1、 萬方數(shù)據(jù)第3期劉卉,等:基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)605algricuhure.Key words:agriculture engineeringsoil moisture and temperature monitoring system;wireless sensor network;ZigBee;precision agriculture目前,國內(nèi)外科研人員已經(jīng)將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用于不同農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領域n1。作者以農(nóng)田應用為背景,以研究土壤水分及溫度的連續(xù)時空變異,指導決策灌溉為目標,通過分析農(nóng)田環(huán)境具體特點,設計開發(fā)了低成本、實用化,基于無線傳感器網(wǎng)絡

2、技術(shù)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測示范系統(tǒng)。1系統(tǒng)總體設計1.1系統(tǒng)需求分析監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)前,綜合分析了農(nóng)田環(huán)境的應用特點,利用有利條件,規(guī)避不利因素。基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有5個典型特點:應用環(huán)境可知性;充足的太陽能資源;作物具有固定的生育周期;應用環(huán)境動態(tài)變化;農(nóng)田基礎設施少。此外,農(nóng)機的田間作業(yè)和各種天氣條件也是系統(tǒng)設計過程中需要慎重考慮的因素。1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計綜合分析上述應用特點,借鑒國外研究經(jīng)驗,設計的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡和遠程數(shù)據(jù)中心兩部分組成。無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡由分布在農(nóng)田中多個智能傳感器節(jié)點組成,實時采集土壤水分、土壤溫度

3、參數(shù),基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡,所有節(jié)點數(shù)據(jù)最終路由到網(wǎng)關節(jié)點,由網(wǎng)關節(jié)點將全部數(shù)據(jù)通過GPRS無線圈l監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1System Architecture 通信傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到遠程數(shù)據(jù)中心,監(jiān)漢4網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均采用太陽能供電模式。遠程數(shù)據(jù)中心負責數(shù)據(jù)的接收、存儲和時空分析。2農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡的實現(xiàn)2.1傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng),具有一定的處理能力和通信能力。(1硬件設計傳感器節(jié)點以Jennic公司的JN5125無線微處理器模塊為核心,擴展了通信接口、總線接口、傳感器接口和供電接口設計。JN5121模塊具有16MHz、32位CPU,支

4、持2.4GHz IEEE802.15.4的無線通信組件,同時提供了4路ADC輸入和2路DAC輸入、異步串行口、SPI接口等,為用戶提供節(jié)點設計的集成化解決方案。圖2為傳感器節(jié)點控制板結(jié)構(gòu)設計框圖,采用了太陽能電矬I竺蘭苧查!電源管理h【傳感器接口F信號調(diào)理皂蘭皇娑I L一堡壁墨擰制器I太陽能電池IlMBF1ash時鐘R￥485R￥232腳圖2傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig.2Sensor Node Block Diagram源組件供電,擴展支持6路傳感器數(shù)據(jù)采集,通過串行端口與上位機通信實現(xiàn)程序下載。土壤水分傳感器采用了作者所在單位自主研制開發(fā)的FDS系列水分傳感器,運用頻域方法測量含水土壤混合體的

5、介電常數(shù),獲得土壤水分。土壤溫度傳感器采用了基于半導體PN極測量原理的STl0,主要技術(shù)參數(shù)見表1,將不同傳感器分別連接到節(jié)點控制板的傳感器接口,經(jīng)信號調(diào)理后接入JNSl21的A/D通道,通過標定曲線轉(zhuǎn)換得到對應的測量參數(shù)值。圖3為傳感器節(jié)點實物照片。一蘸叫附一:=罡竺 矬蘭肺萬方數(shù)據(jù)606吉林大學學報(工學版第38卷表I傳感器技術(shù)參數(shù)Table1Specifications of sensors傳感器名稱技術(shù)參數(shù)FDS土壤單位;%(m3m一3水分傳感器量程:O100%測量精度:士3%輸出信號:o1.5VDC 工作電壓:512VDC 工作電流:35mA左右STl0土壤溫度傳感器單位:量程;一2

6、050測量精度:土o.5圖3傳惑器節(jié)點Fig.3Sensor node(2板載軟件設計調(diào)用ZigBee協(xié)議棧的API應用編程接口函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡管理層的設備初始化、配置網(wǎng)絡、啟動加入網(wǎng)絡、路由功能,其中消息傳播和路由發(fā)現(xiàn)是自動完成的,用戶無法干預。另外還需定義應用配置文件。圖4為協(xié)調(diào)器和路由器初始化及通信的簡化程序設計流程圖。另外為滿足應用需求,在設計過程中還涉及到時間同步、節(jié)點休眠與喚醒等算法的實現(xiàn)。初始化初始化無線電通道、16位短地址無線電通道、16位短地址串行口A/D設備ZigBee協(xié)議棧、啟動BOS ZigBee協(xié)議棧、啟動BOS+定義配置文件定義配置文件注冊節(jié)點為協(xié)調(diào)器注冊節(jié)點為路由器匝

7、燾口.蕊篇爻匝志卵蔓L冀顰.產(chǎn)。+叫Bos事件驅(qū)動處理舶Bos事件驅(qū)動處理接收數(shù)據(jù).消息觸發(fā)定時器觸發(fā)讀取AD通道電壓+:通過串口上傳數(shù)據(jù)通過無線電發(fā)送數(shù)據(jù):圈4程序流程圖Fig.4Program flowchart2.2網(wǎng)關節(jié)點與傳感器節(jié)點相比,網(wǎng)關節(jié)點要求較強的處理能力和運行速度,因此設計中選擇了具有豐富片上資源的ARM9微處理器￥3C2410為核心,根據(jù)功能需求,擴展硬件通訊接口,網(wǎng)關節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示,并針對功能設計,采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)完成定制開發(fā)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)支持有內(nèi)存保護、多任務、多進程,并且具有源代碼開放、支持大部分芯片、操作系統(tǒng)可裁剪、性能穩(wěn)定、功能

