基于无线传感器网络农田信息自动检测系统的设计与实现

摘要：农田信息的及时准确获取是精准农业实施的基础。基于当前无线传感器网络在农田信息采集中的应用现状，提出了设计体积小、成本低、低功耗、工作持续时间长的农田信息采集无线传感器网络节点的必要性。系统采用Atmel公司的低功耗处理器芯片ATmega1281和AT86RF23 1射频芯片，最终实现了低功耗、低成本、低复杂度的检测系统，通过对温湿度等环境因子的检测，能够达到对作物种植环境进行实时监测的要求。
关键词：无线传感器网络；农田信息采集；低功耗；实时监测；节点

    精准农业已成为我国农业发展的趋势，农田信息的及时准确获取是精准农业实施的基础。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。不但要耗费大量的人力，而且不能够做到实时监控，如果采用有线测控系统，则需要铺设光纤或者电缆，这样不但增加了成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性。随着传感器技术、无线通信技术及嵌入式技术的发展，孕育出了一种新的信息获取、传输、处理的智能网络——无线传感器网络。无线传感器网络可以实时监测、感知和采集监控区域的信息，并将采集到的数据经处理后发送给终端用户。目前，国内外科研人员已有将无线传感器网络应用于农业领域，本文主要针对当前环境监测中面临的网络布线困难、成本高及实时性差等问题，提出了基于无线传感器网络农田信息自动检测系统的设计，该系统具有低功耗、体积小、工作时间长、成本低的特点，同时可实现危险区域的低成本无人连续在线监测。

1 系统结构设计
    无线传感器网络的节点部署在监控领域，对感兴趣的数据进行采集、处理、融合，并通过主节点路由到基站，用户可以通过因特网进行查看、控制。其系统结构如图1所示。其中，网关(基站)负责对各节点传感器数据的收集、处理及与外网的通信；传感器节点负责采集周围的信息，如温度、湿度等，同时还要兼具有路由功能，通过路由协议直接或者通过“多跳”的方式将数据传给网关，再借助临时建立的sink链路把整个区域内的数据传输到监控中心；监控中心主要负责将采集的数据进行综合计算得到所需的信息，并对各传感器节点进行管理。同时开发了客户端界面，方便用户对服务器的数据进行查询和控制，并能以图形的方式直观地显示出用户所需要的信息。

2 系统硬件设计
    无线传感器网络节点总体架构由传感器模块、数据处理器模块、无线通信模块和电源模块4个部分组成。传感器模块负责环境信息的采集和数据转换，本系统主要是负责采集土壤温湿度传感器，传感器模块上还预留了数字和模拟接口，可以方便地扩展传感器的种类；数据处理模块负责控制整个传感器节点的存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，还要负责节点组网和数据路由选择以及系统功耗的控制等。数据处理模块的核心是高性能的ATmega1281处理器；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的所有电源。
2．1 传感器模块
    传感器模块是节点的数据采集部分，根据实际需求，确定合适的传感器，系统采用温湿度传感器，并留有通用传感器扩展接口，传感器模块为独立电路板，通过51PIN连接器与主控模块电路板连接。
    本系统采用的温湿度传感器为瑞士Sensirion公司生产的SHT10温湿度一体传感器。该传感器的特点是体积微小、功耗极低，两线数字输出，湿度测量范围：0～100％RH，湿度的测量精度为±4.5％RH，温度测量范围：-40～-+123．8℃，在25℃时，温度的测量精度为±0.5℃，响应时间：8 s，可完全浸没。SHT10采用两条串行线(SCK，DATA)与处理器进行数据通信。SCK用于处理器、SHT10之间的通讯同步，串行数据(DATA)用于数据的读取，在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。SHT10完整的测量时序由启动传输时序、发布命令、等待测量完成、读回数据这四个部分组成。处理器用一组“启动传输”时序来发起一个通信过程。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平。在DATA为低电平期间，SCK变为低电平，再翻转为高电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。在“启动传输”时序之后，微控制器可以向SHT10发送命令。微控制器在发布一组湿度或者温度测量命令后，需要等待测量的结束，SHT10通过将DATA线拉低表示测量的完成。重新启动时钟线SCK读取测量结果时，2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验将被传送。为节能VDD接在处理器1281的PC0口，需采集数据时传感器上电，采集完数据传感器断电。
2．2 数据处理模块和无线通信模块
    数据处理模块采用Atmel公司的低功耗ATmega1281芯片，该芯片具有片内256 kB的Flash存储器、8 kB的SRAM数据存储器(可外接扩展到64 kB)和4 kB的EPROM存储器。该芯片还有8／16通道的10位ADC，2个8位和4个16位硬件定时／计数器，4个8位PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器，2／4个可编程串行USART、51／86个可编程I／O口线。SPI、I2C总线接口；可以采用JTAG编程和ISP编程两种方式。除正常工作模式外，ATmega1281还具有6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。因此ATmega1281非常适合于低能耗的应用场合。
    无线通信模块采用AT86RF231芯片，该芯片是一款低功耗、低电压，SH接口，支持2.4GHZ IEEE802.15.4标准的无线收发芯片。AT86RF231通过SPI接口与处理器ATmega1281连接，通过串行输出(MOSI)和串行输入(MISO)进行数据读写操作，由串行时钟(SCK)控制读写操作。
    数据处理模块、无线通信模块及外围设备的硬件连接如图2所示。传感器节点上设计528kB的串行FLASH存储器AT45DB041来完成信息在本节点的辅助存储功能。处理器通过UART接口与AT45DB041连接。通过TXD1和RXD1进行数据读写操作，由时钟(XCK1)控制读写操作。处理器通过3根通用I／O引脚与温湿度传感器SHT10连接。软件控制I／O引脚的电平来完成对SHT10的操作。处理器还预留了ADC模拟输入通道、I／O接口、I2C接口到传感器扩展接口，对系统扩展其它传感器提供硬件支持。处理器ADC的PF0与系统电池电压检测电路连接，提供对系统电池剩余能量的检测。

