智慧农业环境信息采集系统设计

龙威林，高 艺

(天津现代职业技术学院，天津 300350；南开大学信息学院,天津 300071)

1 前言

无线传感器网络(WSN)技术是在电系统(MEMS)技术、片上系统(SOC)技术、无线通信和低功耗嵌入式技术等先进技术的基础上发展起来的。无线传感器网络技术实现了数据的采集、处理和传输，该技术的优点有：功耗低、成本低、分布式、自组织等等。因其诸多特点被广泛的应用于信息感知领域，并在很大程度上推进了信息感知技术的发展。

智慧农业是农业在先进的信息科学技术的促进下发展到的高级阶段，通过在农田环境部署的各类传感器节点，以及将节点连接起来的无线通信网络，实现了农业生产真正的智慧化，即能够做到无时不在、无处不在的智慧监测、智慧分析、智慧预警，而农业生产者在智慧农业的指导下能够实现科学管理、科学预测、科学决策，实现农业生产领域的新的变革。

利用无线传感器网络数据采集技术，智慧农业环境信息采集系统对土壤温湿度、等环境参数进行全天候不间断的监测，采集到的各项参数数据通过汇聚节点传输，最终为监控人员所掌握。为了提高系统的扩展性与可靠性，系统采用自组织网络结构与星型网络结构结合的分层网络结构，提出了一种基于太阳能的能量供给方案。该方案能够解决簇首节点的能量供给问题。系统内簇首节点软件基于μC/OS-II操作系统，并以更好的完成各任务的调度为目的对系统进行了优化。智慧农业是农业生产的高级阶段，依托部署在农业生产现场的各种传感节点和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。

智慧农业环境信息采集系统利用基于无线传感器网络的大范围数据采集技术，对土壤温湿度、酸碱性等环境参数进行全天候的监测。采集到的各项参数数据通过汇聚节点传输，最终为监控人员所掌握。通过分层式的网络结构——上层采用自组织网络结构，下层采用星型网络结构，系统的扩展性和可靠性有着很大的提升。系统还提出了一种基于太阳能的能量供给方案，该方案能够解决簇首节点的能量供给问题。系统内簇首节点在μC/OS-II操作系统的环境下运行，并对μC/OS-II操作系统进行了个性化的优化。

2 网络模型

无线传感器网络通信协议的复杂度、有效性，均与网络的拓扑结构有着密切的关系。因此，如何设计一种有效、合理、实用的无线传感器网络拓扑结构是系统要解决的关键问题之一。本系统的网络结构引入了分层的思想，分为上层、下层两部分：上层为簇首；下层为传感器节点。考虑到系统的实际需求，上层采用自组织网络结构，下层采用星型网络结构，如图1所示。簇首的功能特性区别于一般传感器节点：一般来说，所有簇首均包含相同的MAC、路由、管理等功能协议，而一般传感器节点则没有路由、管理及汇聚处理等功能。采用这种分层式的网络拓扑结构，系统的扩展性大大提高，特别适合集中管理的情况，系统建设成本也大大削减，网络覆盖率和可靠性也有一定的提高。

图1 系统的分层式网络拓扑结构

3 硬件系统设计

本系统节点分为传感器节点和簇首节点两种类型。

3.1 传感器节点设计

无线传感器节点可以按功能划分为四类模块：传感器、处理器、无线通信和能量供应模块。其中，传感器模块能够实现所监测的农业生产现场中各项数据的采集以及数据的转换；处理器模块控制传感器节点的各项功能，包括节点的操作、存储、数据处理；不同传感器节点的无线通信模块相互之间进行无线通信；能量供应模块以微型电池为能量来源，为传感器节点提供能量。传感器节点结构如图2所示。

本文以基于SHT11的温湿度采集模块为例介绍传感器模块。SHT11是一款经典的数字输出的温湿度传感器芯片，该模块集温湿度感测功能、A/D转换功能等功能于一体，精确度高、响应快、抗干扰能力强。

处理器模块采用的是TI公司生产的MSP430 F149处理器，MSP430 F149是一款超低功耗的16位 RISC混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作，RAM保持模式0.1μA，实时时钟模式0.7μA，工作模式200μA/MIPS，在6μs之内快速从待机模式唤醒，解决了制约无线传感网络的能耗问题，基于以上优点，采用MSP430F149作为CPU的优点是非常突出的。

图2 传感器节点结构

考虑到无线传输的传感器节点之间的相互距离不会太远，因此，系统采用基于nrf24L01的无线通信模块。该模块适用于近距离的无线通信传输，具有低功耗、支持高速跳频、体积小、外围器件少、配置简单、且使用两层PCB板成本低等优点。该模块可通过SPI写入数据，写入数据的速率高至10 Mb/s，数据传输率高至2 Mb/s，支持自动应答、自动再发射等功能。

3.2 簇首节点设计

系统对簇首节点的数据处理能力和网络传输能力都有着更高的要求。

因此，中央处理器采用STM32F103ZE高性能的ARM®CortexTM-M3处理器，具有最高72MHz处理频率及1.25DMips/MHz的性能，且资源丰富，功耗较低。

簇首节点采用短距离无线通信模块nrf24L01完成簇内数据传输，采用远距离ZigBee无线通信模块DRF1605H。该模块内置无线放大器，能够大幅提高发射信号或接收信号的功率，传输最大距离远至1.6公里。而且，每个节点都非常灵活，随时可以实现数据的发送/接收，同时，也可作为路由器供其它节点信息传输之用。该模块还能够自主计算各项数据的传输路由。

