孫 冰

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林，132022）

遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

孫 冰

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林，132022）

本文將WSN和GPRS技術(shù)有效結(jié)合起來設(shè)計一種新型遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以S3C2440為核心處理器，融合Zigbee技術(shù)和傳感技術(shù)完成對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境信息的采集和無線傳輸；采用GPRS技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控。監(jiān)測平臺采用虛擬儀器設(shè)計界面，監(jiān)測界面簡潔。測試表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有廣泛的應(yīng)用前景。

信息采集;Zigbee;S3C2440;GPRS 技術(shù);WSN

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”走入各個農(nóng)業(yè)環(huán)境生產(chǎn)現(xiàn)場。但是，由于農(nóng)田覆蓋面積廣大，環(huán)境惡劣且存在不確定性，因此在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲取農(nóng)田環(huán)境信息是一個關(guān)鍵方面，而且實現(xiàn)遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個發(fā)展趨勢。有線布線方式由于其線纜成本高、不易布線等缺點被逐步取代；常規(guī)的無線通信方式存在功耗高、時延長及錯誤率高等缺點限制了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著新一代技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可以解決傳統(tǒng)監(jiān)測方法的弊端。本文以ARM作為平臺，結(jié)合傳感器技術(shù)和ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)工作人員對農(nóng)田環(huán)境的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由農(nóng)田檢測部分和無線通信電路兩部分組成。檢測部分由終端傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關(guān)組成。終端傳感器節(jié)點以CC2530為核心，配合傳感器模塊完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)發(fā)送。協(xié)調(diào)器又稱匯聚節(jié)點，主要完成數(shù)據(jù)的匯聚，負(fù)責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立及節(jié)點的管理。嵌入式網(wǎng)關(guān)集成了GPRS模塊，將來自于協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實現(xiàn)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet信息間交互。上位機(jī)或手持設(shè)備通過Internet/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測中心完成數(shù)據(jù)分析、處理等功能，并完成上位機(jī)對下位機(jī)的控制，實現(xiàn)工作人員對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。監(jiān)測中心采用圖形化語言Labview8.5編寫，界面簡單友好。系統(tǒng)總體框圖如1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 無線采集電路設(shè)計

由ZigBee構(gòu)成的無線傳感器采集節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。傳感節(jié)點由傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，完成對農(nóng)田環(huán)境信息的采集和發(fā)送。在系統(tǒng)中主要完成與植物生長密切相關(guān)環(huán)境信息的采集，信息采集由各種傳感器完成，因此要求傳感器具備較高的精度及較低的功耗。溫濕度傳感器采用數(shù)字式一線制傳感器SHT15，SHT15內(nèi)部集成14位A/D，采用I2C總線接口傳輸數(shù)據(jù)，將SCK 和DATA引腳與CC2530 I/O口相連就可以完成溫濕度的檢測。光照傳感器采用歐恩公司生產(chǎn)的On9658，它是一個光電集成傳感器，內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感。土壤濕度傳感器采用簡易式SEN0114，其表面鍍金處理，加強(qiáng)了導(dǎo)電性和抗腐蝕性，將輸出的信號通過AD采集即可測出土壤濕度。

2.2 ZigBee組網(wǎng)電路設(shè)計

系統(tǒng)采用美國TI公司生產(chǎn)的CC2530射頻芯片來完成ZigBee組網(wǎng)通信。由于CC2530具有不同的運行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。系統(tǒng)在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上選取樹狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且盡可能減小系統(tǒng)功耗。協(xié)調(diào)器節(jié)點是用來建立和控制Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到監(jiān)控中心分析與管理。設(shè)計中協(xié)調(diào)器與路由器的基本結(jié)構(gòu)一致。采用CC2591作為信號放大器件進(jìn)一步提高Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍滿足現(xiàn)場需求。

2.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)由中央控制器和GPRS模塊組成，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)測中心和手持設(shè)備。中央控制器選用三星公司的S3C2440芯片，該芯片運行速度快可以更好的滿足系統(tǒng)實時控制需求； GPRS模塊選用集成的SIM300模塊，其內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持AT指令集，GPRS模塊通過串口與中央控制器相連。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括兩部分，由農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序和上位機(jī)軟件程序組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件程序包括數(shù)據(jù)采集程序、Zigbee路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點程序以及嵌入式網(wǎng)關(guān)程序。監(jiān)控中心軟件采用圖形化語言Labview8.5設(shè)計，實現(xiàn)人機(jī)交互界面簡潔及遠(yuǎn)程控制。

