[基于无线传感器网络的农田环境监测系统设计]农田环境监测系统设计结构图

　　摘要：针对农田环境状况复杂、监测难度大等现状，设计了一种基于无线传感器网络的农田环境监测系统。该系统利用传感器节点采集农田环境参数后，通过ＺｉｇBｅｅ技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的关键参数，具有很好的实用价值。
　　关键词：农田环境参数；无线传感器网络；传感器节点；实时监控；ＺｉｇＢｅｅ
　　中图分类号：Ｓ１２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０12）15－3334-02
　　Design of Farmland Environmental Monitoring System Based on Wireless Sensor Network
　　ＹＡＮＧ Ｆａｎｇ
　　（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｕｎｙｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｚｕｎｙｉ ５６３００２， Ｇｕｉｚｈｏｕ， Ｃｈｉｎａ）
　　Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ waｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ，a ｆａｒｍｌａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔａｒｇｅｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅd ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｔｈｅ ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｅｎｄ ｔｈｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ＺｉｇBｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｆａｒｍ ｍａｎａｇｅｒｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｅｃｉｓｅly ａｎｄ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅly ｃｏｎｔｒｏｌ the ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｒｏｐ ｐｌａｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．
　　Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆａｒｍｌａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ； ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ＺｉｇＢｅｅ
　　我国是农业大国，农业是国民经济的基础产业，农业生产受到温度、湿度、水分等多种农田环境因素的影响。因此，在农业生产过程中引入现代信息技术，可以准确、高效地收集农田信息，对提高农产品产量具有重要意义。
　　针对农田环境复杂、监测难度大等特点，充分利用无线传感器网络灵活而强大的组网功能，设计了基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的农田环境监测系统，该系统由传感器节点、汇聚节点、互联网和用户终端等组成［１］，利用安装在被监测区的传感器节点采集农田环境参数后，通过ＺｉｇBｅｅ技术发送到控制中心，再对数据进行分析和处理，使农田管理者能精确直观地控制农作物种植过程中的空气温度、相对湿度、ＣＯ２含量、水位等关键参数，对在农业生产过程中实现增产节能有着很好的实用价值［２］。
　　１ 农田环境监测系统总体结构设计
　　ＺｉｇＢｅｅ技术是一种短距离、低速率的无线通信技术，被广泛应用在无线传感网络的组建中。与其他无线通信技术相比，ＺｉｇＢｅｅ具有网络容量大、工作频段灵活、架构简单、功耗低、成本低、可靠性高、组网能力强和安全等优点［３，４］；ＺｉｇＢｅｅ由终端设备、协调器和路由器构成。终端设备是指传感器节点，将其按一定规律安装在农田里，配备低功耗的微处理器，监测空气温度、相对湿度、ＣＯ２含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量等参数。一定区域内的传感器节点构成一个簇，这些节点又分为簇首和普通节点。簇首主要进行数据的融合及转发，能把簇中普通节点采集到的信息发送到上级的协调器，也能把协调器接收的信息在簇内进行传播；普通节点只能与本簇的簇首交换信息。协调器把监测到的信息传输到网关，然后网关通过ＧＰＲＳ把数据传送到监控中心。ＺｉｇＢｅｅ网络主要有网状和星状，星状拓扑结构简单，但是覆盖能力差，且只要簇首出现故障整个网络就瘫痪；网状拓扑覆盖能力强、可靠性好，但结构复杂［５］。农田区域环境复杂，存在很多不利因素，为提高ＺｉｇＢｅｅ的精确性，该设计采用星状—簇首—路由拓扑结构［６］（图１）。
　　２ 功能模块设计
　　２．１ 硬件结构设计
　　１）传感器节点。ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络由传感器节点组成，传感器节点一般由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块组成（图２）。
　　数据采集模块主要由空气温度、相对湿度、ＣＯ２含量、水位、雨量、风向、光照强度、土壤含水量传感器以及Ａ／Ｄ转换器组成，负责监测区域内以上参数的数据。数据处理模块对采集模块获得的数据进行处理和存储；无线通信模块主要是和簇首或协调器交换信息；电源模块向系统提供能量；传感器节点多选用低功耗器件，而且节点大多数时间处于休眠状态，所以电源模块可使用干电池。簇首节点因为频繁发送数据耗费能量多，可使用光电池供电。
　　２）网关。网关的任务是把传感器节点监测到的数据由ＺｉｇＢｅｅ网络通过ＧＰＲＳ发送到监控中心及对数据进行处理和存储。网关由电源模块、存储模块、控制模块、射频模块以及相关Ｉ/Ｏ接口组成（图３）。
　　网关进行数据传输和处理的工作量较大，因此采用ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１微处理器。该处理器具有高性能、低功耗等优点。射频收发模块使用ＣＣ２５３０，主要任务是和ＺｉｇＢｅｅ网络进行数据双向传输［７］。ＧＰＲＳ无线通信模块使用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的Ｇ２０产品，通过ＧＰＲＳ网络和监控中心进行数据的无线传输。