基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：鑒于農(nóng)田土壤含水率以及水分信息獲取的重要性，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ＷＳＮ）設(shè)計一個農(nóng)田土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)。通過在監(jiān)測區(qū)域部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到嵌入式測控系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)路由監(jiān)測功能。該系統(tǒng)實現(xiàn)了信息采集節(jié)點(diǎn)的自動部署、數(shù)據(jù)自組織傳輸，可以使人們隨時隨地精確獲取作物需水信息。遵循模塊化設(shè)計思想，傳感器和功能模塊可組合配置，通用性強(qiáng)，使用靈活。給出了系統(tǒng)硬件和軟件實現(xiàn)方法，包括無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸及通信等模塊的實現(xiàn)原理。對于土壤水分的監(jiān)測試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，可廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：土壤含水率；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測；設(shè)計

中圖分類號：ＴＰ２０２ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）20－4285-05

Design of Water Content Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ＣＨＡＮＧ Ｂｏ１，ＮＩ Ｓａｎｇ－ｃｈｅｎ２

（１． Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉａｎ ２２３００３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｐｌａｃｅｄ ｉｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅａ； ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｗａｓ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｉｎ ｔｏ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｕｎｉｆｉｅｄ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｏｕｔｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ＷＳＮ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｅｎａｂｌｅｄ ｔｈｅ ｃｒｏｐ ｇｒｏｗｅｒｓ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｒｏｐ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｔ ａｎｙ ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｎｙ ｐｌａｃｅ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ； ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ， ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ． Ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｏｄｅｓ ｄｅｓｉｇｎ， ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｆｏｒ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｍｐｌｉｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ， ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｄｅｓｉｇｎ

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人們對農(nóng)產(chǎn)品安全的重視，農(nóng)田土壤信息（如含水率）的實時獲取變得越來越重要。土壤含水率是地表和大氣之間通過蒸發(fā)的方式進(jìn)行能量和水分交換的主要控制因子，很大程度上影響農(nóng)作物的健康狀況［１］。人工測量農(nóng)田墑情，既耗費(fèi)人力，又不能實時監(jiān)控；采用有線監(jiān)控的布線及擴(kuò)展成本較高，且不便于農(nóng)耕。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種集信息采集、處理和無線傳輸于一體的先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)，在諸多領(lǐng)域，如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測［２］、工程安全［３］以及農(nóng)業(yè)溫室［４］、畜禽養(yǎng)殖場和食品加工等［５］方面，已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。已經(jīng)有國內(nèi)外科研人員將其應(yīng)用于不同農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域［６，７］。但從國外進(jìn)口的同類設(shè)備及控制系統(tǒng)價格昂貴，運(yùn)行成本高，不利于在國內(nèi)推廣。

根據(jù)農(nóng)田土壤環(huán)境及含水率監(jiān)測的具體特點(diǎn)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ＷＳＮ），設(shè)計一個切實可行的土壤水分無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動監(jiān)測系統(tǒng)。基于單片機(jī)快速、靈活控制的特點(diǎn)以及ＰＣ機(jī)強(qiáng)大的監(jiān)控和管理功能，系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過ＺｉｇＢｅｅ自組網(wǎng)方式構(gòu)成［８］，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、監(jiān)控和管理，避免了布線的不便、靈活性較差的缺陷，可以對農(nóng)田土壤墑情進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測，提高了土壤信息的提取效率，還可以為節(jié)水灌溉提供依據(jù)和保證。

１農(nóng)田土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、信息處理技術(shù)及無線通信技術(shù)，能夠?qū)崟r采集、感知和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分布域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并對其進(jìn)行收集整理，從而獲取有用信息，實施精確控制。土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)由水分傳感器感知節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、計算機(jī)控制中心三部分構(gòu)成?？紤]到節(jié)水灌溉面積大及分散性的特點(diǎn)，系統(tǒng)總體采用分布式結(jié)構(gòu)，即中央控制系統(tǒng)（主站）和遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)（從站），其結(jié)構(gòu)分別如圖１和圖２所示。

系統(tǒng)工作模式采用命令應(yīng)答方式，由主站下達(dá)數(shù)據(jù)采集命令，從站對主站發(fā)出的地址信息進(jìn)行接收和處理，若與本機(jī)地址相符則執(zhí)行命令。土壤含水率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)有兩類無線通信節(jié)點(diǎn)，即傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，均部署在農(nóng)田土壤中，組成星型無線通信網(wǎng)絡(luò)，測量和存儲土壤含水率信息，含水率感知節(jié)點(diǎn)采用周期性喚醒工作模式，定時采集農(nóng)田土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理及Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，以多跳路由方式發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)作為由田間向?qū)嶒炇一蛴脩魝魉捅O(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁，主要管理水分傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以無線通信的方式接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其臨時保存，并上傳到計算機(jī)控制中心。計算機(jī)控制中心主要是根據(jù)傳來的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)管理，支持用戶端需求的一些應(yīng)用。

２傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

２．１感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)設(shè)計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。傳感器節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)的基本單元，在硬件構(gòu)成上，由土壤濕度傳感器、信號調(diào)理及Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換模塊、節(jié)點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、驅(qū)動及執(zhí)行器模塊和電源供電模塊六部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖３所示。

采用目前傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先選擇的全球通用頻段（２．４ ＧＨｚ），其傳輸速率為２５０ ｋｂｐｓ。底層為多個ＺｉｇＢｅｅ監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，采用星型結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，每個ＺｉｇＢｅｅ監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有若干個無線數(shù)據(jù)測量傳感器節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計感知節(jié)點(diǎn)時，著重解決ＷＳＮ節(jié)點(diǎn)在能量消耗、魯棒性、計算和通信能力、成本和體積等方面的綜合優(yōu)化。

２．１．１數(shù)據(jù)采集模塊對土壤含水率信息進(jìn)行感知并獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息，在選擇傳感器時，主要考慮能耗、測量范圍與精度、成本與體積等因素。采用ＴＤＲ－３Ａ型土壤溫濕度傳感器，該傳感器能夠?qū)穸冗M(jìn)行測量，具有適宜于土壤環(huán)境的密封、防水的特點(diǎn)。測濕度量程：０％～１００％，在０％到５０％范圍內(nèi)精度：±２％；輸出電流：４～２０ ｍＡ。由１０ Ｖ基準(zhǔn)電源供電的電流變換器采用ＲＣＶ４２０ＪＰ芯片，輸入４～２０ ｍＡ電流轉(zhuǎn)換成輸出０～５ Ｖ電壓。

２．１．２數(shù)據(jù)處理模塊將土壤含水率感知信息進(jìn)行放大并濾波處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由放大、濾波及輔助電路組成。

２．１．３節(jié)點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)作為核心控制器件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，從實用的角度出發(fā)，采用ＡＴ８９Ｃ５１系列單片機(jī)。

２．１．４無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)感知節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信、交換控制信息和收發(fā)所采集的數(shù)據(jù)?？紤]到成本、能耗、啟動時間、數(shù)據(jù)傳輸速率、接收與發(fā)送功率等因素，設(shè)計時采用低成本低功率２．４ ＧＨｚ ＲＦ芯片ＣＣ２５００。ＣＣ２５００的特點(diǎn)是：體積小，電子封裝（４ ｍｍ×４ ｍｍ包裝），２０引腳；靈敏度高，在２．４ ＧＨｚ時為－１０４ ｄＢｍ，１％的數(shù)據(jù)包誤碼率；電流消耗低，接收模式下在２５０ ｋｂｐｓ時電流消耗為１３．３ ｍＡ；數(shù)據(jù)傳輸速率范圍是１．２~５００．０ ｋｂｐｓ；輸出功率最高可達(dá)＋１ ｄＢｍ。

２．１．５驅(qū)動及執(zhí)行器模塊計算機(jī)控制中心根據(jù)傳來的實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)管理，支持用戶端需求的一些應(yīng)用，可以發(fā)送命令，驅(qū)動執(zhí)行器動作，從而實現(xiàn)自動控制（如灌溉控制等）。

２．１．６電源供電模塊由容量為１ ２００ ｍＡｈ的單節(jié)鋰電池供電，為感知節(jié)點(diǎn)提供智能充電和電路短路保護(hù)等，以確保節(jié)點(diǎn)正常工作時所必需的能源。

２．２數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

節(jié)點(diǎn)ＩＤ采用統(tǒng)一編碼，分別占用２ Ｂｙｔｅ，每個節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測多種環(huán)境參數(shù)，用４ ｂｉｔ區(qū)分不同參數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度１２ ｂｉｔ，每一個傳感器節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)占用２ Ｂｙｔｅ。從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送格式見表１。

在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時，加上網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問控制層（ＭＡＣ）、物理層包頭以及校驗碼等組幀發(fā)送。無線數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖４所示。

３匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計

３．１匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計要求

匯聚節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)之間使用無線信號通信，無線信道頻率為２．４３３ ＧＨｚ，采用最小移頻鍵控（Ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ，ＭＳＫ）調(diào)制格式，數(shù)據(jù)傳輸速率２５０ ｋｂｐｓ。出于實用可靠等因素，軟件上簡化設(shè)計，取消復(fù)雜的路由機(jī)制，普通節(jié)點(diǎn)信號對簇頭節(jié)點(diǎn)的傳送采用盡量單跳的原則，采用模塊化設(shè)計方式，匯聚節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，直接使用普通節(jié)點(diǎn)的傳輸模塊以降低成本和節(jié)約能量。ＰＣ機(jī)只有通過匯聚節(jié)點(diǎn)才能對網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理。因此要求匯聚節(jié)點(diǎn)具有計算能力強(qiáng)，內(nèi)存容量大，能量供給充足的特性。

３．２匯聚節(jié)點(diǎn)微處理器系統(tǒng)選擇

微處理器系統(tǒng)是匯聚節(jié)點(diǎn)的核心器件，其他模塊都要通過處理器來聯(lián)系，主要由微處理器和存儲器構(gòu)成，處理并存儲感知節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)。采用Ａｔｍｅｌ公司生產(chǎn)的ＡＶＲ系列高性能、低功耗８位單片機(jī)ＡＴｍｅｇａ１２８Ｌ［９］。其特點(diǎn)是１２８ ｋＢ的系統(tǒng)可編程Ｆｌａｓｈ存儲器和４ ｋＢ的片內(nèi)Ｓｔａｔｉｃ ＲＡＭ（ＳＲＡＭ），與通用單片機(jī)兼容，提供８通道１０位采樣精度的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，同時支持１６路差分電壓輸入組合。

３．３數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

采用ＣＣ２４２０無線通信模塊，ＣＣ２４２０是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的首款符合２．４ ＧＨｚ，而且符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。適用于ＺｉｇＢｅｅ產(chǎn)品的ＲＦ器件，基于其開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)２５０ ｋｂｐｓ，可以實現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)［１０］。ＣＣ２４２０使用ＳＦＤ、ＦＩＦＯ、ＦＩＦＯＰ和ＣＣＡ ４個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，處理器通過ＳＰＩ接口與ＣＣ２４２０交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令，處理器通過ＳＰＩ與ＣＣ２４２０接口連接，如圖５所示。

４節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由匯聚節(jié)點(diǎn)程序和傳感器節(jié)點(diǎn)程序兩部分組成。其中單片機(jī)程序利用面向硬件操作的單片機(jī)Ｃ語言開發(fā)并通過ＪＴＡＧ仿真調(diào)試。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程可以描述為：系統(tǒng)上電，首先進(jìn)行單片機(jī)以及無線傳輸模塊的初始化，與匯聚節(jié)點(diǎn)建立鏈接，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和傳感器數(shù)據(jù)處理。若定時組網(wǎng)請求無應(yīng)答則認(rèn)為出現(xiàn)斷鏈或節(jié)點(diǎn)損壞，則重新申請建立鏈接。若有多個傳感器節(jié)點(diǎn)同時向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，匯聚節(jié)點(diǎn)沒有及時響應(yīng)，丟掉部分節(jié)點(diǎn)請求，這時，傳感器節(jié)點(diǎn)沒有得到響應(yīng)，則延長一段時間后再次發(fā)出請求，直到得到匯聚節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)為止。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖６所示。

５系統(tǒng)主站計算機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計

主站監(jiān)控計算機(jī)通過數(shù)據(jù)管理軟件，可以實時采集數(shù)據(jù)并顯示，形成數(shù)據(jù)庫、報表，供灌溉預(yù)報及決策使用，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算灌水時間與灌水量，將監(jiān)測與計算結(jié)果用圖表、曲線顯示或打印輸出。從簡潔易用的角度出發(fā)，設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)成如圖７所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件主要由菜單操作模塊、數(shù)據(jù)庫操作模塊、通信操作模塊３個模塊構(gòu)成。具體設(shè)計是在Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ集成開發(fā)環(huán)境中，新建基于可視化元件（ＶＣＬ）的窗口應(yīng)用程序，工程名為ＳＣＯＭＭＮ，所有步驟保持默認(rèn)狀態(tài)，并在主窗體中添加控件。

