陳克濤，張海輝，張永猛，張 杰，吳婷婷

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

農(nóng)田環(huán)境信息獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要分支之一，其要求以低成本、高準(zhǔn)確度與高密度的信息技術(shù)獲取土壤信息、作物信息以及農(nóng)田微氣象信息[1]。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成[2]，具有組網(wǎng)靈活、部署方便、抗毀性強、動態(tài)性高、多跳路由和多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c[3-4]。目前，國內(nèi)外眾多科研人員已將WSN技術(shù)應(yīng)用于節(jié)水灌溉、溫室調(diào)控與農(nóng)業(yè)氣象信息監(jiān)測等方面，并且取得了一定的進(jìn)展[5-9]。

在農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯聚、處理與轉(zhuǎn)發(fā)等，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[10]。如楊奎武[11]設(shè)計了基于嵌入式處理器AT91R40008與實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的WSN網(wǎng)關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)了WSN數(shù)據(jù)的高速采集與可靠傳送。陳昊等[12]設(shè)計了基于ARM的針對野外環(huán)境的WSN網(wǎng)關(guān)節(jié)點，具有長期穩(wěn)定通信與高性能數(shù)據(jù)管理等特點。張海輝等[13]設(shè)計了基于WinCE系統(tǒng)的通用農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)關(guān)，具有監(jiān)測區(qū)域信息組織管理能力與監(jiān)測節(jié)點的屬性動態(tài)配置等特點，可實現(xiàn)現(xiàn)場可視化設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理。陸建強等[14]設(shè)計了一種基于LPC2148 ARM7與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的用于茶園監(jiān)測的WSN網(wǎng)關(guān)，結(jié)合編寫的專用通信協(xié)議與路由算法，具有功耗低、生命周期長等優(yōu)點。劉榮等[15]設(shè)計了基于嵌入式處理器PXA270與Linux操作系統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與處于外網(wǎng)的信息展示平臺的實時通信功能。

以上研究中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通?；贏RM處理器，但由于農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，如設(shè)施環(huán)境高溫高濕、野外設(shè)備維護(hù)困難、農(nóng)戶信息技術(shù)水平較低、現(xiàn)場人機交互需求少等，使其在實際應(yīng)用中存在農(nóng)戶應(yīng)用困難、維護(hù)與檢修難度大及易損壞等不足。而且該類網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計開發(fā)成本高，因此有必要研究探索在部署時可一次性配置、無需動態(tài)調(diào)控、低成本W(wǎng)SN網(wǎng)關(guān)節(jié)點的實現(xiàn)方法。

本研究針對以上不足，基于TI公司具有低功耗設(shè)計、集成MCU與射頻電路的CC2530芯片，設(shè)計了WSN網(wǎng)關(guān)節(jié)點，旨在實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與中心服務(wù)器的信息交互。同時，為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在大田進(jìn)行了數(shù)據(jù)接收信號強度與誤包率測試及實地部署測試試驗，以期為滿足大部分無需現(xiàn)場控制的農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測提供支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于WSN的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點分布在大田的各個區(qū)域，農(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚處理后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接和數(shù)據(jù)交互。WSN監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1所示。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)互連的重要節(jié)點，具有ZigBee協(xié)議組網(wǎng)、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及GPRS通信等功能，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 農(nóng)田環(huán)境WSN監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架

網(wǎng)關(guān)節(jié)點由處理器模塊、射頻處理模塊、GPRS模塊、狀態(tài)指示電路模塊以及電源管理模塊組成。其中，太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池與電源轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成電源管理模塊，其輸出電壓供給處理器模塊、射頻模塊、GPRS模塊與狀態(tài)指示電路模塊；處理器模塊通過I/O接口控制狀態(tài)指示電路，通過串口與GPRS模塊實現(xiàn)通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件采用Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組織管理，通過擴展用戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)及GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接通信等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 中央處理器模塊

中央處理器主要完成網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、傳感數(shù)據(jù)匯聚、協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的通信。本研究選用德州儀器的集成芯片CC2530F256，該芯片集成了增強型8051微控制內(nèi)核與2.4 GHz的RF收發(fā)器，具有256 kB的內(nèi)存。同時結(jié)合該公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)，為用戶提供了一個較好的ZigBee應(yīng)用解決方案，用戶可在此協(xié)議?；A(chǔ)上開發(fā)特定應(yīng)用場合下的應(yīng)用程序。CC2530芯片硬件集成度高，具有多種喚醒與休眠工作模式，可達(dá)到低功耗的應(yīng)用要求，且運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，可進(jìn)一步降低功耗，能夠滿足農(nóng)田監(jiān)測設(shè)備的低功耗要求。CC2530的應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 CC2530的應(yīng)用電路

