張亞鋒

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國草地資源約有4億多公傾，其中有近3億公傾的草原和1億多公傾的草山草坡，約占農(nóng)用土地面積的一半［1］。草原是人類賴以生存至關(guān)重要的資源，尤其在廣大的半干旱、干旱區(qū)，天然草原是非常重要的可更新資源，它不但具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、凈化空氣、緩解洪澇災(zāi)害、防止水土流失等眾多作用，而且為畜牧業(yè)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，這已成為科技界和經(jīng)濟(jì)界的共識。然而從20世紀(jì)60年代到如今，由于受全球氣候變化的影響，我國人口的迅速增長和人們經(jīng)營活動強(qiáng)度的加大，導(dǎo)致我國草原退化嚴(yán)重，載畜能力嚴(yán)重下降，各種災(zāi)害屢次發(fā)生。因此，及時了解草原牧草生長狀況和草原氣候特點(diǎn)，并研究分析草原氣候因素對牧草生長、發(fā)育以及產(chǎn)量的影響，對于保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境，合理放牧，科學(xué)掌握草原氣候變化規(guī)律等至關(guān)重要。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)［2］是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量、具有感知能力和通信的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。而ZigBee［3］最適合作為WSN無線通信方式的選擇，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)。因此，為更好地監(jiān)測草原氣候變化的動態(tài)，促進(jìn)畜牧業(yè)的生產(chǎn)，本設(shè)計(jì)提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的草原環(huán)境監(jiān)測方案，實(shí)現(xiàn)對影響草原牧草生長的氣候因素，包括空氣溫濕度、光照度、降雨量的實(shí)時、遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 氣候因素對草原環(huán)境的影響

誘發(fā)草原退化的最重要因素之一是氣侯因素，在惡劣的氣候條件下(如干旱、大風(fēng))可以引起草原退化的發(fā)生，反過來，當(dāng)草原退化到達(dá)一定的程度和面積時也會對該區(qū)域氣候環(huán)境造成一定的影響，使得氣象條件進(jìn)一步惡化。氣候條件對草原天然牧草生長發(fā)育有很大影響，如空氣溫濕度和天然牧草的生長發(fā)育有密切的關(guān)系，只有在適宜的溫度［4］下才能生長發(fā)育;光照度直接影響著天然牧草的光合能力，在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光合能力隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，但是當(dāng)光照度超過飽和點(diǎn)后，反而會導(dǎo)致光抑制作用，引起牧草的生理障礙;降水對牧草產(chǎn)量的高低有很大的影響，降水充足牧草產(chǎn)量就高，反之就低，并且降水量影響著牧草生長的高度。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1 草原監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對草原環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，基于 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了草原環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)測PC機(jī)組成。本設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

其中ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)完成草原天然牧草生長環(huán)境的空氣溫濕度、光照度及降雨量等參數(shù)，并通過ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息周期性發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址并發(fā)送入網(wǎng)響應(yīng)等功能，同時完成與監(jiān)測PC機(jī)的通信;監(jiān)測PC機(jī)用于顯示、存儲草原環(huán)境信息，以便管理人員對影響草原天然牧草生長發(fā)育的氣候因素進(jìn)行分析，用于調(diào)節(jié)和管理天然牧草。

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，以TI公司的CC2530芯片為核心設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要包括處理器與無線通信模塊、傳感器模塊(僅傳感器節(jié)點(diǎn))、太陽能電源模塊、GPRS模塊(僅協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 處理器與無線通信模塊

該模塊選用TI公司推出的是CC2530芯片［5］，它為新一代片上系統(tǒng)解決方案，內(nèi)部集成了低功耗的8051微處理器和高性能的RF收發(fā)器，工作頻段為2.4 GHzISM(Industrial Scientific Medical)。支持寬電壓供電范圍2 V～3.6 V，工作環(huán)境溫度為-40℃～125℃;支持接收、發(fā)送、休眠等五種工作模式，并且轉(zhuǎn)換時間短，在發(fā)送和接收模式下，電流消耗分別為29 mA、24 mA，在休眠模式下電流僅為0.4 μA，滿足超低功耗的設(shè)計(jì)要求。由于CC2530功耗低、封裝小，硬件設(shè)計(jì)簡單，且內(nèi)部集成了一些常用的功能模塊，在WSN(Wireless Sensor Network)中得到了廣泛地應(yīng)用。