６系統(tǒng)測試及分析

系統(tǒng)在設(shè)計完成之后進(jìn)行了試驗測試。根據(jù)設(shè)計要求，對農(nóng)田土壤參數(shù)中的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實際監(jiān)測，考慮到試驗研究及成本，人工根據(jù)需要隨機(jī)布點(diǎn)５個，埋設(shè)深度為１５ ｃｍ左右，設(shè)置編號為節(jié)點(diǎn)１～５，分布于方圓大概５０ ｍ２左右小麥農(nóng)田土壤范圍內(nèi)，由５個濕度傳感器實時采集數(shù)據(jù)，無線發(fā)送至主站計算機(jī)，從站單片機(jī)輸出數(shù)碼顯示模塊可以直接顯示采集到的參數(shù)。經(jīng)傳輸模塊的優(yōu)化后，實際數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量有所改善，由于采用了高精度土壤濕度傳感器，網(wǎng)絡(luò)自糾錯能力好，數(shù)據(jù)精度高，與實測值的誤差可以忽略不計。在某天的幾個時段監(jiān)測數(shù)據(jù)如表２所示。

７結(jié)論

１）設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)，包括５個傳感器節(jié)點(diǎn)和１個匯聚節(jié)點(diǎn)，可按任意時間間隔全自動地采集、處理、傳輸和存儲地表以下５個不同土層土壤含水率變化狀況。將其應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)，能夠很好地解決傳統(tǒng)土壤監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷。

２）節(jié)點(diǎn)間通信遵循ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議，含水率測量采用ＴＤＲ－３Ａ型土壤溫濕度傳感器，進(jìn)行了數(shù)據(jù)包傳輸率試驗。

３）系統(tǒng)開發(fā)價格較低，性價比高，安裝維護(hù)簡單，提高了農(nóng)作物種植環(huán)境土壤信息管理自動化程度。

４）與傳統(tǒng)傳感器布設(shè)的具有專門信號處理的監(jiān)測方法相比，該系統(tǒng)具有無需布線、能耗低、成本低廉、魯棒性好、擴(kuò)展靈活及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，并能實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，非常適合農(nóng)田土壤含水率的實時監(jiān)測。

參考文獻(xiàn)：

［１］ ＪＡＣＫＳＯＮ Ｔ，ＭＡＮＳＦＩＥＬＤ Ｋ，ＳＡＡＦＩ Ｍ，ｅｔ ａｌ． Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＭＥＭＳ ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００７，４１（４）：３８１－３９０．

［２］ ＳＡＬＫＩＮＴＺＩＳ Ａ Ｋ，ＰＬＥＶＲＩＤＩＳ Ｊ Ｅ，ＫＯＵＫＯＵＲＬＩＳ Ｃ Ｓ，ｅｔ ａｌ． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，１９９７，２１（２）：７９－８８．

［３］ ＣＯＯＫ Ｄ Ｊ，ＤＡＳ Ｓ Ｋ． Ｓｍａｒｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］． Ｈｏｂｏｋｅｎ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙａｎｄ Ｓｏｎｓ，２００５． １３－４６．

［４］ ＰＩＥＲＣＥ Ｆ Ｊ，ＥＬＬＩＯＴＴ Ｔ Ｖ． Ｒｅｇｉｏｎａｌ ａｎｄ ｏｎ－ｆａｒｍ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｅａｓｔｅｒｎ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００８，６１（１）：３２－４３．

［５］ ＲＥＢＥＣＣＡ Ｎ Ｈ，ＤＡＶＥ Ｌ Ｓ，ＧＲＥＧ Ｊ，ｅｔ ａｌ． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｉｍａｌ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＧＰＳ ｃｏｌｌａｒｓ ａｎｄ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｊ］． Ｓｅｎｓｏｒｓ，２００９，９（５）：３５８６－３６０３.

［６］ ＰＩＥＲＣＥ Ｆ Ｊ，ＥＬＬＩＯＴＴ Ｔ Ｖ． Ｒｅｇｉｏｎａｌ ａｎｄ ｏｎ－ｆａｒｍ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｅａｓｔｅｒｎ Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００８，６１（１）：３２－４３．

［７］ ＺＨＡＩ Ｙ Ｗ．Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄａｔａ－ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０００，１１（２）：３９－４２．

［８］ ＺＨＯＮＧ Ｚ Ｇ，ＨＵ Ａ Ｑ，ＷＡＮＧ Ｄ． Ｐｈａｓｉｃａｌ－ｌａｙｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ），２００６，２２（１）：２１－２５．

［９］ 馬潮． 高檔８位單片機(jī)Ａｔｍｅｇａ１２８原理與開發(fā)應(yīng)用指南［Ｍ］． 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，２００４．

［１０］ 王秀梅，劉乃安． 利用２．４ＧＨｚ射頻芯片ＣＣ２４２０實現(xiàn)ＺｉｇＢｅｅ無線通信設(shè)計［Ｊ］． 國外電子元器件，２００５（３）：５９－６２．