楊春勇，谷 瑑，陸 恒，覃 敏

(中南民族大學 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074)

近年來，以ZigBee為代表的無線傳感器網絡技術在農業(yè)環(huán)境監(jiān)測方面的研究和應用受到廣泛關注.如利用多個無線傳感器節(jié)點監(jiān)測農業(yè)大棚的環(huán)境參數[1-3].目前針對農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究主要集中在網絡覆蓋和性能方面，而在終端的多功能和低成本方面的研究還鮮有所見.實際應用中，終端的成本、功能、性能卻是影響無線傳感器網絡普及應用的重要因素[4].現有的無線傳感網絡終端存在三個不足：一是其所能采集的參數較少[5].雖然單個終端的成本并不高，但若要采集單位面積的多種環(huán)境參數，則需添加更多的單個終端，因此實際上部署整個系統(tǒng)的成本不降反升.二是其缺少現場圖像信息.為了掌握作物的實際生長狀況，用戶不得不到現場進行實地觀察，因而在監(jiān)測場地距離遠、相對分散的情況下，就顯得十分不便[2-3].三是終端節(jié)點大都采用干電池供電[6].單一的供電方式不能滿足多種場合持久工作的需要[7].

針對以上提及的無線傳感器網絡終端存在的不足，本文設計一種基于ZigBee的多參數智能傳感終端.該終端具有的特點包括：具有對農作物生長形態(tài)的遠程拍照功能；可配置多種傳感器接入技術；傳感器陣列TDM(time division multiplexed，TDM)節(jié)能供電方案；具有電量監(jiān)測預警功能的太陽能、市電、蓄電池FILO三級堆棧智能電源[8].

1 系統(tǒng)原理

多參數智能傳感終端的總體結構如圖1所示.系統(tǒng)主要由四部分組成，分別是微控制器平臺、傳感器陣列、無線傳輸模塊和智能電源模塊.微控制器平臺是多參數智能傳感終端的核心.傳感器陣列包含形態(tài)圖像、溫度、濕度、氣體濃度、光照強度和土壤酸堿度共計6種傳感器.盡管傳感器陣列一方面可豐富采集的環(huán)境參數，但另一方面也給系統(tǒng)功率預算帶來較為苛刻的要求.為了有效降低系統(tǒng)功耗，本文考慮傳感器陣列節(jié)能供電方案，如此可使得采樣周期內系統(tǒng)功耗保持相對穩(wěn)定.終端還采用智能電源模塊供電，可滿足系統(tǒng)在不同應用環(huán)境下全天候供電需求，達到提高多參數智能傳感終端續(xù)航工作的能力.無線傳輸模塊的功能是用于終端按照相關協議加入到無線傳感器網絡，并將傳感器采樣數據傳送給網絡協調設備.

圖1 多參數智能傳感終端總體結構

圖2 硬件結構圖

2 系統(tǒng)實現

2.1 硬件實現

終端硬件結構如圖2所示，微控制器平臺選用低成本的Silicon公司生產的C8051F350 芯片.它主要負責協調控制傳感器陣列進行多參數綜合采集；實現傳感器陣列TDM節(jié)能切換控制；控制XBee無線傳輸模塊與上位機通信.傳感器陣列是多參數智能傳感終端的重要組成部分，它由SHT11溫度/濕度傳感器、MAX44009環(huán)境光照傳感器、TDR-3土壤濕度傳感器、SH-300-ND空氣CO2濃度傳感器和E-201-C-9水環(huán)境pH值傳感器構成，基本涵蓋了農作物生長所需的幾種關鍵環(huán)境參數.此外，考慮到環(huán)境監(jiān)測現場情景相對固定，因此硬件上設計接入低成本的ZSV-01P串口攝像頭，用戶可根據需要遠程采集被監(jiān)測現場的圖像信息，為科學管理和決策提供更為直觀的資料.無線傳輸模塊采用美國Digi公司的XBee ZNet 2.5低功耗模塊[5]，它內置ZigBee協議棧，工作于全球免費的2.4G ISM頻段，具有16個信道，室內傳輸40 m，室外傳輸120 m.

