基于nRF905的水稻田監(jiān)測系統(tǒng)的研究

黃招娣，潘澤中，朱 路，黃德昌

（華東交通大學(xué)1.電氣與電子工程學(xué)院；2.信息工程學(xué)院，江西南昌330013）

水稻生長環(huán)境的優(yōu)良是保持水稻質(zhì)量和產(chǎn)量的重要前提，實時準(zhǔn)確地監(jiān)測水稻生長過程的水位、空氣溫濕度等水稻田環(huán)境參數(shù)。因此，搭建水稻生長環(huán)境參數(shù)信息監(jiān)測系統(tǒng)，對提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

近年來，隨著無線通信技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，憑借其自組網(wǎng)、覆蓋范圍大、低功耗、低成本、智能化等特點，已逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域［1-5］。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用集中在對果園或田間作物生長參數(shù)和環(huán)境因子的監(jiān)測，部署的傳感器節(jié)點通過無線的方式將果園或田間中探測的信息傳送給服務(wù)器［1-6］。

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水稻田環(huán)境監(jiān)測中，實時采集水稻生長環(huán)境參數(shù)（水位、空氣溫濕度等），并通過GPRS技術(shù)實現(xiàn)手機終端接收水稻田環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)［6-9］。從而對指導(dǎo)水稻精準(zhǔn)管理、維護水稻田環(huán)境，節(jié)約水資源、節(jié)省成本、提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

1 水稻田環(huán)境監(jiān)測的WSN系統(tǒng)總體設(shè)計

基于nRF905的水稻田環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3部分：傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器、用戶終端。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。傳感器節(jié)點分為子傳感器節(jié)點和簇頭傳感器節(jié)點，具體功能如下。

1）子傳感器節(jié)點主要是采集水稻田生長環(huán)境參數(shù)（水位、空氣溫濕度等），并將采集數(shù)據(jù)處理后傳輸給協(xié)調(diào)器。

2）簇頭傳感器節(jié)點除了具有子傳感器節(jié)點的功能之外，還要擔(dān)任數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，接收到子傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。

3）協(xié)調(diào)器的功能主要是接收并處理各個傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機用戶終端或通過串口發(fā)送給電腦終端。

4）用戶終端包括PC機或手機終端，主要用了給用戶顯示信息。

2 水稻田環(huán)境無線監(jiān)測的硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點分為子傳感器節(jié)點和簇頭傳感器節(jié)點，其中兩種傳感器節(jié)點的硬件電路相同。傳感器節(jié)點采用了Atmel 公司STC89C52 單片機為核心處理器，擴展了nRF905的通信接口、總線接口、各種傳感器電路和供電電路。傳感器節(jié)點采用太陽能電池組件供電，擴展支持3路傳感器數(shù)據(jù)采集，通過nRF905實現(xiàn)無線傳輸［10-12］。

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，水位傳感器采用了BPY800 液位傳感器；空氣溫濕度傳感器采用了Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片式封裝系列的SHT10空氣溫濕度傳感器；水溫傳感器采用了投入式DS18B20數(shù)字溫度傳感器，以上3種傳感器都是已定標(biāo)的數(shù)字式傳感器，其傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 水稻田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The network architecture model of environmental monitoring system for paddy field

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of sensors

傳感器節(jié)點其主要由MCU（STC89C52 單片機）控制模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器模塊、PY800 水位傳感器模塊、SHT10 空氣溫濕度傳感器模塊、nRF905 無線通信模塊等模塊組成。如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sensor nodes and coordinators

2.2 協(xié)調(diào)器

相對于傳感器節(jié)點而言，協(xié)調(diào)器要求具有較強的處理能力和運行速度。因此，在設(shè)計中盡量減少協(xié)調(diào)器的硬件接口，主要由MCU（STC89C52 單片機）控制模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、SIM300 GPRS 模塊、NRF905無線通信模塊等模塊組成，如圖2所示。

3 水稻田環(huán)境無線監(jiān)測的系統(tǒng)軟件設(shè)計

uVsion是Keil softwave公司的產(chǎn)品，它集項目管理、編譯工具、代碼編寫工具、代碼調(diào)試及仿真于一體，適合于個人開發(fā)或人數(shù)少的開發(fā)團隊的使用。本系統(tǒng)采用uVsion軟件編寫系統(tǒng)程序，程序設(shè)計主要包括兩部分：一是傳感器節(jié)點程序的設(shè)計，其中傳感器節(jié)點程序設(shè)計分為子傳感器節(jié)點程序設(shè)計和簇頭傳感器節(jié)點程序設(shè)計；二是協(xié)調(diào)器程序的設(shè)計。