在圖3中，P0端口與P1端口為功能復(fù)用端口，由相應(yīng)的寄存器控制功能模式選擇。當(dāng)模式選為通用I/O接口時，接入狀態(tài)指示電路，其中P1_4引腳接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，節(jié)點上電后，系統(tǒng)程序開始運行，該指示燈閃爍時表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功；P1_0 引腳接入數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈，從終端節(jié)點獲取到的傳感數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送至SIM900A時，該指示燈長亮3 s，然后經(jīng)RF收發(fā)器發(fā)送至移動基站。模式選擇為外設(shè)I/O接口時，P0_2引腳與P0_3引腳作為USART0的TX端口和RX端口，連接至串口設(shè)備GPRS模塊。P2_1引腳和P2_2引腳為下載調(diào)試設(shè)備接口，接入仿真器可實現(xiàn)硬件在線調(diào)試查錯等。

2.2 GPRS通信模塊

為了實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)與控制命令的遠(yuǎn)程傳輸與通信，設(shè)計選用覆蓋面積較廣的無線網(wǎng)絡(luò)GPRS/GSM接入方式。無線網(wǎng)絡(luò)GPRS/GSM具有遠(yuǎn)距離通信的能力，因其按流量計費，因此適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小、實時性要求相對較低的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。

設(shè)計選用SIMCom公司的SIM900A芯片，該芯片采用省電技術(shù)設(shè)計，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA，適合于惡劣或特殊環(huán)境下的低功耗要求。芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的TCP/IP AT命令方便用戶使用TCP/IP協(xié)議，可以實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的低功耗傳輸。對SIM900A采用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令寫入，實現(xiàn)與中心服務(wù)器的TCP連接，從而將ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器。GPRS通信模塊的電路原理如圖4所示。

GPRS通信模塊硬件電路主要包括特殊供電電源電路、串口電路、SIM卡槽電路以及天線接口電路。其中VBAT引腳為SIM900A的供電端，由于信號傳輸?shù)拟Оl(fā)會導(dǎo)致電壓跌落，此時電流損耗峰值會達(dá)到2 A，因此要求可提供2 A的電流，同時使用旁路電容C4、C5濾除雜波。選用8個引腳的SIM卡座，SIM卡插取動作檢測PRESENCE引腳懸空，采用電阻R11、R12、R13分別串在SIM900A的SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA引腳來匹配模塊與SIM卡之間的阻抗。NETLIGHT信號用來驅(qū)動GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的LED燈，通過燈的閃爍模式，提示SIM900A是否工作、是否注冊到網(wǎng)絡(luò)以及通訊是否處于正常狀態(tài)。

2.3 電源模塊

系統(tǒng)的部署環(huán)境為作物種類多變、長勢參差不齊的農(nóng)田環(huán)境，很難實現(xiàn)電線輸電，且此方式成本較高，因此采用太陽能供電。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的核心芯片CC2530的供電電壓為3.3 V，GPRS模塊的供電電壓為5 V，于是采用12 V 20 W單晶硅的太陽能電池板、12 V 10 A的太陽能控制器和12 V 7 A·h的LC-R127R2松下蓄電池形成穩(wěn)定的12 V電壓輸出系統(tǒng)。電源電路采用開關(guān)電源芯片LM2596-5.0與穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3 V轉(zhuǎn)換輸出5 V與3.3 V的供電電壓。

圖4 GPRS通信模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件開發(fā)選用配套的IAR Embedded Workbench(簡稱EW)作為集成開發(fā)平臺。EW集成了編譯和調(diào)試功能，同時支持C/C++編程,是易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。

