基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计

　　摘要：在充分研究现有农业环境监测系统的基础上，将基于ZigBee的无线传感器网络技术应用于精准农业环境监测领域，给出了农业环境监测系统的组网方案，重点设计了基于MSP4300和CC2420芯片的传感器节点硬件结构和软件流程，系统可以对目标监测区内的温度、湿度、光照度等农业环境信息进行快速、可靠的远程采集和传输。解决了传统农业环境监测信息存储的有限性和移动测量的不便性等问题，为精准农业环境监测提供了一种有效的解决方案。

　　关键词：无线传感器网络精准农业ZigBee环境监测

　　1引言

　　精准农业(PrecisionAgriculture)的基本涵义是根据作物生长的环境状况，调节对作物的投入，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境[1]。准确实时的信息供给是精准农业的必须前提。精准农业的实现首先在于认识农田内农作物生长环境和生长情况的差异，而这必须依赖于各种先进的传感器，如大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射、作物生长情况、作物产量等各种类型传感器。如何将这些传感器采集的信息及时准确地收集，为农业专家提供决策并制定农田变量作业处方的主要数据源和参数，一直是一个难题。近年来,出现了许多采用无线公共网络和无线网络等无线通讯方式进行农、林、牧业的远程监测的研究[2]。这些无线通信技术的优势是传输速度快、信息量大、可远距离传输，但都存在功耗高、时延长、通信费用高等因素制约，使其很难广泛地应用到农业环境监测中。

　　2系统总体设计

　　2.1系统体系结构

　　基于无线传感器网络的农业环境监测系统由无线传器节点、无线网关和监测中心服务器三部分组成。ZigBee明确定义了星形、簇状和网状3种拓扑结构[3]。为减小能量损耗和数据包丢失，本文采用簇状网络拓扑结构和层次路由协议。具体做法是将监测目标区域中的所有传感器节点分为若干个簇，每个簇相当于是一块较为固定的自组织网络。簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。根据传感器节点在网络中扮演的角色不同，又将它们分为底层普通节点、簇首以及网络协调器3种类型。其中底层普通节点将采集到的数据跳传至本簇的簇首，簇首主要完成数据融合和转寄数据包，可以将其所辖簇的底层普通节点采集的数据融合处理并发送给就近的网络协调器，同时还可以将网络协调器发送给其的数据包向其所辖的簇广播。簇首应位于所划分的簇的较为中心的位置，使得每个节点和它的传输距离大致相同，各个节点的功耗分布较为均匀，从而避免某些节点由于传输距离较远而造成能量的过多消耗。网络协调器主要负责建网以及设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。系统的体系结构如图1所示。

　　2.2系统工作过程

　　系统工作时首先由监测中心服务器发出对农田环境各项指标进行查询的请求命令，通过Internet和GPRS网络传到网关节点。网关节点根据请求命令的具体要求，选择对应的网络协调器，接着网络协调器根据命令选择所要查询的簇，当簇首节点收到控制命令以后，唤醒并激活本簇内的所有节点，进行数据采集和通信。节点及时采集数据，经过数模转换后发送给本簇的簇首节点，簇首节点对传来的数据进行融合，然后将融合后的数据发回到网关节点，继而通过外部网络传给监测中心服务器。监测中心对数据进行处理、分析，并存入环境信息数据库，为以后的分析决策提供数据资源。

　　3硬件系统设计

　　3.1传感器节点硬件设计

　　传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。本文中的传感器节点是由传感器模块、主处理模块、无线通讯模块和电源四部分组成。传感器模块负责采集温度、湿度、光照度等参数和数据的模数转换。主处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理从它自身采集来的数据以及其他节点发送来的二进制信息，无线通讯模块负责与其他的节点进行通讯，交换控制信息和收发数据。电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。其硬件结构如图2所示。

　　3.1.1微处理器模块

　　由于传器节点使用电池供电而且必须长期在野外工作，所以在选择微处理器时低功耗是一个非常重要的技术指标。MSP430F149是TI公司的一款超低功混合信号控制器，能够在低电压下以多种低功耗模式工作，具有强大的处理能力和丰富的片内外设同时支持C语言编程[4]。MSP430最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8V~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电在0.1μA~400μA之间，RAM在节电模式耗电0.1u。这些特点使得其非常适合于无线传感网络节点的设计。

