基于WSN的果園環境監測系統的節點設計

周仁東，郝萬君，陳延強，潘 磊，徐 楊

（蘇州科技學院 機電學院，江蘇 蘇州 215000）

果園內的土壤濕度、環境溫濕度、葉面濕度等環境因素對果品的質量以及穩產、高產有很大的影響。果園通常在山地，占地面積很大，不同位置的環境參數差別很大，如何快速有效地獲取果園內部各種環境參數，為種植過程的科學灌溉提供數據支持，進而提高水果產量，增加果園的經濟收益，具有重大的意義。

為解決上述問題，目前現有的方法是人工巡查和有線數據采集兩種。人工巡查方式有非常大的工作量，且難以保證數據的實時性與有效性。另有一種是以有線數據采集方式的監控系統，有復雜的布線，受物理線路和環境因素影響大，成本高，不適于擴展[1]。

針對果園網絡布線困難，人力耗費大等問題，采用基于無線傳感器網絡的監控系統。無線傳感器網絡由低功耗的微小網絡節點通過自組織方式構成無線通信網絡，能夠通過密集的節點布置，協作地實時感知、監測和采集網絡分布區域內的各種環境信息（土壤濕度、環境溫濕度、葉面濕度等），并對這些信息進行處理，從而獲得詳盡而準確的信息[2]。

1 系統結構

果園環境監測系統由3部分組成：無線傳感器網絡（WSN）、GPRS網絡和遠程數據中心。節點設計采用分層分布式結構，拓撲結構如圖1所示。

圖1 環境監測系統結構圖Fig.1 Structural diagram of environment monitoring system

大量的傳感器節點分別放置在果園的向陽面、背陰面及谷底等不同地方，每個傳感器都會被分配到不同的簇。每個簇中的節點會進行數據交換，各個傳感器節點負責對數據的感知與采集，數據以最短路徑原則沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸。每個傳感器節點的覆蓋范圍必須包含另外兩個節點，以防傳輸線路中有節點出現故障時，數據的傳輸中斷。在傳輸過程中，監測數據可能被多個節點處理，多跳到每個簇的匯聚節點，然后傳到網關節點[3]。網關節點與遠程數據中心通過GPRS網絡進行通信，遠程數據中心的管理員通過對收集到的數據進行分析處理，做出判斷與決策。

2 網絡節點設計

2.1 硬件設計

在自組織網絡中，每個傳感器節點由數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和電源構成。每個傳感器負責對周圍環境數據進行感知與采集。處理器對傳感器采集的各種數據經過濾波、放大后發送給無線通信模塊，并控制整個傳感器節點的運行。無線通信模塊不僅要滿足數據傳輸，還要節省能量，而無線信號收發消耗的能量遠遠大于靜止時消耗的能量，節省能量的關鍵在于減少無線數據的發送量，因此設計時加入數據存儲、數據融合等功能，以減少數據發送量[4]。電源則對整個傳感器節點的運行提供能源，保證節點正常運行。節點結構如圖2所示。

圖2 傳感器節點結構圖Fig.2 Structural diagram of sensor node

2.1.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要由土壤濕度、環境溫濕度、葉面濕度等傳感器及模數轉換器等部分組成。土壤濕度傳感器用于監測水果種植區域的土壤水分，環境溫濕度傳感器和葉面濕度傳感器分別用于監測水果生長環境中的溫濕度和葉面水分蒸騰量，保證水果能在合適環境中生長。溫、濕度傳感器采用深圳飛比科技“感應兄弟”的溫濕度傳感板，以便同時實現環境參數中溫度與濕度數據的采集。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，這足以滿足果園環境監測的需要。溫濕度傳感器將環境參數的物理量轉換成電信號，接著進行放大處理，適合于A/D轉換，經過轉換后，傳給處理器，也便于處理器的運算處理。

2.1.2 數據處理模塊

處理模塊是整個節點的中心，由處理器和存儲器組成，處理器的性能決定整個節點的性能，故采用Ramtron公司的VRS51L2070的處理器。它結合了速度高達40MIPS的單周期8051內核、有眾多的數字外設，是目前市場上最快的處理器之一。采用與8051兼容的指令系統，可以方便地實現程序移植。在相同的內核與相互兼容的指令系統的基礎上，采用雙向兩線串行數據接口與CC2530_Zigbee模塊進行通訊。利用其高速的處理能力，容納大量的數據信息，以提高信息的實時性，并保持數據傳輸通暢。

