基于WSN的便携式FPGA农田环境监测系统

潘军璋　高云等

摘要：针对农田环境信息获取时存在的信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等诸多不利因素，设计了采用基于无线传感器网络技术和可编程片上系统（ＳＯＰＣ）技术的便携式农田环境监测系统。该系统通过温度、湿度、光照度等传感器实时采集农田环境数据；以ＣＣ２４３０模块为终端测量节点的核心，建立无线传感器网络实现监测数据的无线传输和汇集；采用具有ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器的现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）控制系统实现对整个系统的管理。田间试验结果表明该系统能够有效地采集环境数据，并具有组网灵活、可扩展性强、携带方便等优点。

关键词：无线传感器网络；现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）；农田；环境监测

中图分类号：ＴＰ２７４＋．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０12）24－5778-05

农田环境信息主要包括温度、湿度、光照度等，这些环境因素的确定对实现高产、高效农业与农业现代化有很大的指导意义［１］。在对农田环境信息进行获取时，面临着信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等诸多不利因素，而这些因素都制约着对农田环境信息实时、有效、方便地获取。如何快速、准确、有效、实时地获得农田环境信息的各类数据已成为现代信息农业的重要研究内容，也是精细农业得以发展的基础［２，３］。

近几年来发展起来的无线传感器网络技术和可编程片上系统（ＳＯＰＣ）技术为农田环境信息采集提供了新的解决方案。无线传感器网络技术综合了传感器、嵌入式、现代网络、无线通信等技术，具有分布式、自组织式的特点。可有效解决田间信息的远距离数据采集、智能监测及控制等问题。目前，国内外对于无线传感器网络在农田监测方面的研究主要集中在组建网络、数据传输、通讯等方面，其中无线传感器网络组网和现有通讯网络的嵌入式网关的设计方面的研究较多见［４－１２］，而基于移性好、方便使用的便携式网关的无线传感器网络监测系统的研究还未见报道。而ＳＯＰＣ技术用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。ＳＯＰＣ技术的主要应用模块有复杂可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）和现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）两种。ＦＰＧＡ可以用来实现模拟信号处理、数字信号的处理、批处理等控制功能，常应用于工业控制系统中。目前，ＦＰＧＡ在农业工程上的应用主要集中在３个方面，一是对温室，畜、禽舍等的环境进行控制；二是对农业机械进行控制；三是通过图像处理对农产品进行分级。将ＦＰＧＡ技术与无线传感器网络技术相结合用于农田环境信息数据采集的研究还未见报道。针对农田环境信息获取时信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等问题，该研究设计了一种简单有效、便携式、低成本的环境监测系统，用于农田环境数据的自动获取。系统以ＦＰＧＡ上ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器为主控单元［１３－１7］，以ＣＣ２４３０为核心的ＺｉｇＢｅｅ（无线个域网）模块为无线传感器网络节点，构成基于无线传感器网络的便携式ＦＰＧＡ农田环境监测系统。该系统实现了对农田环境信息的多节点环境数据的监测、记录、存储、查询等功能。

１ 系统的总体结构

系统总体上可分为无线传感器网络和ＦＰＧＡ便携式主控系统两大部分，如图１所示。无线传感器网络终端节点由ＴＩ公司基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器模块ＣＣ２４３０外接温度、湿度、光照度等环境数据采集传感器电路组成，主要用途是散布在农田区域，监测区域内的环境信息。ＦＰＧＡ便携式主控系统由ＦＰＧＡ控制系统和ＺｉｇＢｅｅ协调器组成，配备３．２寸触摸屏，主要完成网络组建和对无线传感器网络各终端节点的管理、信息采集、信息存储及分析功能，所有的终端节点采用５号电池供电，ＦＰＧＡ便携式系统采用锂电池供电。

ＦＰＧＡ便携式主控系统上电后，ＺｉｇＢｅｅ协调器自动建立可用网络并实时向ＦＰＧＡ反馈组网信息。无线传感器网络终端节点上电后，自动搜索可用网络，并加入到可用网络中。一旦组网完成，终端节点便开始响应协调器周期性发送的采集数据命令。ＺｉｇＢｅｅ协调器收到数据后，将数据送至ＦＰＧＡ控制系统，ＦＰＧＡ控制系统对数据进行处理和存储，以便随时查看和进行现场分析。

