基于WSN的果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

周仁東，郝萬(wàn)君，陳延強(qiáng)，潘 磊，徐 楊

（蘇州科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

果園內(nèi)的土壤濕度、環(huán)境溫濕度、葉面濕度等環(huán)境因素對(duì)果品的質(zhì)量以及穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)有很大的影響。果園通常在山地，占地面積很大，不同位置的環(huán)境參數(shù)差別很大，如何快速有效地獲取果園內(nèi)部各種環(huán)境參數(shù)，為種植過(guò)程的科學(xué)灌溉提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而提高水果產(chǎn)量，增加果園的經(jīng)濟(jì)收益，具有重大的意義。

為解決上述問(wèn)題，目前現(xiàn)有的方法是人工巡查和有線數(shù)據(jù)采集兩種。人工巡查方式有非常大的工作量，且難以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與有效性。另有一種是以有線數(shù)據(jù)采集方式的監(jiān)控系統(tǒng)，有復(fù)雜的布線，受物理線路和環(huán)境因素影響大，成本高，不適于擴(kuò)展[1]。

針對(duì)果園網(wǎng)絡(luò)布線困難，人力耗費(fèi)大等問(wèn)題，采用基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低功耗的微小網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，能夠通過(guò)密集的節(jié)點(diǎn)布置，協(xié)作地實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息（土壤濕度、環(huán)境溫濕度、葉面濕度等），并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3部分組成：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of environment monitoring system

大量的傳感器節(jié)點(diǎn)分別放置在果園的向陽(yáng)面、背陰面及谷底等不同地方，每個(gè)傳感器都會(huì)被分配到不同的簇。每個(gè)簇中的節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知與采集，數(shù)據(jù)以最短路徑原則沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍必須包含另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，以防傳輸線路中有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸中斷。在傳輸過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，多跳到每個(gè)簇的匯聚節(jié)點(diǎn)，然后傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)[3]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的管理員通過(guò)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出判斷與決策。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在自組織網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊和電源構(gòu)成。每個(gè)傳感器負(fù)責(zé)對(duì)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行感知與采集。處理器對(duì)傳感器采集的各種數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波、放大后發(fā)送給無(wú)線通信模塊，并控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。無(wú)線通信模塊不僅要滿足數(shù)據(jù)傳輸，還要節(jié)省能量，而無(wú)線信號(hào)收發(fā)消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜止時(shí)消耗的能量，節(jié)省能量的關(guān)鍵在于減少無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送量，因此設(shè)計(jì)時(shí)加入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合等功能，以減少數(shù)據(jù)發(fā)送量[4]。電源則對(duì)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供能源，保證節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of sensor node

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由土壤濕度、環(huán)境溫濕度、葉面濕度等傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等部分組成。土壤濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)水果種植區(qū)域的土壤水分，環(huán)境溫濕度傳感器和葉面濕度傳感器分別用于監(jiān)測(cè)水果生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度和葉面水分蒸騰量，保證水果能在合適環(huán)境中生長(zhǎng)。溫、濕度傳感器采用深圳飛比科技“感應(yīng)兄弟”的溫濕度傳感板，以便同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)中溫度與濕度數(shù)據(jù)的采集。溫度采集精度為±0.5℃，采集范圍－40～125℃；濕度采集精度為±3.5%RH，這足以滿足果園環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。溫濕度傳感器將環(huán)境參數(shù)的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接著進(jìn)行放大處理，適合于A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，傳給處理器，也便于處理器的運(yùn)算處理。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

處理模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心，由處理器和存儲(chǔ)器組成，處理器的性能決定整個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能，故采用Ramtron公司的VRS51L2070的處理器。它結(jié)合了速度高達(dá)40MIPS的單周期8051內(nèi)核、有眾多的數(shù)字外設(shè)，是目前市場(chǎng)上最快的處理器之一。采用與8051兼容的指令系統(tǒng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)程序移植。在相同的內(nèi)核與相互兼容的指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用雙向兩線串行數(shù)據(jù)接口與CC2530_Zigbee模塊進(jìn)行通訊。利用其高速的處理能力，容納大量的數(shù)據(jù)信息，以提高信息的實(shí)時(shí)性，并保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸通暢。

2.1.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊使用自身有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核的處理器，并采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的CC2530系統(tǒng)芯片，支持 2.4 GHz IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[5]，有多達(dá) 256 kB字節(jié)的閃存空間，享有8 kB的RAM空間，有串口及LED顯示燈，結(jié)合一個(gè)完全集成的高性能的RF收發(fā)器，有優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。它負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。LED顯示燈可以顯示與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，通信采用標(biāo)準(zhǔn)的串口，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸。利用CC2530在不同工作模式間能夠短暫轉(zhuǎn)換的功能，以及較少的外設(shè)，進(jìn)一步保證降低能量損耗。通信模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通信模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of communication module