2．3 电源模块
    节点的能量供应是节点工作的重要前提，如果供电不足，将会导致整个系统瘫痪。为延长节点的使用寿命，多种降低功耗的方法已经被提出，如：数据压缩技术和低功耗路由技术等，但任何降低功耗的方法都不能彻底解决节点寿命有限的问题。可再生能源的利用，如：太阳能、振动、潮汐和风能等的利用，被认为是解决上述问题的可行方案。对于室外系统，太阳能具有技术相对成熟，能量密度较大等优势，被认为是为节点提供额外能源的可行方法。图3是电源电路框图。分压器将3．3 V的稳压器输出电压降至2．75 V。比较器比较此值于电池的电压值。当阳光充足并且电池的电压低于2．75 V时，比较器打开开关，对电池充电。否则，当电池的电压等于或大于2．75 V时，开关关闭阻止充电过程。二极管用来阻止电流由电池流入太阳能电池板。

3 系统软件设计
3．1 系统软件结构图
    无线传感器网络采集监测区域内的数据，通过传输网络将各种传感数据传输到后台管理软件，后台管理软件对这些数据进行分析、处理、存储，以便获得相关信息，并对无线传感器网络的运行和监测区域内的环境状况进行监控。另外，后台管理软件也可以发起任务并通过传输网络告知WSN，以便完成特定的任务。这些功能主要是在应用程序服务器上实现，其结构如图4所示。

    系统通过串口接收到的温湿度数据如图5所示。无线传感器网络节点运行的是TinyOS操作系统，系统传递信息数据包帧格式如图6所示。每一帧用同步字节SYNC_BYTE(0x7E)包装。其中的负载数据TOS_mag是传感网络数据链路层所使用的数据包格式。信息中包括了目的节点地址、信息类型、信息长度、信息组别以及数据载荷等。其中，数据载荷Data是提供给用户的有效消息载体，包含为实现多跳路由功能而设置的源地址、数据采集节点地址及电压、湿度、温度等高层应用信息。根据上述数据包的帧格式，处理后的数据如图7所示。

4 结束语
    文中基于当前无线传感器网络在农田信息采集中的应用现状，提出了体积小、成本低、低功耗、工作持续时间长的农田信息采集无线传感器网络节点的必要性。该系统利用无线收发设备传输数据，无需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力，通过监控中心可实现对农田温湿度的监控等功能，实现真正意义上的无人值守，与普通无线技术相比，还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点，为实现大规模农田监控的信息化、自动化、提高工作效率具有很高的实际应用价值。