2.1.3 無線通信模塊

無線通信模塊使用自身有業界標準的增強型8051MCU內核的處理器，并采用低功耗CMOS工藝生產的CC2530系統芯片，支持 2.4 GHz IEEE.802.15.4標準[5]，有多達 256 kB字節的閃存空間，享有8 kB的RAM空間，有串口及LED顯示燈，結合一個完全集成的高性能的RF收發器，有優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。它負責與其他傳感器節點或匯聚節點進行通信，交換信息和收發采集數據，可以實現多點對多點的快速組網。LED顯示燈可以顯示與網絡連接狀態，通信采用標準的串口，數據通過串口傳輸。利用CC2530在不同工作模式間能夠短暫轉換的功能，以及較少的外設，進一步保證降低能量損耗。通信模塊結構如圖3所示。

圖3 通信模塊結構圖Fig.3 Structural diagram of communication module

2.2 軟件設計

在文獻[6]的基礎上進行如下設計。無線傳感器網絡節點的數據傳輸采用基于802.15.4標準的ZigBee無線傳輸協議，使用API操作模式。API操作模式通常應用于較復雜的網絡傳輸，通過改變目標地址來實現點對多點的數據傳輸任務，傳輸結束后返回確認信息（或已發送成功，或發送失敗）。接收數據時可以額外接收到發送端模塊的發送信息，對節點進行遠程參數配置后，實現整個網絡信息系統的在線參數配置，分配系統資源。

無線傳感器網絡節點的工作過程如圖4所示。節點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）和定時器初始化。接著節點會偵聽網絡，并請求加入，獲得分配地址。傳感器網絡節點平時處于休眠狀態，此時整個節點消耗能量相對較少。 當傳感器設備要采集數據時，節點被喚醒，開始采集數據，確認采集到后，將數據進行簡單的處理、儲存，并在設定的時間內，嘗試把數據發送出去，當成功發送后，則處于空閑，又回到休眠狀態。

圖4 節點工作過程流程圖Fig.4 Flow chart diagram of sensor node working

數據采集與處理流程如圖5所示。當要開始進行數據采集時，節點會上電啟動，初始化各端口、串口，然后CC2530芯片進行初始化，信道參數會被設置好，當為接收模式時，傳感器就進行數據的采集，采集信息完成后，將有關的數據提煉出來，儲存著，等待其他數據。設為發送模式后，則將數據發送。

圖5 數據采集與處理流程圖Fig.5 Flow chart of data acquisition and sending

當無線傳感器網絡比較復雜時，每個節點需要擔負額外的數據轉發和數據處理等任務。這時，VRS51L2070的處理器與CC2530芯片以高速的運算處理能力，通過兼容的指令系統，可以達到完美的配合。轉接的數據轉發、處理任務能夠得到快速解決，不至于引發數據轉發滯緩或局部網絡癱瘓的現象，可以較好地保證實時性，提高信息可靠性。

3 網關節點設計

網關節點的主要任務是處理并發送采集的數據。網關節點的處理能力、存儲能力和通信能力必須比較強，它一方面通過CC2530芯片與傳感器網絡相連接，另一方面通過GPRS通信模塊與Internet外部網絡連接。實現兩種協議直接的轉換，發布遠程數據中心的監測任務，也要把收集到的數據發送到與Internet網絡相連的遠程數據中心。GPRS與Internet網絡的無縫連接，可以達到數據連續傳輸的目的。

網關節點主要由芯片模塊、處理器模塊、GPRS通信模塊、電池4部分組成，其結構如圖6所示。其中處理器模塊和芯片模塊都與傳感器節點的設計布局相同，GPRS通信采用西門子公司的MC55 GPRS模塊，它是當今市場上尺寸最小的三頻GPRS模塊之一，完美地支持語音通信和短消息方式通信的功能，可以用于實現實時通信與手機信息交互的功能，以便及時地處理情況，更好地照料果園。同時CC2530也可以通過串口將數據上傳到計算機，采用MAX3232對RS232電平和TTL電平進行轉換，上傳數據時，TTL電平轉換為RS232電平，遠程數據中心下發命令時，RS232電平轉換為TTL電平。