　　3.1.2无线通信模块

　　无线通信模块中，选用了Chipcon公司的CC2420射频收发器，它附合IEEE802.15.4标准，能实现ZigBee协议的物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)层，同时具有低耗电、250kbps传输速率、快速唤醒时间(＜30nm)、CSMA-CA通道状态侦测等特性。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路以及微控制器接口电路，和微处理器之间使用4线SPI连接。

　　3.2无线网关的硬件设计

　　在该系统中无线网关是无线传感器网络与监测中心服务器的中转站，负责发送命令、接收下层节点的请求与数据，承担着无线传感器网络中各节点与监测中心的数据交换任务。网关的硬件体系结构如图3所示，主要包括主处理器、扩展存储器单元、射频收发模块和GPRS通信模块，另外配有以太网接口以及扩展接口等。

　　4系统软件设计

　　系统的软件设计工作主要包括ZigBee协议栈的实现和传感器节点的程序设计，在ZigBee簇状网络中，协调器和传感器节点在网络中的功能、地位不同，因而普通传感器节点与网络协调器节点的软件设计又有所不同。在本设计中，使用C语言编写实现了ZigBee协议栈，同时使用处理器自带的程序存储器来存储可配置的MAC地址、网络表和绑定表。根据ZigBee规范的定义将协议栈在逻辑分为多个层，实现每个层的代码位于一个独立的源文件中，而服务和应用程序接口(API)则在头文件中定义[7]。

　　4.1传感器节点的程序设计

　　传感器节点主要负责采集传感器数据并将这些数据传送给网络协调器，同时接收来自协调器的数据并根据这些数据进行相关操作。传感器点上电后首先对MCU初始化，然后加载SPI驱动来初始化无线通信模块CC2420，初始化成功后扫描所有可用信道来寻找临近的网络协调器，并申请加入此网络。由于传感器节点采用电池供电方式，必须要保证终端节点的低功耗，因此在设计中采用被动唤醒的方式连接协调器接收或发送数据。其它时间则转入低功耗模式，节点功耗降到最低。传感器节点的软件流程图如图4所示。

　　4.2网络协调器的程序设计

　　作为网络中的协调器，要承担网络创建与管理和数据传输二个重要功能。网络创建与管理功能主要是负责组建ZigBee网络，分配网络地址及维护绑定表。网络协调器通过扫描一个空信道来创建一个新网络，维护一个目前连接设备的列表，支持独立扫描程序来确保以前的连接设备能够重新加入网络。数据传输功能主要是充当传感器节点的数据传送给无线网关，或将监测中心的监测指令发送给传感器节点。网络协调器的软件流程图如图5所示。

　　5系统实现与监测实验

　　5.1系统软件实现方案

　　传感器节点和网络协调器的软件使用C语言在MSP430系列单片机配套的开发环境IAREmbeddedWorkbench开发，利用单片机本身的JTAG接口，通过TI公司所带的仿真器FET可以方便的进行程序调试和代码下载。无线网关使用Linux作为嵌入式操作系统，使用C语言开发了ZigBee协议栈和网关应用程序。

　　5.2系统监测实验

　　为了验证系统的各方面性能，于2008年9月5日在芜湖某花卉生产基地进行了实地监测实验。在实验场地内布置了4传感器节点和一个网关结点，场地的植株高度约为60cm，节点天线高度为120cm，节点间的距离约为40米，实验数据的采集结果如图6所示。

　　6结束语

　　无线传感器网络在环境监测、生态监控等领域应用日益广泛，尤其是在艰苦或恶劣环境条件下，具有传统监测技术不可比拟的优势[8]。本设计将基于ZigBee的无线传器网络技术应用于精准农业环境测控，利用无线传感器网络对农作物现场信息进行采集，设计了簇状的无线传器监测网络组网方案，完成了传感器节点硬件设计和软件设计。这种无线测控的方式相对于传统农业来说，其优点在于网络组建简单，一次性构建成本低，扩展性强，灵活性大，能有效地改善现有的农业生产管理模式，并极大地提高农业生产效力。

　　参考文献

　　1刘爱民,封志明,徐丽明.现代精准农业及我国精准农业的发展方向.农业大学学报,2000,(2):24－29.

　　2孟未来,杨大全,周建英.ZigBee网络在我国精准农业上的应用展.望辽宁农业科学,2007,(3):67－68.

　　3包长春,石瑞珍,马玉泉.基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计.农业工程学报,2007,23(8):160－164.

　　4胡大可.MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社,2000.

　　5孟臣,李敏.SHT11数字式温湿度传感器原理与应用.世界电子元器件,2003,(8):66－68.

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《基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计》

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