基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田信息自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：農(nóng)田信息的及時準(zhǔn)確獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實施的基礎(chǔ)?；诋?dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了設(shè)計體積小、成本低、低功耗、工作持續(xù)時間長的農(nóng)田信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的必要性。系統(tǒng)采用Atmel公司的低功耗處理器芯片ATmega1281和AT86RF23 1射頻芯片，最終實現(xiàn)了低功耗、低成本、低復(fù)雜度的檢測系統(tǒng)，通過對溫濕度等環(huán)境因子的檢測，能夠達(dá)到對作物種植環(huán)境進行實時監(jiān)測的要求。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)田信息采集；低功耗；實時監(jiān)測；節(jié)點

    精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，農(nóng)田信息的及時準(zhǔn)確獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實施的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設(shè)備和傳感設(shè)備，主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況。不但要耗費大量的人力，而且不能夠做到實時監(jiān)控，如果采用有線測控系統(tǒng)，則需要鋪設(shè)光纖或者電纜，這樣不但增加了成本，而且降低了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(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)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實時監(jiān)測、感知和采集監(jiān)控區(qū)域的信息，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送給終端用戶。目前，國內(nèi)外科研人員已有將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，本文主要針對當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測中面臨的網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高及實時性差等問題，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田信息自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)具有低功耗、體積小、工作時間長、成本低的特點，同時可實現(xiàn)危險區(qū)域的低成本無人連續(xù)在線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署在監(jiān)控領(lǐng)域，對感興趣的數(shù)據(jù)進行采集、處理、融合，并通過主節(jié)點路由到基站，用戶可以通過因特網(wǎng)進行查看、控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，網(wǎng)關(guān)(基站)負(fù)責(zé)對各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)的收集、處理及與外網(wǎng)的通信；傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集周圍的信息，如溫度、濕度等，同時還要兼具有路由功能，通過路由協(xié)議直接或者通過“多跳”的方式將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)，再借助臨時建立的sink鏈路把整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進行綜合計算得到所需的信息，并對各傳感器節(jié)點進行管理。同時開發(fā)了客戶端界面，方便用戶對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行查詢和控制，并能以圖形的方式直觀地顯示出用戶所需要的信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總體架構(gòu)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4個部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)采集土壤溫濕度傳感器，傳感器模塊上還預(yù)留了數(shù)字和模擬接口，可以方便地擴展傳感器的種類；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，還要負(fù)責(zé)節(jié)點組網(wǎng)和數(shù)據(jù)路由選擇以及系統(tǒng)功耗的控制等。數(shù)據(jù)處理模塊的核心是高性能的ATmega1281處理器；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點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(jié)點的數(shù)據(jù)采集部分，根據(jù)實際需求，確定合適的傳感器，系統(tǒng)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51PIN連接器與主控模塊電路板連接。
    本系統(tǒng)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。該傳感器的特點是體積微小、功耗極低，兩線數(shù)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，溫度的測量精度為±0.5℃，響應(yīng)時間：8 s，可完全浸沒。SHT10采用兩條串行線(SCK，DATA)與處理器進行數(shù)據(jù)通信。SCK用于處理器、SHT10之間的通訊同步，串行數(shù)據(jù)(DATA)用于數(shù)據(jù)的讀取，在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。SHT10完整的測量時序由啟動傳輸時序、發(fā)布命令、等待測量完成、讀回數(shù)據(jù)這四個部分組成。處理器用一組“啟動傳輸”時序來發(fā)起一個通信過程。它包括：當(dāng)SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為低電平。在DATA為低電平期間，SCK變?yōu)榈碗娖剑俜D(zhuǎn)為高電平，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。在“啟動傳輸”時序之后，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(jié)束，SHT10通過將DATA線拉低表示測量的完成。重新啟動時鐘線SCK讀取測量結(jié)果時，2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC校驗將被傳送。為節(jié)能VDD接在處理器1281的PC0口，需采集數(shù)據(jù)時傳感器上電，采集完數(shù)據(jù)傳感器斷電。
2．2 數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊
    數(shù)據(jù)處理模塊采用Atmel公司的低功耗ATmega1281芯片，該芯片具有片內(nèi)256 kB的Flash存儲器、8 kB的SRAM數(shù)據(jù)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8位和4個16位硬件定時／計數(shù)器，4個8位PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器，2／4個可編程串行USART、51／86個可編程I／O口線。SPI、I2C總線接口；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(yīng)用場合。
    無線通信模塊采用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(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。AT86RF231通過SPI接口與處理器ATmega1281連接，通過串行輸出(MOSI)和串行輸入(MISO)進行數(shù)據(jù)讀寫操作，由串行時鐘(SCK)控制讀寫操作。
    數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊及外圍設(shè)備的硬件連接如圖2所示。傳感器節(jié)點上設(shè)計528kB的串行FLASH存儲器AT45DB041來完成信息在本節(jié)點的輔助存儲功能。處理器通過UART接口與AT45DB041連接。通過TXD1和RXD1進行數(shù)據(jù)讀寫操作，由時鐘(XCK1)控制讀寫操作。處理器通過3根通用I／O引腳與溫濕度傳感器SHT10連接。軟件控制I／O引腳的電平來完成對SHT10的操作。處理器還預(yù)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(tǒng)擴展其它傳感器提供硬件支持。處理器ADC的PF0與系統(tǒng)電池電壓檢測電路連接，提供對系統(tǒng)電池剩余能量的檢測。

