基于WSN的便攜式FPGA農田環境監測系統

潘軍璋　高云等

摘要：針對農田環境信息獲取時存在的信息對象多、地域廣、分布雜散、數據通訊條件落后等諸多不利因素，設計了采用基于無線傳感器網絡技術和可編程片上系統（ＳＯＰＣ）技術的便攜式農田環境監測系統。該系統通過溫度、濕度、光照度等傳感器實時采集農田環境數據；以ＣＣ２４３０模塊為終端測量節點的核心，建立無線傳感器網絡實現監測數據的無線傳輸和匯集；采用具有ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器的現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）控制系統實現對整個系統的管理。田間試驗結果表明該系統能夠有效地采集環境數據，并具有組網靈活、可擴展性強、攜帶方便等優點。

關鍵詞：無線傳感器網絡；現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）；農田；環境監測

中圖分類號：ＴＰ２７４＋．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）24－5778-05

農田環境信息主要包括溫度、濕度、光照度等，這些環境因素的確定對實現高產、高效農業與農業現代化有很大的指導意義［１］。在對農田環境信息進行獲取時，面臨著信息對象多、地域廣、分布雜散、數據通訊條件落后等諸多不利因素，而這些因素都制約著對農田環境信息實時、有效、方便地獲取。如何快速、準確、有效、實時地獲得農田環境信息的各類數據已成為現代信息農業的重要研究內容，也是精細農業得以發展的基礎［２，３］。

近幾年來發展起來的無線傳感器網絡技術和可編程片上系統（ＳＯＰＣ）技術為農田環境信息采集提供了新的解決方案。無線傳感器網絡技術綜合了傳感器、嵌入式、現代網絡、無線通信等技術，具有分布式、自組織式的特點。可有效解決田間信息的遠距離數據采集、智能監測及控制等問題。目前，國內外對于無線傳感器網絡在農田監測方面的研究主要集中在組建網絡、數據傳輸、通訊等方面，其中無線傳感器網絡組網和現有通訊網絡的嵌入式網關的設計方面的研究較多見［４－１２］，而基于移性好、方便使用的便攜式網關的無線傳感器網絡監測系統的研究還未見報道。而ＳＯＰＣ技術用可編程邏輯技術把整個系統放到一塊硅片上。ＳＯＰＣ技術的主要應用模塊有復雜可編程邏輯器件（ＣＰＬＤ）和現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）兩種。ＦＰＧＡ可以用來實現模擬信號處理、數字信號的處理、批處理等控制功能，常應用于工業控制系統中。目前，ＦＰＧＡ在農業工程上的應用主要集中在３個方面，一是對溫室，畜、禽舍等的環境進行控制；二是對農業機械進行控制；三是通過圖像處理對農產品進行分級。將ＦＰＧＡ技術與無線傳感器網絡技術相結合用于農田環境信息數據采集的研究還未見報道。針對農田環境信息獲取時信息對象多、地域廣、分布雜散、數據通訊條件落后等問題，該研究設計了一種簡單有效、便攜式、低成本的環境監測系統，用于農田環境數據的自動獲取。系統以ＦＰＧＡ上ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器為主控單元［１３－１7］，以ＣＣ２４３０為核心的ＺｉｇＢｅｅ（無線個域網）模塊為無線傳感器網絡節點，構成基于無線傳感器網絡的便攜式ＦＰＧＡ農田環境監測系統。該系統實現了對農田環境信息的多節點環境數據的監測、記錄、存儲、查詢等功能。

１ 系統的總體結構

系統總體上可分為無線傳感器網絡和ＦＰＧＡ便攜式主控系統兩大部分，如圖１所示。無線傳感器網絡終端節點由ＴＩ公司基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４協議的ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器模塊ＣＣ２４３０外接溫度、濕度、光照度等環境數據采集傳感器電路組成，主要用途是散布在農田區域，監測區域內的環境信息。ＦＰＧＡ便攜式主控系統由ＦＰＧＡ控制系統和ＺｉｇＢｅｅ協調器組成，配備３．２寸觸摸屏，主要完成網絡組建和對無線傳感器網絡各終端節點的管理、信息采集、信息存儲及分析功能，所有的終端節點采用５號電池供電，ＦＰＧＡ便攜式系統采用鋰電池供電。

ＦＰＧＡ便攜式主控系統上電后，ＺｉｇＢｅｅ協調器自動建立可用網絡并實時向ＦＰＧＡ反饋組網信息。無線傳感器網絡終端節點上電后，自動搜索可用網絡，并加入到可用網絡中。一旦組網完成，終端節點便開始響應協調器周期性發送的采集數據命令。ＺｉｇＢｅｅ協調器收到數據后，將數據送至ＦＰＧＡ控制系統，ＦＰＧＡ控制系統對數據進行處理和存儲，以便隨時查看和進行現場分析。