圖6 網關節點模塊結構圖Fig.6 Diagram of the gateway node module design

MC55內嵌的TCP/IP協議與Internet網絡的協議相同，易與Internet網絡相連，實現從網關到遠程數據中心的通信。傳感器網絡監測到的數據，經過處理后，編輯為短消息格式，能夠直接發送到監控人員的手機上，這樣監控人員在任意時間、地點都可了解果園的情況，增強了監控人員的靈活性，大大提高了處理突發事件的效率。

4 GPRS技術

GPRS是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，在GSM協議構架的基礎上增加支持分組交換的協議，實現分組無線通信。GPRS遠程數據的轉發，通過另一個異步串行端口連接GPRS通訊模塊。實現GPRS遠程數據通信，自下而上完成驅動層、協議層和應用層的設計。應用層在網絡連接建立后，能夠實現向遠程數據中心轉發數據的功能[7]，與之同時連接的SIM卡也能將數據發送到手機上。

5 實驗結果

表1 實驗數據Tab.1 Experiment results

為了測試節點功能，在小樹林里進行實驗。選用5個飛比溫濕度傳感器節點，一個擴展板匯聚節點，一個網關節點和筆記本電腦形成監測平臺。實驗數據通過串口傳到上位機，在上位機上可以實時看到數據，實驗顯示，在樹林里傳輸距離能夠達到80 m，可以滿足果園環境監測的需要。實驗時，收集到的數據如表1所示。

6 結束語

文中針對果園提高產量及質量的需求，設計了基于無線傳感器網絡的環境監測系統，用于果園環境參數的實時監測。著重介紹了，無線傳感器網絡的體系結構、節點的軟硬件設計以及通過GPRS技術遠程傳輸。無線傳感器網絡利用節點功耗低、工作時間長、成本低等特點，實現在線監測，為果園科學的種植提供科學依據。

[1]王翥，魏德寶，王玲.基于WSN的溫室大棚溫濕度監測系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2010（10）:45-48.WANG Zhu，WEI De-bao，WANGLing.Design of greenhouse temperature and humidity monitoring system based on WSN[J].Instrument Technique and Sensor，2010（10）:45-48.

[2]饒云華，代莉，趙存成，等.基于無線傳感器網絡的環境監測系統[J].武漢大學學報，2006，52（3）:345-348.RAO Yun-hua，DAI Li，ZHAO Cun-cheng，et al.Wireless sensor networks based environmental monitor system[J].Electronic Information of Wuhan University，2006，52 （3）:345-348.

[3]王建偉，宋執環.基于傳感器網絡的智能環境監控系統的實現[J].傳感器與微系統，2009，28（8）:63-66.WANG Jian-wei，SONG Zhi-huan，Implementation of distributed environmental monitoring system based on sensor networks[J].Transducer and Microsystem Technologies，2009，28（8）:63-66.

[4]尹令，劉財興，洪添勝，等.基于無線傳感器網絡的奶牛行為特征監測系統設計[J].農業工程學報，2010，26（3）:203-208.YIN Ling，LIU Cai-xing，HONG Tian-sheng，et al.Design of system for monitoring dairy cattle’s behavioral features based on wireless sensor networks[J].Transactions of the CSAE，2010，26（3）:203-208.

[5]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點 [J].計算機系統應用，2011，20（7）:184-187.ZHANG Wei-cong，YU Xin-wu，LI Zhong-cheng.Wireless network sensor node design based on CC2530 and ZigBee protocol stack[J].Computer System Applied，2011，20（7）:184-187.

[6]沈君黎，朱華，姚明海，等.面向應急環境監測的無線傳感器網絡節點設計[J].機電工程，2010，27（11）:65-70.SHEN Jun-li，ZHU Hua，YAO Ming-hai，et al.Design of wireless sensor network node for emergency environmental monitoring[J].Journal of Mechanical&Electrical Engineering，2010，27（11）:65-70.

[7]劉卉，汪懋華，王躍宣，等.基于無線傳感器網絡的農田土壤溫濕度監測系統的設計與開發 [J].吉林大學學報，2008，38（3）:604-608.LIU Hui，WANG Mao-hua，WANG Yue-xuan，et al.Development of farmland soil moisture and temperature monitoring system based on wireless sensor network[J].Journal of Jilin University，2008，38（3）:604-608.