8、強大、易于移植和開發(fā)等優(yōu)點引。(1無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚。通過異步串!RSl32;匝量笨I kh“-一J-:ZigBeel辦i,qa:i q面建l:GPRs模塊i I/o接口I!.ARM9微處理器S3C2410l基簍燜l:電源凄I電路j:I k-一,.-.-o:電源輸入:艇US囹B i一存儲Ii:L一:I-:存儲:圖5網(wǎng)關節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig.5Gateway Board Block Diagram 萬方數(shù)據(jù)第3期劉卉,等:基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)607行端口連接作為ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的JN5121無線通信模塊,網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器功能由JN5121板載程序自行完成,嵌入

9、式Linux只需完成串口數(shù)據(jù)通信功能。(2GPRS遠程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過另一個異步串行端口連接GPRS通訊模塊Siemens MC35i。實現(xiàn)GPRS遠程數(shù)據(jù)通信需要自下而上完成驅(qū)動層、協(xié)議層和應用層設計。在配置嵌入式Linux內(nèi)核時選中支持串口設備實現(xiàn)對MC35i 模塊的驅(qū)動;嵌入式Linux內(nèi)核支持PPP(Point tO Point Protoc01協(xié)議和TCP/IP協(xié)議,在編譯Linux內(nèi)核時選中支持這些選項;應用層在網(wǎng)絡連接建立后,具體實現(xiàn)向遠程數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能“。(3傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)本地存儲。采用了USB 接口存儲方式,具有容量大、可擴展、熱插拔的優(yōu)點。(4電源輸入。供電部分仍采用

10、太陽能電源,由于網(wǎng)關節(jié)點能耗較大,選擇了功率為8W的太陽能電源組件,同時還需要進行硬件設計優(yōu)化,以降低能耗。3遠程數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn).遠程數(shù)據(jù)中心為一臺具有固定公網(wǎng)IP地址的計算機,在其上運行的基站數(shù)據(jù)管理軟件是設計的核心。3.1開發(fā)環(huán)境基站數(shù)據(jù)管理軟件選擇了Microsoft Visual c+6.0作為開發(fā)工具,采用數(shù)據(jù)庫操作方式實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)存儲和讀取。同時為了實現(xiàn)對分布在農(nóng)田中的監(jiān)測節(jié)點所采集的定點數(shù)據(jù)進行時空分析,集成地理信息系統(tǒng)功能,采用了ESRI公司的ArcOIS Engine嵌人式組件庫。ArcEngine由ArcObjects核心包封裝組成,可在各種編程接121中調(diào)用,并且無需安裝

11、ArcGIS 桌面平臺。與低端的地圖控件相比,ArcEnginee 除了提供基本的制圖、數(shù)據(jù)編輯和GIS功能外,還支持空間分析和3D分析等高級操作功能口。3.2功能模塊基站數(shù)據(jù)管理軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲和時空分析,根據(jù)功能需求,劃分成如下模塊:(1數(shù)據(jù)接收模塊。網(wǎng)關節(jié)點與基站之間采用c/s客戶端服務器工作模式,基于Socket編程技術(shù),監(jiān)聽本地IP地址的綁定端口,在確認客戶端即網(wǎng)關節(jié)點的連接請求后,接收數(shù)據(jù),并根據(jù)自定義數(shù)據(jù)包協(xié)議完成數(shù)據(jù)解析。(2數(shù)據(jù)庫存儲模塊。根據(jù)數(shù)據(jù)的采集時間,采用時段劃分的數(shù)據(jù)存儲管理方式,將解析數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫對應表格的對應屬性字段中。(3監(jiān)測量時間變化分析模塊

12、。從數(shù)據(jù)庫表中讀取監(jiān)測量數(shù)據(jù),以時間為橫軸,繪制監(jiān)測量隨時間變化的曲線,分析監(jiān)測量連續(xù)變化的特性。(4監(jiān)測量空間變異分析模塊。課題創(chuàng)新點之一是將GIS管理分析功能融入到無線傳感器網(wǎng)絡應用設計中。與災害預警應用不同,農(nóng)田無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測旨在通過節(jié)點位置上的環(huán)境變量采樣估計其他非節(jié)點位置上的數(shù)據(jù),生成環(huán)境變量的空間分布圖。目前在每個節(jié)點中嵌入GPS模塊,成本過高且無必要,因此系統(tǒng)借鑒土壤柵格采樣策略,根據(jù)預先的部署設計將節(jié)點安裝在網(wǎng)格中,利用GPS測量節(jié)點的精確位置,并將節(jié)點名稱和位置信息輸入到基站數(shù)據(jù)管理軟件中,生成傳感器節(jié)點圖層。用設定時間間隔所接收到的最新節(jié)點數(shù)據(jù)實時更新節(jié)點圖層中土壤濕度、土壤溫度等監(jiān)測量字段數(shù)據(jù),通過ArcEngine 的空間分析模塊實現(xiàn)空間插值,獲得任意時段的監(jiān)測量空間分布。RasterAnalysis類包含在GeoAnalyst類庫中,是柵格分析的集合,其中RasterInterpolationop對象的IInt