2．3 電源模塊
    節(jié)點的能量供應(yīng)是節(jié)點工作的重要前提，如果供電不足，將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。為延長節(jié)點的使用壽命，多種降低功耗的方法已經(jīng)被提出，如：數(shù)據(jù)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(jié)點壽命有限的問題。可再生能源的利用，如：太陽能、振動、潮汐和風(fēng)能等的利用，被認(rèn)為是解決上述問題的可行方案。對于室外系統(tǒng)，太陽能具有技術(shù)相對成熟，能量密度較大等優(yōu)勢，被認(rèn)為是為節(jié)點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(wěn)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(dāng)陽光充足并且電池的電壓低于2．75 V時，比較器打開開關(guān)，對電池充電。否則，當(dāng)電池的電壓等于或大于2．75 V時，開關(guān)關(guān)閉阻止充電過程。二極管用來阻止電流由電池流入太陽能電池板。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將各種傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理軟件，后臺管理軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，以便獲得相關(guān)信息，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行和監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況進行監(jiān)控。另外，后臺管理軟件也可以發(fā)起任務(wù)并通過傳輸網(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(yīng)用程序服務(wù)器上實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    系統(tǒng)通過串口接收到的溫濕度數(shù)據(jù)如圖5所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行的是TinyOS操作系統(tǒng)，系統(tǒng)傳遞信息數(shù)據(jù)包幀格式如圖6所示。每一幀用同步字節(jié)SYNC_BYTE(0x7E)包裝。其中的負(fù)載數(shù)據(jù)TOS_mag是傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層所使用的數(shù)據(jù)包格式。信息中包括了目的節(jié)點地址、信息類型、信息長度、信息組別以及數(shù)據(jù)載荷等。其中，數(shù)據(jù)載荷Data是提供給用戶的有效消息載體，包含為實現(xiàn)多跳路由功能而設(shè)置的源地址、數(shù)據(jù)采集節(jié)點地址及電壓、濕度、溫度等高層應(yīng)用信息。根據(jù)上述數(shù)據(jù)包的幀格式，處理后的數(shù)據(jù)如圖7所示。

4 結(jié)束語
    文中基于當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了體積小、成本低、低功耗、工作持續(xù)時間長的農(nóng)田信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的必要性。該系統(tǒng)利用無線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，無需專門架線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了人力物力，通過監(jiān)控中心可實現(xiàn)對農(nóng)田溫濕度的監(jiān)控等功能，實現(xiàn)真正意義上的無人值守，與普通無線技術(shù)相比，還具有低功耗、低成本和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，為實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)田監(jiān)控的信息化、自動化、提高工作效率具有很高的實際應(yīng)用價值。