２ 無線傳感器網絡終端節點的設計

２．１ 無線傳感器網絡終端節點硬件設計

ＣＣ２４３０模塊支持全球通用２．４ＧＨｚ頻段ＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ協議，集ＺｉｇＢｅｅ射頻（ＲＦ）前段、內存和微控制器（８０５１）于一體。ＣＣ２４３０模塊根據芯片內置閃存容量分為３個版本，即ＣＣ２４３０Ｆ３２／６４／１２８，分別對應內置閃存３２／６４／１２８ｋＢ［１１］。本系統采用的是ＣＣ２４３０Ｆ１２８模塊。通過ＣＣ２４３０模塊直接驅動溫度、濕度、光照度等傳感器模塊采集環境數據，并完成無線傳感器網絡的自組網以及數據的采集和傳輸功能。以ＣＣ２４３０模塊為核心器件的無線傳感器網絡終端節點硬件結構框架如圖２所示，包括電壓為３Ｖ的鋰電池供電模塊、ＴＨＳ１１０１濕度傳感器模塊、ＯＰＴ１０１光照度傳感器模塊、ＤＳ１８Ｂ２０數字溫度傳感器模塊、ＣＣ２４３０模塊電路。

２．２ 無線傳感器網絡終端節點軟件流程

無線傳感器網絡終端節點主要完成溫度、濕度、光照度等環境數據的采集、發送和接收以及執行來自協調器的網絡控制命令。如果當前節點作為路由節點還需要負責其他節點數據的轉發。

終端節點上電后首先進行系統初始化，掃描有效信道，當發現協調器建立的網絡后請求加入網絡，所有終端節點由協調器統一管理。設備加入網絡后，即進入低功耗模式，等待協調器發送的啟動采集數據的命令。在接送到開始采集環境數據的命令后，采集各個傳感器的數據，而后回傳數據到協調器，再由協調器通過串口將數據發送給ＦＰＧＡ。

為了提高無線傳感器終端節點在電池供電條件下的使用時間，節約電路的電能消耗，終端節點采用低功耗模式，通過響應協調器周期性發送的采集數據命令來工作。

３ ＦＰＧＡ便攜式主控系統

ＦＰＧＡ便攜式主控系統由ＦＰＧＡ控制系統和ＺｉｇＢｅｅ協調器組成，其中ＺｉｇＢｅｅ協調器負責管理網絡，同時又是ＦＰＧＡ控制系統與終端節點間互相通訊的橋梁。ＦＰＧＡ控制系統和ＺｉｇＢｅｅ協調器相互獨立，通過串口相互連接。ＦＰＧＡ控制系統由一個３．２寸觸摸屏和一塊ＦＰＧＡ核心板構成。３．２寸觸摸屏控制器采用ＳＳＤ１２８９模塊。ＦＰＧＡ核心板上帶有４個獨立按鍵、一塊８ＭＦｌａｓｈ、一塊８ＭＳＤＲＡＭ、一個ＳＤ卡插槽以及擴展Ｉ／Ｏ接口。

３．１ 基于ＮｉｏｓⅡ的ＦＰＧＡ控制系統

ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器是采用流水線技術和哈佛結構的通用精簡指令集計算機精簡指令集架構（ＲＩＳＣ）處理器。其中包含一套通用外設和接口庫，可以靈活選擇或增刪，可結合ＦＰＧＡ內部ＲＡＭ、ＲＯＭ或是加上外部的Ｆｌａｓｈ、ＳＲＡＭ來構成一個嵌入式系統［１５］。該系統中的ＮｉｏｓⅡ設計包括ＣＰＵ、Ａｖａｌｏｎ交換總線及一些外圍設備，如ＳＤＲＡＭ控制器、ＵＡＲＴ、Ｉ／Ｏ、用戶自定義邏輯等。其中Ｉ／Ｏ接口包括觸摸屏接口（用戶自定義數字Ｉ／Ｏ）、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＳＤＣａｒｄ控制器等。ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器的配置如圖３所示。ＮｉｏｓⅡ外連接８Ｍ的ＳＤＲＡＭ、８Ｍ的Ｆｌａｓｈ以及配置芯片ＥＰＣＳ１６構成ＦＰＧＡ便攜式主控系統的核心。ＦＰＧＡ器件上電后自動讀取存儲在ＥＰＣＳ中的配置信息，采用軟件延時啟動模塊保證系統在ＦＰＧＡ正確配置以后再啟動。系統時鐘由板上的５０ＭＨｚ有源晶振提供，通過鎖相環倍頻和移相提供１００Ｍ的ＣＰＵ主時鐘和１００Ｍ相位差為３ｎｓ的ＳＤＲＡＭ時鐘。