為滿足智能傳感終端在不同場合的全天候穩(wěn)定供電需求，本文采用優(yōu)先級為太陽能、市電和蓄電池FILO三級堆棧構成智能電源模塊，如圖3所示.蓄電池是最后一道能源保障；太陽能和市電可根據監(jiān)測現場實際需求配置，同時太陽能、市電存在時均可以為蓄電池充電和智能終端供電.當三種電源共存時，優(yōu)先使用太陽能；當沒有太陽能和市電的情況下，采用蓄電池供電；當太陽能或市電二者之一搭配蓄電池使用時，太陽能或市電優(yōu)于蓄電池使用.

(a)蓄電池供電 (b)太陽能、市電、蓄電池供電 (c)太陽能、蓄電池或市電、蓄電池供電

太陽能電源模塊采用Eco-Worthy生產的ICO-SPC-20 W太陽能電池板，輸出電壓20 V，通過LM2596降壓為系統(tǒng)供電；市電采用9 V/1000 mA電源適配器接入；蓄電池采用4節(jié)三洋18650 2600 mAh 3.7 V可充電電池，兩兩串聯后再并聯，經過前端穩(wěn)壓至5 V后接入電路.同時，本文設計了蓄電池剩余電量監(jiān)測功能，確保智能終端正常工作.

為有效降低多參數智能傳感終端的功耗，本文設計了電源TDM節(jié)能供電方案，其原理如圖4所示.如圖，根據傳感器的功率大小和穩(wěn)定輸出時間不同，將傳感器工作時間劃分成不等的時間片，在對應時間片內使能部分傳感器，而其他傳感器處于休眠狀態(tài)，在傳感器陣列工作一個輪后，終端即進入休眠待機時間，此后再開啟下一個循環(huán)，形成一個采樣周期.

圖4 傳感器陣列TDM節(jié)能供電方案示意圖

圖5 終端接收控制指令的中斷響應流程圖

圖6 傳感器陣列TDM節(jié)能供電方案與ALL-ON方案功耗對比

2.2 軟件實現

系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷響應程序兩部分.系統(tǒng)上電以后首先初始化C8051F350，然后根據圖4所示的TDM節(jié)能供電方案控制傳感器陣列采集數據，并將數據通過XBee無線傳輸模塊發(fā)送給網絡協調設備.當終端接收到來自網絡協調設備發(fā)送的拍照、系統(tǒng)重啟和測試等控制指令時，系統(tǒng)即進入中斷響應程序，中斷響應流程如圖5所示.

2.3 系統(tǒng)測試及分析

在實驗室環(huán)境下，本文對實現的多參數智能傳感終端進行能耗測試，測試結果與傳感器陣列中所有傳感器同時工作(ALL-ON)的情況進行對比，如圖6所示.從圖中可以明顯地看出，采用傳感器陣列TDM節(jié)能供電方案可以相對減少約45%～50%的能耗，這一結果可使終端節(jié)點的連續(xù)工作時間延長一倍，對農業(yè)環(huán)境監(jiān)測具有較為重要的意義.

將多參數智能傳感終端放置在經柏油防水處理的實驗室屋頂進行功能測試，測試時間為2011-08-13—14，測試地點為武漢(29°58′20″N，113°53′29″E)，晴天少云，室外溫度38℃，地面50℃以上.終端配置的6個參數的測試結果如圖7所示.

實驗結果分析：

1)如圖7(a)～7(d)所示，在連續(xù)測試的24 h，溫度、空氣濕度、光照強度和CO2濃度值的變化趨勢均與天氣變化情況一致；

2)將土壤濕度傳感器插入花盆中，于8:00時向花盆中加入少量水，土壤濕度值開始上升，17:00左右花盆里的土壤受瀝青散熱影響，土壤濕度值急劇下降.該測試結果的變化情況準確反映在圖7(e)上.

3)圖7(f)所示為攝像頭拍攝的圖片，畫面清晰可見.

3 結論

本文結合ZigBee傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測方面的應用需要，設計并實現了一種多參數智能傳感終端工程樣機，對其進行了環(huán)境參數采集、遠程拍照功能和整體能耗測試.實驗室測試結果表明，該終端可正常運行；其采集到的數據可以及時準確反應環(huán)境參數變化；具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性；遠程拍照功能可以為用戶提供現場圖像信息；在軟硬件設計上，本文充分考慮在不同場合布設的需要，系統(tǒng)總體達到了設計目標和性能要求.

(a) 空氣溫度 (b) 空氣濕度 (c)光照強度

(d) 空氣CO2濃度 (e) 土壤濕度 (f)測試環(huán)境照片

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