軟件功能主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的建立、監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、信息的下行采集及用戶任務(wù)處理等。用戶應(yīng)用程序開發(fā)結(jié)合了ZigBee 2007 PRO協(xié)議棧，通過調(diào)用Z-Stack協(xié)議棧提供的API接口函數(shù)與原語函數(shù)實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立、設(shè)備初始化、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址分配和數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換等功能。同時通過用戶應(yīng)用程序合理選擇主芯片的工作模式，降低系統(tǒng)功耗。GPRS網(wǎng)絡(luò)的建立則是CC2530通過USART0對SIM900A發(fā)送AT命令實現(xiàn)GPRS連接。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計流程如圖5所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電后，節(jié)點進(jìn)行設(shè)備初始化并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點上電掃描信道選擇最佳路由路徑，傳感數(shù)據(jù)經(jīng)最佳路徑發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最后通過接入的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至中心服務(wù)器。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點在響應(yīng)射頻模塊接收數(shù)據(jù)時，程序內(nèi)執(zhí)行中斷處理，并設(shè)置標(biāo)志位。協(xié)議棧采用多任務(wù)的資源分配機制操作系統(tǒng)OSAL循環(huán)完成任務(wù)事件的標(biāo)志檢測與響應(yīng)處理，程序中的tasksEvents[]數(shù)組存放任務(wù)事件的標(biāo)志位，tasksArr[]數(shù)組存放事件處理函數(shù)的地址，通過任務(wù)號idx與tasksEvents[]相對應(yīng)，保證相應(yīng)的響應(yīng)被處理，從而完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)與上傳。

圖5 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件總體設(shè)計流程

4 農(nóng)田實地部署測試

2013-07-08，在楊凌示范區(qū)揉谷鄉(xiāng)進(jìn)行了為期1個月的網(wǎng)關(guān)節(jié)點穩(wěn)定性與可靠性測試。本試驗測試系統(tǒng)各節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系與圖1相同，系統(tǒng)由8個終端節(jié)點與1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，節(jié)點高度為2 m，終端節(jié)點呈網(wǎng)格排列部署，且每個終端節(jié)點接有土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度與空氣CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳時間間隔為10 min。

4.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收的信號強度與誤包率

為了形成網(wǎng)絡(luò)的最大覆蓋，試驗采用SmartRF Studio軟件對終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行了測試，測試內(nèi)容為不同節(jié)點距離下接收的信號強度與誤包率，從而可以在接收的信號強度和誤包率允許條件下得到最合適的節(jié)點部署距離。表1為不同節(jié)點距離下接收的信號強度與誤包率的測試結(jié)果。

表1 不同節(jié)點距離下網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收的信號強度與誤包率

由表1可知,節(jié)點距離為100～150 m時，接收的信號強度差別不大。而在節(jié)點距離大于120 m時，誤包率出現(xiàn)且逐漸增大，為保證系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性，將網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)的節(jié)點距離確定為120 m。

4.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性

由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點不具備數(shù)據(jù)存儲和顯示功能，通過訪問上層中心服務(wù)器分析網(wǎng)站網(wǎng)頁上節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)趨勢曲線，驗證農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體功能的穩(wěn)定性。

表2為隨機選取的某一時間點5001～5008號監(jiān)測節(jié)點的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明利用該網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以實時獲取各監(jiān)測節(jié)點的空氣溫度、土壤溫度、土壤水分與空氣CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)，證明各監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)上傳正常且有效可靠。

表2 測試期某時刻8個監(jiān)測節(jié)點上傳中心服務(wù)器的監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6為隨機選取的5004號監(jiān)測節(jié)點連續(xù)24 h空氣溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)曲線，曲線上的各時刻點數(shù)據(jù)為每小時6個數(shù)據(jù)的平均值，曲線連續(xù)無斷點，證明網(wǎng)關(guān)節(jié)點可連續(xù)匯集并轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖6 2013-07-24 5004號監(jiān)測節(jié)點24 h空氣溫度變化曲線

圖7為5004號監(jiān)測節(jié)點在2013年7月逐日空氣溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線，曲線各點數(shù)據(jù)為每天監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，曲線連續(xù)無斷點，證明網(wǎng)關(guān)節(jié)點可長時間穩(wěn)定工作。

5 結(jié) 論

本研究從硬件與軟件兩個方面設(shè)計了基于CC2530的面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測的WSN網(wǎng)關(guān)節(jié)點，給出了以CC2530為核心處理芯片的簡易版網(wǎng)關(guān)的硬件架構(gòu)設(shè)計與軟件通信流程，設(shè)計的網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建與監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，并能由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器。農(nóng)田實地部署測試表明，所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有丟包率低、運行穩(wěn)定可靠與成本低等特點。該網(wǎng)關(guān)節(jié)點適用于地形復(fù)雜多變的農(nóng)田環(huán)境，具有良好的發(fā)展前景。

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