２ 无线传感器网络终端节点的设计

２．１ 无线传感器网络终端节点硬件设计

ＣＣ２４３０模块支持全球通用２．４ＧＨｚ频段ＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ协议，集ＺｉｇＢｅｅ射频（ＲＦ）前段、内存和微控制器（８０５１）于一体。ＣＣ２４３０模块根据芯片内置闪存容量分为３个版本，即ＣＣ２４３０Ｆ３２／６４／１２８，分别对应内置闪存３２／６４／１２８ｋＢ［１１］。本系统采用的是ＣＣ２４３０Ｆ１２８模块。通过ＣＣ２４３０模块直接驱动温度、湿度、光照度等传感器模块采集环境数据，并完成无线传感器网络的自组网以及数据的采集和传输功能。以ＣＣ２４３０模块为核心器件的无线传感器网络终端节点硬件结构框架如图２所示，包括电压为３Ｖ的锂电池供电模块、ＴＨＳ１１０１湿度传感器模块、ＯＰＴ１０１光照度传感器模块、ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器模块、ＣＣ２４３０模块电路。

２．２ 无线传感器网络终端节点软件流程

无线传感器网络终端节点主要完成温度、湿度、光照度等环境数据的采集、发送和接收以及执行来自协调器的网络控制命令。如果当前节点作为路由节点还需要负责其他节点数据的转发。

终端节点上电后首先进行系统初始化，扫描有效信道，当发现协调器建立的网络后请求加入网络，所有终端节点由协调器统一管理。设备加入网络后，即进入低功耗模式，等待协调器发送的启动采集数据的命令。在接送到开始采集环境数据的命令后，采集各个传感器的数据，而后回传数据到协调器，再由协调器通过串口将数据发送给ＦＰＧＡ。

为了提高无线传感器终端节点在电池供电条件下的使用时间，节约电路的电能消耗，终端节点采用低功耗模式，通过响应协调器周期性发送的采集数据命令来工作。

３ ＦＰＧＡ便携式主控系统

ＦＰＧＡ便携式主控系统由ＦＰＧＡ控制系统和ＺｉｇＢｅｅ协调器组成，其中ＺｉｇＢｅｅ协调器负责管理网络，同时又是ＦＰＧＡ控制系统与终端节点间互相通讯的桥梁。ＦＰＧＡ控制系统和ＺｉｇＢｅｅ协调器相互独立，通过串口相互连接。ＦＰＧＡ控制系统由一个３．２寸触摸屏和一块ＦＰＧＡ核心板构成。３．２寸触摸屏控制器采用ＳＳＤ１２８９模块。ＦＰＧＡ核心板上带有４个独立按键、一块８ＭＦｌａｓｈ、一块８ＭＳＤＲＡＭ、一个ＳＤ卡插槽以及扩展Ｉ／Ｏ接口。

３．１ 基于ＮｉｏｓⅡ的ＦＰＧＡ控制系统

ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器是采用流水线技术和哈佛结构的通用精简指令集计算机精简指令集架构（ＲＩＳＣ）处理器。其中包含一套通用外设和接口库，可以灵活选择或增删，可结合ＦＰＧＡ内部ＲＡＭ、ＲＯＭ或是加上外部的Ｆｌａｓｈ、ＳＲＡＭ来构成一个嵌入式系统［１５］。该系统中的ＮｉｏｓⅡ设计包括ＣＰＵ、Ａｖａｌｏｎ交换总线及一些外围设备，如ＳＤＲＡＭ控制器、ＵＡＲＴ、Ｉ／Ｏ、用户自定义逻辑等。其中Ｉ／Ｏ接口包括触摸屏接口（用户自定义数字Ｉ／Ｏ）、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＳＤＣａｒｄ控制器等。ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器的配置如图３所示。ＮｉｏｓⅡ外连接８Ｍ的ＳＤＲＡＭ、８Ｍ的Ｆｌａｓｈ以及配置芯片ＥＰＣＳ１６构成ＦＰＧＡ便携式主控系统的核心。ＦＰＧＡ器件上电后自动读取存储在ＥＰＣＳ中的配置信息，采用软件延时启动模块保证系统在ＦＰＧＡ正确配置以后再启动。系统时钟由板上的５０ＭＨｚ有源晶振提供，通过锁相环倍频和移相提供１００Ｍ的ＣＰＵ主时钟和１００Ｍ相位差为３ｎｓ的ＳＤＲＡＭ时钟。