簇首节点需要的能量较大，为了更好地解决能量供给问题，设计了基于太阳能的能量供给系统，由以下部分构成：一是将太阳能转化为电能的太阳能电池板，构成了能量收集器；二是将太阳能电池获取的能量存储起来的超级电容，构成了能量存储器；还包括基于CN3063的能量管理单元，作用是太阳能电池的充电管理。具体结构如图3所示。

4 软件系统设计

本系统设计了三种工作模式：定时采集模式，阈值报警模式，实时查询模式，分别说明如下：

定时采集模式下，在无线网络系统自动组网完成之后，簇首节点定时收集簇内各传感节点的信息，保存接收到的数据并定时向管理节点传输。

阈值报警模式下，当传感节点采集到的信息超阈值时，立即发送报警信息至簇首节点。簇首节点接收到报警信息后，立即将其传送给管理节点。

实时查询模式下，对于任一传感器的节点信息，管理节点都有权实时查询。实时查询的具体步骤为：首先，管理节点向传感器节点发出一条查询指令，在簇首节点接收到指令之后，收集簇内各传感器节点的信息，并将所有收集到的传感器节点信息发送给管理节点。

由于传感节点软件结构相对简单，本文以簇首节点软件设计为主进行介绍。

图3 基于太阳能的能量供给系统

4.1 簇首节点软件体系结构

簇首节点主机板软件以μC/OS-II作为操作系统，完成各任务的调度。μC/OS-II作为一种操作系统内核，具有可移值、可植入ROM、可裁剪、抢占式、实时多任务操作等优点，具有任务调度与管理、时间和内存管理、任务间通信和同步等功能。μC/OS-II目前是各种微处理器、数字信号处理器和微控制器的主要操作系统。

该系统移植了针对嵌入式应用开发的图形界面支持系统ucGUI，基于FTF LCD设计了基于图形的人机交互界面，实现了数据采集、数据存储、数据显示、无线传输等功能。系统软件结构框图如图4所示。

图4 系统软件结构框图

4.2 簇首节点组网流程

簇首节点上电后，首先，簇首节点进行硬件初始化，然后主干网开始组网，所有簇首节点都要向管理节点发送并登记自己的地址。组网结束后，由管理节点向所有簇首节点传送传感节点表列。簇首节点对于接收到的表列要进行验证。具体验证的方法是，簇首节点向表列中的传感器节点地址发出验证信息，如果能够收到回应，则表列中登记的地址正确，予以保留；如无法收到回应，则说明表列中的地址错误，簇首节点将对错误的地址进行删除。

簇首节点如需判断是否有等待加入的新传感器节点，则需要广播自己的地址。如果接收到新节点的地址，则说明该节点在等待被加入，簇首节点将收到的地址加入表列，并反馈给该节点一个ACK确认信号。按照以上的步骤，可以不断的判断是否有等待加入的传感节点并将其加入到网络当中来，实现无线网络的组织和更新。簇首节点组网流程如图5。

4.3 传感节点组网流程

对于有等待加入无线传感网络的新传感节点，需要接收到簇首节点广播的簇首节点地址之后，向该地址发送自己的节点地址。如在发送之后，接收到簇首节点返回的ACK确认信号，则说明已被加入无线传感网络当中。如在预设的时间之内，没有接收到确认信号，则需要重新询问，即重新发送自己的节点地址至簇首节点，并等待簇首节点的回应。传感节点组网如图6。

图5 簇首节点组网流程图

图6 传感节点组网流程图

4.4 μC/OS-II操作系统优化

因为μC/OS-II作为嵌入式操作系统，具有可裁减的优点，故可以根据需求对其进行配置。例如，可以关闭没有需求的功能，这样能够提高系统效率，节约内存空间。文件OS_CFG.H中，以#define语句的形式保存了μC/OS-II的初始化配置选项，将对应的语句置位表示使能，清零表示关闭。

随着硬件节点的不断的改进设计，驱动程序也进行了不断的编写，存在着结构较复杂、代码效率较低等缺点。所以，也需要对硬件驱动进行优化。在优化过程中，优化驱动时序，能够提高驱动的效率；对驱动进行模块化设计，函数接口进行封装，则易于管理和维护修改。

5 系统实现与测试

基于本文的系统设计，实现了智慧农业环境信息采集系统，并在某温室大棚中进行了测试。

利用传感节点和数据中心节点，可以观察到大棚中温湿度的变化。如图 (a)中，这是某传感节点上的液晶显示器所显示的实时采集的温湿度值，其中黄色曲线代表传感节点采集到的湿度值，红色曲线代表着采集到的温度值。图(b)中反映的是数据中心节点接收到的该簇中所有传感节点采集的信息。图(c)和(d)中分别反映了当所监测的环境中温湿度发生变化的时候，传感节点采集的数据和曲线的变化。

(a) 系统实时采集的温湿度值 (b)数据中心节点接收到的传感器节点信息 (c)(d)传感器节点温湿度曲线图图7 系统显示器显示的数据和曲线图

6 结束语

基于无线传感器网络设计的智慧农业环境信息采集系统采用了分层网络结构，扩展性好，可靠性高。簇首节点需要的能量较大，为了更好地解决能量供给问题，提出了基于太阳能的能量供给系统。实验证明，该系统在实际运行中效果良好，能够在农田管理和农业种植等多方面为农业工作者提供科学可靠的环境信息以供参考。