远程农业环境监测系统设计

孙 冰

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林，132022）

远程农业环境监测系统设计

孙 冰

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林，132022）

本文将WSN和GPRS技术有效结合起来设计一种新型远程农业环境监测系统。系统以S3C2440为核心处理器，融合Zigbee技术和传感技术完成对农业现场环境信息的采集和无线传输；采用GPRS技术实现远程环境监控。监测平台采用虚拟仪器设计界面，监测界面简洁。测试表明：系统运行稳定，具有广泛的应用前景。

信息采集;Zigbee;S3C2440;GPRS 技术;WSN

0 引言

近年来，随着科学技术的发展，“精准农业”走入各个农业环境生产现场。但是，由于农田覆盖面积广大，环境恶劣且存在不确定性，因此在精准农业生产中获取农田环境信息是一个关键方面，而且实现远程农业生产控制也是农业生产的一个发展趋势。有线布线方式由于其线缆成本高、不易布线等缺点被逐步取代；常规的无线通信方式存在功耗高、时延长及错误率高等缺点限制了精准农业的发展。随着新一代技术无线传感网络技术的发展，可以解决传统监测方法的弊端。本文以ARM作为平台，结合传感器技术和ZigBee无线通信技术构建无线传感网络，通过GPRS网络将数据信息传输到监测中心，实现工作人员对农田环境的远程实时监测，有助于农业生产的发展。

图1 系统组成框图

1 总体结构设计

监测系统由农田检测部分和无线通信电路两部分组成。检测部分由终端传感器节点、协调器节点和嵌入式网关组成。终端传感器节点以CC2530为核心，配合传感器模块完成环境数据的采集、转换及数据发送。协调器又称汇聚节点，主要完成数据的汇聚，负责Zigbee网络的建立及节点的管理。嵌入式网关集成了GPRS模块，将来自于协调器的数据通过GPRS网络上传到远程监控中心实现了Zigbee网络与GPRS网络、Internet信息间交互。上位机或手持设备通过Internet/GPRS网络传送到监测中心完成数据分析、处理等功能，并完成上位机对下位机的控制，实现工作人员对农业现场的远程实时监测。监测中心采用图形化语言Labview8.5编写，界面简单友好。系统总体框图如1所示。

2 硬件电路设计

2.1 无线采集电路设计

由ZigBee构成的无线传感器采集节点是无线传感网络的重要组成部分。传感节点由传感器模块、无线通信模块和电源模块组成，完成对农田环境信息的采集和发送。在系统中主要完成与植物生长密切相关环境信息的采集，信息采集由各种传感器完成，因此要求传感器具备较高的精度及较低的功耗。温湿度传感器采用数字式一线制传感器SHT15，SHT15内部集成14位A/D，采用I2C总线接口传输数据，将SCK 和DATA引脚与CC2530 I/O口相连就可以完成温湿度的检测。光照传感器采用欧恩公司生产的On9658，它是一个光电集成传感器，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感。土壤湿度传感器采用简易式SEN0114，其表面镀金处理，加强了导电性和抗腐蚀性，将输出的信号通过AD采集即可测出土壤湿度。

2.2 ZigBee组网电路设计

系统采用美国TI公司生产的CC2530射频芯片来完成ZigBee组网通信。由于CC2530具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。系统在组网结构上选取树状网状结构，并且尽可能减小系统功耗。协调器节点是用来建立和控制Zigbee无线网络，并将采集到的数据通过网关上传到监控中心分析与管理。设计中协调器与路由器的基本结构一致。采用CC2591作为信号放大器件进一步提高Zigbee网络覆盖范围满足现场需求。

2.3 嵌入式网关设计

网关由中央控制器和GPRS模块组成，实现采集数据通过网络上传到监测中心和手持设备。中央控制器选用三星公司的S3C2440芯片，该芯片运行速度快可以更好的满足系统实时控制需求； GPRS模块选用集成的SIM300模块，其内置TCP/IP协议，支持AT指令集，GPRS模块通过串口与中央控制器相连。

3 软件设计

系统软件包括两部分，由农田无线传感器网络程序和上位机软件程序组成。无线传感网络软件程序包括数据采集程序、Zigbee路由节点和协调器节点程序以及嵌入式网关程序。监控中心软件采用图形化语言Labview8.5设计，实现人机交互界面简洁及远程控制。

3.1 传感器节点程序设计

传感器节点的功能是通过各种传感器进行数据采集和发送。传感器节点启动后，寻找是否存在建立好的网络，若存在，则向Zigbee协调器发送加入请求；否则继续等待。当获得协调器允许后，传感器节点加入网络开始进行周期性采集，为了降低功耗，每次采集过后，进入睡眠模式；将采集到的数据与自己的网络地址通过树形拓扑发送到协调器。

3.2 协调器节点流程

系统中，Zigbee协调器负责启动并组建网络，为整个网络添加合法的采集节点并且实现接收和发送来自采集节点的数据。同时，通过UART与中央控制器相连，实现信息汇聚和用户命令向下发放。协调器软件流程如图2所示。

图2 协调器节点流程

3.3 嵌入式网关程序设计

嵌入式网关实现Zigbee网络与GPRS网络和Internet信息的交互。嵌入式网关是基于ARM嵌入式操作系统下完成，数据接收采用Socket技术编写，通过监听服务器端口，将ARM网关传输的数据按照自定义的数据帧协议解析后存入数据库。嵌入式网关流程如图3所示。

3.4 用户界面设计

用户界面采用Labview8.5开发，实现对农田环境信息参数的分析处理，并且完成与下位机的通信与交互。农田环境管理系统包括数据管理和环境信息监测两大部分。数据管理模块实现数据的接收、分析、存储、处理和历史数据查询等功能。环境信息监测包括数据实时显示、参数设置、图表绘制及发出指令控制下位机等功能，为用户提供一个简单的信息浏览和数据查询平台。

图3 嵌入式网关流程

4 系统测试

为了测试系统的稳定性和正确性，对设计系统进行测试。在农业种植区每隔100m放置一个传感器节点， 并用两节五号电池给Zigbee模块供电。在监测工作站内，PC机及手持设备通过网关与下位机相连。测试时，通过用户界面发出指令对农田参数进行检测，上位机接收、处理显示检测到的数据，将测试结果与实际仪器测试值进行比较，结果表明系统测试准确而且通信可靠，系统丢包率和误码率几乎为0。

5 结论

本文以S3C2440微处理器作为控制核心，将由Zigbee技术组成的无线传感网络与GPRS技术相结合，借助无线网络的组建实现了农业工作区的远程监控，有利于推进农业信息化的发展。该系统稳定性好、监测效率高、覆盖范围大，为精准农业生产提供了一种新的贡献。

[1] 余晓波.农田信息获取系统设计及其在精准农业中的应用[D].安徽：中国科学技术大学, 2011.

[2] 刘媛媛,朱路,黄得昌.基于GPRS与无线传感器网络的农田环境监测系统设计[J].农机化研究，7,2013.

[3] 李雪刚,黄梦醒,朱东海.基于物联网技术的远程农田监控系统设计[J].计算机工程,17,2012.

[4] 王福平,冯盼盼.基于GPRS和ZigBee的智能灌溉监控系统的设计[J].江苏农业科学,12,2014.

[5] 蔡肯,王克强,李名利.远程农田信息监控综合网站设计[J].江苏农业科学,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

孙冰（1985-）男，吉林吉林市人，硕士研究生，助教，主要研究方向单片机、自动检测技术及PLC.