３．２ 基于ＮｉｏｓⅡ的软件设计

ＦＰＧＡ器件的硬件编程包括一个延时启动模块Ｒｅｓｅｔ＿Ｄｅｌａｙ、锁相环模块ＰＬＬ＿ＳＤＲＡＭ、ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器模块ＣＰＵ１。ＦＰＧＡ便携系统主要用于接收、存储和查看各节点采集的数据。在其上电后，由ＺｉｇＢｅｅ协调器自动建立起可用网络，其他子节点在上电时扫描可用网络，并申请加入该网络。ＺｉｇＢｅｅ协调器负责网络的管理，并把组网的信息发送给ＦＰＧＡ。在组网成功后，开始周期性的接收各终端节点发送的环境数据。系统软件流程如图４所示。通过３．２寸触摸屏可以查看各节点采集到的环境数据，也可以对网络性能进行设置。

运行在ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器上的程序在ＮｉｏｓⅡＩＤＥ环境下编辑，ＮｉｏｓⅡＩＤＥ环境为其提供了完善的底层函数，其中包括可访问外设的ＨＡＬＡＰＩ函数。系统采用软硬件协同设计的方法，很大程度上减小软件复杂度，提高软件运行效率。

４ 系统试验验证与结果分析

４．１ 农田环境监测试验设计

农田环境监测试验在华中农业大学校内试验田进行。采用４Ｇ的ＳＤ卡作为数据记录载体存储采集到的环境数据。试验田的面积为６０ｍ×４５ｍ，试验使用的８块无线传感器终端节点均匀放置在试验田中的８个不同位置。试验时间为第一天的０８∶００到第二天０８∶００。由于试验田的面积不大，系统采用星形网络的组网方式，无线传感器终端节点设置为每一个小时采集一次数据。ＺｉｇＢｅｅ协调器将接收到的数据送至ＦＰＧＡ控制系统，由ＦＰＧＡ控制系统对数据进行预处理并存储于ＳＤ卡中。试验中的ＦＰＧＡ便携式主控系统如图５所示。主控系统用锂电池供电，触摸式液晶屏显示采集到的数据。

４．２ 监测试验结果分析

试验时间为２０１１年４月，每次试验进行１周。每次以２４ｈ为一个采集数据组。试验中，每个终端节点采用锂电池供电，主控系统采用大容量锂电池，连续工作一周后，系统仍能正常工作。８个节点采集数据全部被ＺｉｇＢｅｅ协调器接收，丢包率为０。图６为其中一次试验中３号节点采集到的晴天和雨天数据折线图。

由图6可知，一个昼夜中（记录从第一天的０８∶００到第二天的０８∶００）晴天最高气温为３６℃，出现在１３∶００左右，最低气温为１２℃，全天温差为２４℃。光照度最高为５６６１２ｌｘ，在１０∶３０～１５∶３０，光照度维持在５００００ｌｘ以上。湿度范围为１９％～８１％。雨天温差不大，平均温度为１６．２℃。湿度较高，范围为７７．８％～９６．６％。光照度最大值为４７６０ｌｘ，出现在10∶００左右。通过查询当地气象局数据发现其与当天的数据相近。

５ 小结

针对农田环境信息获取时存在的信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等诸多不利因素，设计了采用基于无线传感器网络技术和ＳＯＰＣ技术的便携式农田环境监测系统。该系统通过温度、湿度、光照度等传感器实时采集农田环境数据；以ＣＣ２４３０模块为终端测量节点的核心建立无线传感器网络，实现监测数据的无线传输和汇集；采用具有ＮｉｏｓⅡ嵌入式软核处理器的ＦＰＧＡ控制系统实现对整个系统的管理。田间试验证明系统能有效地采集环境数据，丢包率为０。该系统具有部署灵活方便、稳定可靠、成本低、组装维护简单、扩展方便的特点，可以针对具体的应用环境自动获取节点覆盖区域的环境参数，有效提高了农作物种植环境信息管理自动化程度。

参考文献：

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