基于无线传感器网络的农田环境监测系统设计

杨方

摘要：针对农田环境状况复杂、监测难度大等现状，设计了一种基于无线传感器网络的农田环境监测系统。该系统利用传感器节点采集农田环境参数后，通过ＺｉｇBｅｅ技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的关键参数，具有很好的实用价值。

关键词：农田环境参数；无线传感器网络；传感器节点；实时监控；ＺｉｇＢｅｅ

中图分类号：Ｓ１２６文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）15－3334-02

Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ＹＡＮＧ Ｆａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｕｎｙｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｚｕｎｙｉ ５６３００２， Ｇｕｉｚｈｏｕ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ waｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ，a ｆａｒｍｌａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅd ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｔｈｅ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｅｎｄ ｔｈｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ＺｉｇBｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｆａｒｍ ｍａｎａｇｅｒｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｅｃｉｓｅly ａｎｄ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅly ｃｏｎｔｒｏｌ the ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｒｏｐ ｐｌａｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ； ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ＺｉｇＢｅｅ

我国是农业大国，农业是国民经济的基础产业，农业生产受到温度、湿度、水分等多种农田环境因素的影响。因此，在农业生产过程中引入现代信息技术，可以准确、高效地收集农田信息，对提高农产品产量具有重要意义。

针对农田环境复杂、监测难度大等特点，充分利用无线传感器网络灵活而强大的组网功能，设计了基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的农田环境监测系统，该系统由传感器节点、汇聚节点、互联网和用户终端等组成［１］，利用安装在被监测区的传感器节点采集农田环境参数后，通过ＺｉｇBｅｅ技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的空气温度、相对湿度、ＣＯ２含量、水位等关键参数，对在农业生产过程中实现增产节能有着很好的实用价值［２］。

１农田环境监测系统总体结构设计

ＺｉｇＢｅｅ技术是一种短距离、低速率的无线通信技术，被广泛应用在无线传感网络的组建中。与其他无线通信技术相比，ＺｉｇＢｅｅ具有网络容量大、工作频段灵活、架构简单、功耗低、成本低、可靠性高、组网能力强和安全等优点［３，４］；ＺｉｇＢｅｅ由终端设备、协调器和路由器构成。终端设备是指传感器节点，将其按一定规律安装在农田里，配备低功耗的微处理器，监测空气温度、相对湿度、ＣＯ２含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量等参数。一定区域内的传感器节点构成一个簇，这些节点又分为簇首和普通节点。簇首主要进行数据的融合及转发，能把簇中普通节点采集到的信息发送到上级的协调器，也能把协调器接收的信息在簇内进行传播；普通节点只能与本簇的簇首交换信息。协调器把监测到的信息传输到网关，然后网关通过ＧＰＲＳ把数据传送到监控中心。ＺｉｇＢｅｅ网络主要有网状和星状，星状拓扑结构简单，但是覆盖能力差，且只要簇首出现故障整个网络就瘫痪；网状拓扑覆盖能力强、可靠性好，但结构复杂［５］。农田区域环境复杂，存在很多不利因素，为提高ＺｉｇＢｅｅ的精确性，该设计采用星状—簇首—路由拓扑结构［６］（图１）。

２功能模块设计

２．１硬件结构设计

１）传感器节点。ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络由传感器节点组成，传感器节点一般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块组成（图２）。

数据采集模块主要由空气温度、相对湿度、ＣＯ２含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量传感器以及Ａ／Ｄ转换器组成，负责监测区域内以上参数的数据。数据处理模块对采集模块获得的数据进行处理和存储；无线通信模块主要是和簇首或协调器交换信息；电源模块向系统提供能量；传感器节点多选用低功耗器件，而且节点大多数时间处于休眠状态，所以电源模块可使用干电池。簇首节点因为频繁发送数据耗费能量多，可使用光电池供电。

２）网关。网关的任务是把传感器节点监测到的数据由ＺｉｇＢｅｅ网络通过ＧＰＲＳ发送到监控中心及对数据进行处理和存储。网关由电源模块、存储模块、控制模块、射频模块以及相关Ｉ/Ｏ接口组成（图３）。

网关进行数据传输和处理的工作量较大，因此采用ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１微处理器。该处理器具有高性能、低功耗等优点。射频收发模块使用ＣＣ２５３０，主要任务是和ＺｉｇＢｅｅ网络进行数据双向传输［７］。ＧＰＲＳ无线通信模块使用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的Ｇ２０产品，通过ＧＰＲＳ网络和监控中心进行数据的无线传输。

２．２系统软件设计

设计中采取休眠－唤醒的工作方式能够达到节能的目的。节点平时处于睡眠状态，当接收到监控中心的数据采集指令时，就被唤醒进行数据的采集与转发工作［８］，系统软件设计工作流程如图４。系统开启后进行参数设定等初始化工作。ＺｉｇＢｅｅ协调器的主要任务是网络组建，所有节点加入网络后就进入睡眠状态。监控中心通过ＧＰＲＳ向ＺｉｇＢｅｅ网关发出信息采集的指令后，协调器对它所属的簇进行广播唤醒簇首，簇首对该簇节点广播唤醒休眠节点；节点采集数据后传送到簇首，然后处理反馈给网关；最后网关再利用ＧＰＲＳ网络把数据发送到监控中心［９］。

３小结

无线传感网络技术能把环境中所需的各种信息汇集起来进行智能处理，已成为研究热点。研究针对农田环境监测系统中数据采集量大等特点，结合无线传感器网络技术的优势，采取星状－簇首－路由的拓扑结构的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络，达到使用寿命长和数据传输效率高等目的，具有灵活性大和针对性强等优点。传感器节点使用了低功耗、低成本的ＣＣ２５３０芯片，在通电困难的环境中使用该设计具有很好的实用性。该系统可以最大程度地对农田环境信息实现精确的实时采集、处理和传输，是实现农产品优质高产的有效途径。下一步将对系统功能扩展、路由改进和数据处理等方面进一步优化，期望能对更多的环境参数实现精确监测与控制。

参考文献：

［１］ 马祖长，孙怡宁，梅涛．无线传感器网络综述［Ｊ］．通信学报，２００４，２５（４）：１１４－１２４．

［２］ 刘燕德．无损智能检测技术及应用［Ｍ］． 武汉：华中科技大学出版社，２００７．

［３］ 孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，２００５．

［４］ 王殊，阎毓杰，胡富平，等．无线传感器网络的理论及应用［Ｍ］． 北京：北京航天航空大学出版社，２００７．

［５］ 徐琰，马忠梅． ＬＭ３Ｓ１１３８与ＣＣ２４２０的无线传感器网络通信［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００９（１０）：１８－２０．

［６］ 闫敏杰，夏宁，侯春生． 基于无线传感器网络的鱼塘监控系统［Ｊ］． 中国农学通报，２０１０，２６（１６）：３８８－３９２．

［７］ 吴新峰，杨瑞峰．基于ＭＳＰ４３０与ＣＣ２４２０的无线传感器网络的硬件节点设计［Ｊ］． 电子设计应用，２００７（７）：１１７－１１８．

［８］ 李文仲，段朝玉． ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术入门与实战［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２００７．

［９］ 邓平． 基于ＣＣ２４２０的ＺＩＧＢＥＥ传感器网络技术研究［Ｄ］． 广州：广东工业大学，２００８．