3.1 傳感器節(jié)點程序設(shè)計

傳感器節(jié)點的功能是通過各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。傳感器節(jié)點啟動后，尋找是否存在建立好的網(wǎng)絡(luò)，若存在，則向Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送加入請求；否則繼續(xù)等待。當(dāng)獲得協(xié)調(diào)器允許后，傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)開始進(jìn)行周期性采集，為了降低功耗，每次采集過后，進(jìn)入睡眠模式；將采集到的數(shù)據(jù)與自己的網(wǎng)絡(luò)地址通過樹形拓?fù)浒l(fā)送到協(xié)調(diào)器。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程

系統(tǒng)中，Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動并組建網(wǎng)絡(luò)，為整個網(wǎng)絡(luò)添加合法的采集節(jié)點并且實現(xiàn)接收和發(fā)送來自采集節(jié)點的數(shù)據(jù)。同時，通過UART與中央控制器相連，實現(xiàn)信息匯聚和用戶命令向下發(fā)放。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程

3.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet信息的交互。嵌入式網(wǎng)關(guān)是基于ARM嵌入式操作系統(tǒng)下完成，數(shù)據(jù)接收采用Socket技術(shù)編寫，通過監(jiān)聽服務(wù)器端口，將ARM網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照自定義的數(shù)據(jù)幀協(xié)議解析后存入數(shù)據(jù)庫。嵌入式網(wǎng)關(guān)流程如圖3所示。

3.4 用戶界面設(shè)計

用戶界面采用Labview8.5開發(fā)，實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信息參數(shù)的分析處理，并且完成與下位機(jī)的通信與交互。農(nóng)田環(huán)境管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理和環(huán)境信息監(jiān)測兩大部分。數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲、處理和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。環(huán)境信息監(jiān)測包括數(shù)據(jù)實時顯示、參數(shù)設(shè)置、圖表繪制及發(fā)出指令控制下位機(jī)等功能，為用戶提供一個簡單的信息瀏覽和數(shù)據(jù)查詢平臺。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)流程

4 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和正確性，對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行測試。在農(nóng)業(yè)種植區(qū)每隔100m放置一個傳感器節(jié)點， 并用兩節(jié)五號電池給Zigbee模塊供電。在監(jiān)測工作站內(nèi)，PC機(jī)及手持設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)與下位機(jī)相連。測試時，通過用戶界面發(fā)出指令對農(nóng)田參數(shù)進(jìn)行檢測，上位機(jī)接收、處理顯示檢測到的數(shù)據(jù)，將測試結(jié)果與實際儀器測試值進(jìn)行比較，結(jié)果表明系統(tǒng)測試準(zhǔn)確而且通信可靠，系統(tǒng)丟包率和誤碼率幾乎為0。

5 結(jié)論

本文以S3C2440微處理器作為控制核心，將由Zigbee技術(shù)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS技術(shù)相結(jié)合，借助無線網(wǎng)絡(luò)的組建實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)工作區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，有利于推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、監(jiān)測效率高、覆蓋范圍大，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了一種新的貢獻(xiàn)。

[1] 余曉波.農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)設(shè)計及其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[D].安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[2] 劉媛媛,朱路,黃得昌.基于GPRS與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，7,2013.

[3] 李雪剛,黃夢醒,朱東海.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程,17,2012.

[4] 王福平,馮盼盼.基于GPRS和ZigBee的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),12,2014.

[5] 蔡肯,王克強(qiáng),李名利.遠(yuǎn)程農(nóng)田信息監(jiān)控綜合網(wǎng)站設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),6,2011.

Remote agricultural environment monitoring system design

Sun Bing
(jilin institute of chemical industry, information and control engineering college,jilin,132022)

In this paper,the WSN and GPRS technology effectively combined to design a new type of remote agricultural environment monitoring system.Fusion system based on S3C2440 processor,Zigbee technology and sensor technology to complete the scene environment for agriculture information acquisition and wireless transmission;Use GPRS technology to realize remote environmental monitoring.Monitoring platform using the virtual instrument interface design,monitoring interface is simple. Tests show that the system runs stably and has wide application prospect.

data collection;Zigbee;S3C2440.GPRS technology;WSN

孫冰（1985-）男，吉林吉林市人，碩士研究生，助教，主要研究方向單片機(jī)、自動檢測技術(shù)及PLC.