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸采用基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議，使用API操作模式。API操作模式通常應(yīng)用于較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)改變目標(biāo)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，傳輸結(jié)束后返回確認(rèn)信息（或已發(fā)送成功，或發(fā)送失?。?。接收數(shù)據(jù)時(shí)可以額外接收到發(fā)送端模塊的發(fā)送信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)配置后，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的在線參數(shù)配置，分配系統(tǒng)資源。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程如圖4所示。節(jié)點(diǎn)的初始化主要包括振蕩器初始化、I/O口初始化、串口初始化（UART0，UART1和USB初始化）和定時(shí)器初始化。接著節(jié)點(diǎn)會(huì)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，并請(qǐng)求加入，獲得分配地址。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗能量相對(duì)較少。 當(dāng)傳感器設(shè)備要采集數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)被喚醒，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，確認(rèn)采集到后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理、儲(chǔ)存，并在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，嘗試把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，當(dāng)成功發(fā)送后，則處于空閑，又回到休眠狀態(tài)。

圖4 節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程流程圖Fig.4 Flow chart diagram of sensor node working

數(shù)據(jù)采集與處理流程如圖5所示。當(dāng)要開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)上電啟動(dòng)，初始化各端口、串口，然后CC2530芯片進(jìn)行初始化，信道參數(shù)會(huì)被設(shè)置好，當(dāng)為接收模式時(shí)，傳感器就進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集信息完成后，將有關(guān)的數(shù)據(jù)提煉出來(lái)，儲(chǔ)存著，等待其他數(shù)據(jù)。設(shè)為發(fā)送模式后，則將數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖5 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖Fig.5 Flow chart of data acquisition and sending

當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要擔(dān)負(fù)額外的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。這時(shí)，VRS51L2070的處理器與CC2530芯片以高速的運(yùn)算處理能力，通過(guò)兼容的指令系統(tǒng)，可以達(dá)到完美的配合。轉(zhuǎn)接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、處理任務(wù)能夠得到快速解決，不至于引發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)滯緩或局部網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，可以較好地保證實(shí)時(shí)性，提高信息可靠性。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是處理并發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力必須比較強(qiáng)，它一方面通過(guò)CC2530芯片與傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，另一方面通過(guò)GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)連接。實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議直接的轉(zhuǎn)換，發(fā)布遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測(cè)任務(wù)，也要把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡(luò)相連的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，可以達(dá)到數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由芯片模塊、處理器模塊、GPRS通信模塊、電池4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中處理器模塊和芯片模塊都與傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)布局相同，GPRS通信采用西門子公司的MC55 GPRS模塊，它是當(dāng)今市場(chǎng)上尺寸最小的三頻GPRS模塊之一，完美地支持語(yǔ)音通信和短消息方式通信的功能，可以用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與手機(jī)信息交互的功能，以便及時(shí)地處理情況，更好地照料果園。同時(shí)CC2530也可以通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，采用MAX3232對(duì)RS232電平和TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，上傳數(shù)據(jù)時(shí)，TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心下發(fā)命令時(shí)，RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of the gateway node module design

MC55內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議與Internet網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議相同，易與Internet網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)關(guān)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后，編輯為短消息格式，能夠直接發(fā)送到監(jiān)控人員的手機(jī)上，這樣監(jiān)控人員在任意時(shí)間、地點(diǎn)都可了解果園的情況，增強(qiáng)了監(jiān)控人員的靈活性，大大提高了處理突發(fā)事件的效率。

4 GPRS技術(shù)

GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，在GSM協(xié)議構(gòu)架的基礎(chǔ)上增加支持分組交換的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)分組無(wú)線通信。GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)另一個(gè)異步串行端口連接GPRS通訊模塊。實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，自下而上完成驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。應(yīng)用層在網(wǎng)絡(luò)連接建立后，能夠?qū)崿F(xiàn)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能[7]，與之同時(shí)連接的SIM卡也能將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)上。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment results

為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)功能，在小樹林里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選用5個(gè)飛比溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，一個(gè)擴(kuò)展板匯聚節(jié)點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和筆記本電腦形成監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到上位機(jī)，在上位機(jī)上可以實(shí)時(shí)看到數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)顯示，在樹林里傳輸距離能夠達(dá)到80 m，可以滿足果園環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。實(shí)驗(yàn)時(shí)，收集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)果園提高產(chǎn)量及質(zhì)量的需求，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于果園環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。著重介紹了，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)以及通過(guò)GPRS技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，為果園科學(xué)的種植提供科學(xué)依據(jù)。

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