2.2 傳感器模塊

傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

它們的輸出形式分別為數(shù)字輸出，電壓輸出，干簧管通斷。

2.3 太陽能電源模塊

由于傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在草原上，陽光充足，并且傳感器消耗較大和節(jié)點(diǎn)長時間工作的要求，因此能量供應(yīng)采用太陽能電源模塊，該模塊包括太陽能電池板、蓄電池及控制器。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊選用西門子公司的MC39i模塊［6］，該模塊的穩(wěn)定性與性價比較高，工作在EGSM900與GSM1800雙頻，提供數(shù)字、短消息、語音及傳真，支持GPRS多時隙Class10和AT命令編程，利用ZIF為用戶提供RS-232、SIM卡以及語音等接口，具有低功耗、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。MC39i模塊通過串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)測中心三部分。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和分配短地址。先是給協(xié)調(diào)器上電，之后便進(jìn)行初始化，包含系統(tǒng)初始化與任務(wù)初始化。接著就掃描配置一個合適的信道用來建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)請求加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器給它分配短地址并自動進(jìn)入允許綁定模式，用來響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的綁定請求。綁定成功后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)便接收從路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將它傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測PC機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集草原環(huán)境信息并發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)上電后，先是進(jìn)行初始化，掃描信道，并請求加入已存在的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)。接著在加入網(wǎng)絡(luò)成功后請求綁定，若綁定成功，便開始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，之后便轉(zhuǎn)入低功耗模式并計(jì)時，若是時間到，便繼續(xù)采集，如此循環(huán)。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.3 監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心使用北京亞控公司的組態(tài)王6.55，該軟件具有豐富的函數(shù)控件和圖庫，可以快速完成用戶界面。監(jiān)測軟件主要包括實(shí)時數(shù)據(jù)曲線顯示、報(bào)警設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)查詢等。其中，在組態(tài)王界面實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度以及降雨量的實(shí)時顯示，并將組態(tài)王與SQL SERVER連接起來，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢。

4 測試及其結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測試

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的無線傳輸受周圍環(huán)境影響比較大，為保證系統(tǒng)測試可以順利進(jìn)行，本文測試是在天氣晴朗、場地開闊的操場上放置四個傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的距離不超過50 m，而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置在距離最近的傳感器節(jié)點(diǎn)的70 m處，并通過USB轉(zhuǎn)串口線與計(jì)算機(jī)相連。經(jīng)測試該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以在30 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4.2 節(jié)點(diǎn)溫濕度采集精度測試

以空氣溫濕度為監(jiān)測對象，對節(jié)點(diǎn)的傳感器精度進(jìn)行了測試，測試時間為2014年5月20日9時至18時。利用精準(zhǔn)測試工具希瑪AR837空氣溫濕度檢測儀，與節(jié)點(diǎn)通過SHT11傳感器所測得的空氣溫濕度進(jìn)行比較。如圖5所示。

圖5 空氣溫濕度結(jié)果比較

從空氣溫濕度對比圖中可以看出測量的結(jié)果準(zhǔn)確性高，溫度誤差不超過±0.3℃，濕度誤差不超過±%2RH。

5 結(jié)束語

為了保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展，構(gòu)建了基于Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的草原環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和GPRS技術(shù)，保證草原環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)大范圍的草原牧草生長環(huán)境監(jiān)測，科學(xué)掌握草原氣候特點(diǎn)與草原牧草生長發(fā)育狀況。系統(tǒng)組網(wǎng)方便、穩(wěn)定可靠，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在草原環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用做了有益探索。

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