基于WSNs 的農作物生理參數檢測系統設計*

韓 浩，俞阿龍，施賽杰，王 袁

(1.寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川750021;2.淮陰師范學院 物理與電子電氣工程學院，江蘇 淮安223300)

0 引 言

精準農業的核心思路是通過先進的測量手段，獲取植物的內部和外部信息來指導灌溉、施肥過程［1］。針對現代化農業規模的不斷擴大和生產要求的不斷提高，而傳統農業生理系統的監測從實時性和準確性等各方面都已經不能滿足現代化生產要求，因此，提出一種新型的農作物生理參數監測系統的設計方案十分必要。農業遠距離無線數據傳輸有多種方式，目前大多采用移動GPRS［2］或者GSM 短消息［4］的傳輸方式，但這些傳輸方式傳輸速度低下，容易造成數據延時甚至數據丟包。碼分多址(code division multiple access，CDMA)技術比GSM 和GPRS 具有更高的傳輸速度和效率［5］，所以，本文設計采用基于ARM9 的CDMA DTU 模塊進行數據的遠距離傳輸。由于Zig Bee 傳輸距離有限［3］，因此，采用Zig Bee 與遠距離無線傳輸相結合的方式。系統在傳感器選用適配調理電路的基礎上對傳感器還進行了相應的算法優化，提高了傳感器的精準度。

本文設計的基于無線傳感器網絡(WSNs)的農作物生理參數檢測系統測量的數據精度較高，數據傳輸穩定，能夠滿足現代化農業生產的需求，具有非常好的實用性和推廣應用價值。

1 系統總體設計方案

檢測系統由數據采集端、嵌入式網關遠程發送端以及檢測管理中心三部分組成。系統總體的結構框架圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig 1 System structure diagram

首先，傳感器通過Zig Bee 協議發送所采集的植物生理參數信息到網關中的協調器節點，協調器將數據通過RS—232 串口發送到基于ARM9 的CDMA DTU 嵌入式模塊，CDMA DTU 模塊對數據進行處理后通過CDMA2000 網絡和Internet 網絡將數據發送到由PC 構建的Web 服務器，發送到服務器的優點是數據易存儲易查詢。最后，檢測中心還能通過基于LabVIEW 編寫的上位機軟件根據已知的數據分析出植物的生理生長狀況，并設計了一種根據蒸騰速率和葉綠素含量等參數的自動報警界面，從而可以更精確地判斷和控制植物的長勢和各項經濟指標。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集節點硬件設計

數據采集節點組要負責采集植物的各項生理參數(莖稈與果實直徑、葉綠素含量、植物莖流等)和無線發送采集到的數據。無線收發芯片選用TI 公司推出的CC2530 作為Zig Bee 網絡的射頻收發送模塊。CC2530 是應用于Zig Bee網絡的真正片上系統(SOC)解決方案，包括一個高性能的2.4 GHz 射頻收發器，內含一個高性能、低功耗的增強型8051 內核和一個8 通道12 位A/D 轉換器［5］。CC2530 較以往常用的CC2430 芯片具有靈敏度更高、功耗更小、通信距離更遠等優點［6］，因此，滿足無線傳感器及其網絡對高性能、低成本、低功耗的要求。

本設計中需要測量的莖稈直徑采用基于LVDT 的植物莖稈傳感器，葉綠素含量測量采用基于透射型活體葉綠素傳感器，植物莖流測量采用基于熱平衡法傳感器，這些傳感器的輸出均為模擬信號，在傳感器部分對輸出信號進行調理就能夠直接與CC2530 芯片連接。數據采集節點硬件設計如圖2 所示。

圖2 傳感器節點硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of sensor node

2.2 嵌入式網關硬件設計

嵌入式網關主要負責對接收的數據進行處理與存儲，并實現Zig Bee 協議與TCP/IP 協議之間的轉換，從而將數據發送到遠程檢測系統。嵌入式網關主要由協調器和基于AM9 的CDMA DTU 模塊組成，CDMA DTU 模塊包括AM9微處理器和DTU 發送模塊。本設計的CDMA DTU 選用CDMA 2000 通信模塊，該模塊采用AM9 高性能工業級嵌入式處理器，供電范圍寬(5～32VDC)，數據傳輸速度高，系統穩定可靠。其核心硬件結構圖如圖3 所示。