子傳感器節(jié)點主程序流程如圖3所示，當(dāng)傳感器節(jié)點上的MCU控制器檢測到NRF905接收的命令后，傳感器節(jié)點上的MCU 控制器開始采集BPY800，SHT10，DS18B20 等傳感器信息，同時將采集的信息通過LCD1602小液晶顯示出現(xiàn)，并將采集的數(shù)據(jù)通過簇頭以多跳的形式傳輸給協(xié)調(diào)器。對于傳感器節(jié)點程序的設(shè)計，分別編寫了BPY800.c，SHT10.c，DS18B20.c，LCD1602.c，nRF905.c等子程序。

簇頭傳感器節(jié)點的程序設(shè)計與子傳感器節(jié)點的程序設(shè)計類似，重點區(qū)別在于簇頭傳感器節(jié)點的程序設(shè)計多了一種多跳路由功能，當(dāng)子傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳給簇頭節(jié)點時，簇頭節(jié)點識別到頭文件是否要發(fā)送給協(xié)調(diào)器；如果頭文件是需要上傳給協(xié)調(diào)器，其將繼續(xù)上傳，直至數(shù)據(jù)上傳協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器主程序流程圖如圖4所示，當(dāng)協(xié)調(diào)器上的MCU控制器檢測到SIM300 GPRS模塊接收的命令后，協(xié)調(diào)器上的MCU控制器開始接收各個傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理并顯示在LCD12864液晶顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)通過串口上傳給PC上位機或者服務(wù)器；也可以通過串口上傳給SIM300 GPRS模塊，從而發(fā)送給手機終端。對于協(xié)調(diào)器，分別編寫了nRF905.c，LCD12864.c，uart_serial.c等子程序。

圖3 子傳感器節(jié)點程序流程圖Fig.3 The son sensor node program flow chart

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.4 Coordinator program flow chart

4 系統(tǒng)試驗結(jié)果與分析

在進行系統(tǒng)測試實驗之前，首先對傳感器節(jié)點之間的有效通信距離進行了試驗測試，以確保在整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的有效通信距離內(nèi)，便于網(wǎng)絡(luò)布置。為了得到現(xiàn)場測試真實數(shù)據(jù)，采取在不同環(huán)境下進行多次測試，以取得各個環(huán)境下的有效通信距離，如表2所示。

通過傳感器節(jié)點上的液晶顯示，可以直觀的看到無線傳輸過程中數(shù)據(jù)的誤碼率和丟失率，如果出現(xiàn)丟包，則認(rèn)定傳輸距離達到限度。經(jīng)過測試，采用節(jié)點的點對點通信，在實驗室環(huán)境中覆蓋范圍達到100 m2，最大的通信距離為36 m左右；在開闊無任何障礙物的操場上，晴天最大的通信距離為108 m左右、陰天有雨最大通信距離為87 m左右；在草叢中，晴天最大的通信距離為90 m左右、陰天有雨最大通信距離為75 m左右；在坡度為30°的山坡上測得有效最大通信距離為56 m。

表2 距離測試數(shù)據(jù)表Tab.2 The data sheet of testing distance

該系統(tǒng)經(jīng)過在水稻田環(huán)境中測試，運行穩(wěn)定可靠，并可實時顯示水稻田的水位、空氣溫濕度、水的溫度等參數(shù)，并且通過手機終端可以獲取各個節(jié)點的參數(shù)信息。經(jīng)對總面積位102 m2的稻田進行測試，在2012年5月27日下午14：30：30時所測得數(shù)據(jù)。如圖5、圖6所示，其中圖5是空氣溫度實測數(shù)據(jù)曲線圖，圖6是稻田里水的溫度實測數(shù)據(jù)曲線圖。

圖5 空氣溫度測試數(shù)據(jù)曲線圖Fig.5 The data curve diagram of air temperature testing

圖6 水溫度測試數(shù)據(jù)曲線圖Fig.6 The data curve diagram of water temperature testing

5 結(jié)束語

提出了一種基于nRF905的水稻田環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，在盡量減少成本的前提下，分析水稻田環(huán)境參數(shù)需求，采用分簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計研究一種適合我國南方水稻田環(huán)境監(jiān)測的無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過現(xiàn)場實際環(huán)境測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且具有很好的抗干擾能力，系統(tǒng)對指導(dǎo)水稻精準(zhǔn)管理、維護水稻田環(huán)境，節(jié)約水資源、節(jié)省成本、提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

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