(gè)可編程I／O口線(xiàn)。SPI、I2C總線(xiàn)接口；可以采用JTAG編程和ISP編程兩種方式。除正常工作模式外，ATmega1281還具有6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式。因此ATmega1281非常適合于低能耗的應用場(chǎng)合。
無(wú)線(xiàn)通信模塊采用AT86RF231芯片，該芯片是一款低功耗、低電壓，SH接口，支持2.4GHZ IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。AT86RF231通過(guò)SPI接口與處理器ATmega1281連接，通過(guò)串行輸出(MOSI)和串行輸入(MISO)進(jìn)行數據讀寫(xiě)操作，由串行時(shí)鐘(SCK)控制讀寫(xiě)操作。
數據處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊及外圍設備的硬件連接如圖2所示。傳感器節點(diǎn)上設計528kB的串行FLASH存儲器AT45DB041來(lái)完成信息在本節點(diǎn)的輔助存儲功能。處理器通過(guò)UART接口與AT45DB041連接。通過(guò)TXD1和RXD1進(jìn)行數據讀寫(xiě)操作，由時(shí)鐘(XCK1)控制讀寫(xiě)操作。處理器通過(guò)3根通用I／O引腳與溫濕度傳感器SHT10連接。軟件控制I／O引腳的電平來(lái)完成對SHT10的操作。處理器還預留了ADC模擬輸入通道、I／O接口、I2C接口到傳感器擴展接口，對系統擴展其它傳感器提供硬件支持。處理器ADC的PF0與系統電池電壓檢測電路連接，提供對系統電池剩余能量的檢測。

2．3 電源模塊
節點(diǎn)的能量供應是節點(diǎn)工作的重要前提，如果供電不足，將會(huì )導致整個(gè)系統癱瘓。為延長(cháng)節點(diǎn)的使用壽命，多種降低功耗的方法已經(jīng)被提出，如：數據壓縮技術(shù)和低功耗路由技術(shù)等，但任何降低功耗的方法都不能徹底解決節點(diǎn)壽命有限的問(wèn)題?？稍偕茉吹睦?，如：太陽(yáng)能、振動(dòng)、潮汐和風(fēng)能等的利用，被認為是解決上述問(wèn)題的可行方案。對于室外系統，太陽(yáng)能具有技術(shù)相對成熟，能量密度較大等優(yōu)勢，被認為是為節點(diǎn)提供額外能源的可行方法。圖3是電源電路框圖。分壓器將3．3 V的穩壓器輸出電壓降至2．75 V。比較器比較此值于電池的電壓值。當陽(yáng)光充足并且電池的電壓低于2．75 V時(shí)，比較器打開(kāi)開(kāi)關(guān)，對電池充電。否則，當電池的電壓等于或大于2．75 V時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉阻止充電過(guò)程。二極管用來(lái)阻止電流由電池流入太陽(yáng)能電池板。

3 系統軟件設計
3．1 系統軟件結構圖
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集監測區域內的數據，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )將各種傳感數據傳輸到后臺管理軟件，后臺管理軟件對這些數據進(jìn)行分析、處理、存儲，以便獲得相關(guān)信息，并對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的運行和監測區域內的環(huán)境狀況進(jìn)行監控。另外，后臺管理軟件也可以發(fā)起任務(wù)并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )告知WSN，以便完成特定的任務(wù)。這些功能主要是在應用程序服務(wù)器上實(shí)現，其結構如圖4所示。

系統通過(guò)串口接收到的溫濕度數據如圖5所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)運行的是TinyOS操作系統，系統傳遞信息數據包幀格式如圖6所示。每一幀用同步字節SYNC_BYTE(0x7E)包裝。其中的負載數據TOS_mag是傳感網(wǎng)絡(luò )數據鏈路層所使用的數據包格式。信息中包括了目的節點(diǎn)地址、信息類(lèi)型、信息長(cháng)度、信息組別以及數據載荷等。其中，數據載荷Data是提供給用戶(hù)的有效消息載體，包含為實(shí)現多跳路由功能而設置的源地址、數據采集節點(diǎn)地址及電壓、濕度、溫度等高層應用信息。根據上述數據包的幀格式，處理后的數據如圖7所示。

4 結束語(yǔ)
文中基于當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在農田信息采集中的應用現狀，提出了體積小、成本低、低功耗、工作持續時(shí)間長(cháng)的農田信息采集無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的必要性。該系統利用無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備傳輸數據，無(wú)需專(zhuān)門(mén)架線(xiàn)，系統結構簡(jiǎn)單，節省了人力物力，通過(guò)監控中心可實(shí)現對農田溫濕度的監控等功能，實(shí)現真正意義上的無(wú)人值守，與普通無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，還具有低功耗、低成本和網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)，為實(shí)現大規模農田監控的信息化、自動(dòng)化、提高工作效率具有很高的實(shí)際應用價(jià)值。