３．２ 基于ＮｉｏｓⅡ的軟件設計

ＦＰＧＡ器件的硬件編程包括一個延時啟動模塊Ｒｅｓｅｔ＿Ｄｅｌａｙ、鎖相環模塊ＰＬＬ＿ＳＤＲＡＭ、ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器模塊ＣＰＵ１。ＦＰＧＡ便攜系統主要用于接收、存儲和查看各節點采集的數據。在其上電后，由ＺｉｇＢｅｅ協調器自動建立起可用網絡，其他子節點在上電時掃描可用網絡，并申請加入該網絡。ＺｉｇＢｅｅ協調器負責網絡的管理，并把組網的信息發送給ＦＰＧＡ。在組網成功后，開始周期性的接收各終端節點發送的環境數據。系統軟件流程如圖４所示。通過３．２寸觸摸屏可以查看各節點采集到的環境數據，也可以對網絡性能進行設置。

運行在ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器上的程序在ＮｉｏｓⅡＩＤＥ環境下編輯，ＮｉｏｓⅡＩＤＥ環境為其提供了完善的底層函數，其中包括可訪問外設的ＨＡＬＡＰＩ函數。系統采用軟硬件協同設計的方法，很大程度上減小軟件復雜度，提高軟件運行效率。

４ 系統試驗驗證與結果分析

４．１ 農田環境監測試驗設計

農田環境監測試驗在華中農業大學校內試驗田進行。采用４Ｇ的ＳＤ卡作為數據記錄載體存儲采集到的環境數據。試驗田的面積為６０ｍ×４５ｍ，試驗使用的８塊無線傳感器終端節點均勻放置在試驗田中的８個不同位置。試驗時間為第一天的０８∶００到第二天０８∶００。由于試驗田的面積不大，系統采用星形網絡的組網方式，無線傳感器終端節點設置為每一個小時采集一次數據。ＺｉｇＢｅｅ協調器將接收到的數據送至ＦＰＧＡ控制系統，由ＦＰＧＡ控制系統對數據進行預處理并存儲于ＳＤ卡中。試驗中的ＦＰＧＡ便攜式主控系統如圖５所示。主控系統用鋰電池供電，觸摸式液晶屏顯示采集到的數據。

４．２ 監測試驗結果分析

試驗時間為２０１１年４月，每次試驗進行１周。每次以２４ｈ為一個采集數據組。試驗中，每個終端節點采用鋰電池供電，主控系統采用大容量鋰電池，連續工作一周后，系統仍能正常工作。８個節點采集數據全部被ＺｉｇＢｅｅ協調器接收，丟包率為０。圖６為其中一次試驗中３號節點采集到的晴天和雨天數據折線圖。

由圖6可知，一個晝夜中（記錄從第一天的０８∶００到第二天的０８∶００）晴天最高氣溫為３６℃，出現在１３∶００左右，最低氣溫為１２℃，全天溫差為２４℃。光照度最高為５６６１２ｌｘ，在１０∶３０～１５∶３０，光照度維持在５００００ｌｘ以上。濕度范圍為１９％～８１％。雨天溫差不大，平均溫度為１６．２℃。濕度較高，范圍為７７．８％～９６．６％。光照度最大值為４７６０ｌｘ，出現在10∶００左右。通過查詢當地氣象局數據發現其與當天的數據相近。

５ 小結

針對農田環境信息獲取時存在的信息對象多、地域廣、分布雜散、數據通訊條件落后等諸多不利因素，設計了采用基于無線傳感器網絡技術和ＳＯＰＣ技術的便攜式農田環境監測系統。該系統通過溫度、濕度、光照度等傳感器實時采集農田環境數據；以ＣＣ２４３０模塊為終端測量節點的核心建立無線傳感器網絡，實現監測數據的無線傳輸和匯集；采用具有ＮｉｏｓⅡ嵌入式軟核處理器的ＦＰＧＡ控制系統實現對整個系統的管理。田間試驗證明系統能有效地采集環境數據，丟包率為０。該系統具有部署靈活方便、穩定可靠、成本低、組裝維護簡單、擴展方便的特點，可以針對具體的應用環境自動獲取節點覆蓋區域的環境參數，有效提高了農作物種植環境信息管理自動化程度。

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