圖3 嵌入式網關硬件圖Fig 3 Hardware block diagram of embedded gateway

在使用CDMA DTU 之前需要做兩步準備:一是因為本設計采用動態IP 鏈接Internet 網絡與Web 服務器，因此，要申請域名，申請域名解析服務后可以通過域名自動建立通信。接入CDMA 網絡前，需要向電信公司申請SIM 卡，SIM 卡可為CDMA DTU 提供鏈接Internet 網絡服務。二是使用前需要用終端軟件或AT 命令對參數設置，以決定進入網絡透明數據傳輸模式的工作方式。

2.3 鋰電池供電模塊設計

植物生理檢測系統的實際應用環境很復雜，電源供給很難保障，因此，本設計中采用3.6 V 鋰電池供電。但植物生理檢測系統中傳感器模塊、CC2530 等模塊需要不同的電源供給，因此，本設計采用DC－DC 芯片NCP500SN33G 獲得穩定的3.3 V，該電壓適用于SOC 工作電壓。采用TPS61040 將3.6 V 自舉到適用于各類傳感器工作的12V 電壓。其電路圖分別如圖4、圖5 所示。

3 系統軟件設計

3.1 數據采集節點軟件設計

圖4 NCP500SN33G 轉換電路Fig 4 NCP500SN33G switching circuit

圖5 TPS61040 轉換電路Fig 5 TPS61040 switching circuit

采集端傳感器節點主要負責采集植物各項生理信息并組網將數據發送給嵌入式網關。本設計采用IAR 集成開發環境自底向上構建Zig Bee 網絡。為了節省電量，采用的傳感器節點一般處于低功耗模式，直到收到上位機命令后才將對應的檢測數據上傳到網關。為了提高效率，上位機可設置每隔一段時間后對傳感器發送上傳數據命令。另外，還采用了中值平均濾波算法來消除個別傳感器系統內部的隨機干擾［7］，提高了傳感器的測量精度。傳感器節點工作流程圖如圖6 所示。

圖6 傳感器節點工作流程圖Fig 6 Working flow chart of sensor node

3.2 嵌入式網關軟件設計

嵌入式網關的軟件設計是建立在Linuxred hat linux 操作系統上的，該操作系統具有多任務操作進程、支持硬件廣泛、程序模塊化、源代碼公開等諸多優點而被廣泛使用［8］。使用IAR 集成開發環境來建立嵌入式網關和遠程檢測管理中心的網絡連接。嵌入式網關流程圖如圖7 所示。

3.3 上位機軟件設計

系統采用LabVIEW 平臺編寫上位機軟件，根據設計要求，將軟件分為數據顯示模塊、數據分析模塊、數據存儲三大模塊。數據顯示模塊主要是將接收到的數據和分析后的結果顯示在上位機的前面板上。數據分析模塊主要是根據所要檢測植物參數的不同選擇合適的分析和處理方法。本系統分析模塊實現的功能是:當測量數據在正常范圍內時指示燈顯示綠色，表示植物長勢正常。當某一參數超出或者低于正常范圍時，其對應的指示燈顯示紅色報警。數據存儲模塊主要是將數據存儲到數據庫中，由于LabVIEW 不能直接訪問數據庫，因此，采用SQL 語言來完成對數據庫的訪問。上位機軟件結構圖如圖8 所示。

圖7 嵌入式網關工作流程圖Fig 7 Working flow chart of embedded gateway

圖8 遠程檢測軟件結構圖Fig 8 Structure diagram of remote detecting software

4 實驗結果與分析

為了對設計的系統性能各方面進行驗證，在29℃的溫室環境下選擇了4 株番茄做為測試對象，4 株番茄均勻分布于250 mm×250 mm 的測試區域，將協調器放置在溫室的中心區域從而組建星型網絡結構。每株番茄同時采集莖流、葉綠素含量、番茄果實的直徑等生理參數并將參數發送到上位機顯示界面，采集間隔為2 h，總檢測時間為24 h。數據采集表如表1 所示。

表1 參數值日變化Tab 1 Diurnal variation of parameter value

為了測試系統數據傳輸的穩定性，還對系統的滿載丟包率進行測試。在24 h 內對其中12 個節點丟包率進行測試，平均丟包率僅為0.06%，各節點丟包率如圖9 所示。

圖9 滿載丟包率Fig 9 Diagram of packet loss rate at full-load

5 結 論

本文設計并實現了基于WSNs 遠程農作物生理參數檢測系統，該系統采用模塊化結構，結合嵌入式和Zig Bee 技術，實現了對農作物的各項生理參數定時的動態采集、無線傳輸和遠程的實時監測，在精準農業生產應用中具有重要的意義。實驗證實本系統性能優越，數據傳輸穩定，具有很好的推廣應用價值。

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