基于nRF905與SIM300的田間無線多節點遠程監測系統設計

劉琪芳++劉振宇++王前鵬

摘要：為了實現農作物生長環境監測，針對傳統有線數據采集距離短和成本高的缺點，利用遠近距離無線數據傳輸技術相結合的方法實現田間環境測量。系統首先基于nRF905芯片建立節點間短距離無線傳輸網絡，基于此路由節點再通過SIM300建立GPRS/Internet網絡實現數據信息遠距離無線數據傳輸，從而實現田間環境信息的遠程監測和記錄，為農業種植、灌溉等生產提供有效信息。最后，系統在開闊地與有障礙物的室內進行試驗，結果表明系統運行穩定能獲得較好的測量結果，并在130 m與80 m內的數據傳輸丟包率不高于10%，滿足測量環境對系統的設計要求。

關鍵詞：多節點；nRF905；SIM300；GPRS；遠程監測

中圖分類號： TP274文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0404-04

目前農業生產發展的新趨勢是精準農業，它利用信息技術在農業保護土壤水分流失、肥力控制、農業病蟲害監測等方面可以取得良好的經濟與環境效益。由于農作物種植具有受環境影響大、種植面積廣、實時監測困難等特點，對精準農業核心問題之一的數據獲取監測系統研究具有極其重要的研究價值。傳統的方法是在田間鋪設光纖電纜，但是它不利于作物的耕種，成本造價昂貴，監測范圍有限，不能真正意義地面向廣大的農業種植[1]。通用無線分組技術GPRS（general packet radio service ）可以實現數據的接發分組功能，具有高速數據處理的特點，可以滿足田間信息數據傳輸頻繁、數據傳輸量較小、布線成本高等問題[2-4]。同時，為了滿足便于安裝、小型化及低成本等要求，本研究利用具有低成本、控制靈活特點的單片機為核心控制器，建立近距離與遠程無線傳輸技術相結合的無線傳感傳輸網絡，利用nRF 905/GPRS通信模塊實現田間作物生長環境數據獲取與遠程傳輸。

1系統結構與原理

本系統主要包括節點獲取系統與無線傳輸系統兩大部分。節點獲取系統主要通過終端節點利用傳感器獲取田間環境信息數據。無線傳輸系統主要包括終端節點與路由節點間的近距離數據無線傳輸，路由節點與上位機遠距離數據無線傳輸2個部分。其中，路由節點與上位機通信通過GPRS無線傳輸網絡將獲取的數據信息上傳到遠端監控設備，并且可以滿足多個終端節點的加入。為了避免終端節點間通信數據丟失的問題，該系統通過上位機向路由節點發信息控制接收數據的終端節點，從而保證節點間通信的可靠性。系統結構示意圖如圖1所示。

2硬件設計

系統的硬件部分主要包括終端節點數據獲取電路與路由節點無線傳輸電路2個部分。

2.1數據獲取硬件電路設計

終端節點數據獲取系統主要由AD轉換電路、nRF905無線傳輸芯片、傳感器組合及主控芯片AT89S52構成。主控芯片與無線傳輸芯片nRF905之間采用全雙工同步串行SPI總線實現通信，其通信采用Master與Slave結合的構架模式實現串行數據線MOSI與MISO的數據通信。其中，nRF905芯片選用433 MHz ISM工作頻段，配合內置的無線通信協議和CRC校驗功能，可以自動完成編碼解碼功能。另外，由于該芯片采用具有抗干擾能力強、受環境影響小的高斯頻移鍵控調制方式，使其在田間開闊式的環境中通信無礙。此節點傳感器主要包括HSTL-FS01型號風向風速傳感器，具有抗電解性的不銹鋼探針土壤水分傳感器（其工作頻率在100 MHZ，響應時間<1 s），空氣溫濕度傳感器（其工作環境為濕度0～100%RH，溫度-40～123.8 ℃內）及數字光照度傳感器等[5-6]。

2.2無線傳輸硬件電路設計

路由節點無線傳輸硬件電路主要由nRF905無線傳輸收發芯片、SIM300模塊及STC12C5A60S2微控制器構成，其硬件電路主要結構如圖2所示。該節點功能通過短距離無線傳輸nRF905芯片接收采集的傳感器數據信息，再通過SIM300無線模塊串口實現遠距離的數據傳輸。其中，SIM300內置強大GPRS功能，支持TCP/IP協議，可以通過RS232串口通信方式接收來自微控制器的AT指令。上電后用戶不需要配置通信協議，可以直接建立GPRS網絡鏈接實時收發遠端監測設備的數據信息，快速實現數據通信與傳輸。

2.3電源

系統總的電源是通過太陽能光伏電板和市電共同供電，節點電源的設計主要包括SIM300和nRF905芯片電源供電 2個部分[7]。其中，需要提供輸出電流為2 A，輸出為3.4～4.5 V 區間范圍的單電壓信號為SIM300模塊供電。為了匹配模塊供電電源，系統選用MIC29302穩壓芯片提供4 V/3 A的電源參數，可以較好地滿足模塊工作的要求。另外，系統選用低壓差線性穩壓芯片AMS1117為nRF905提供穩定的 33 V 供電電壓，并具有過流、過熱保護，其電壓輸出精度在±1%內。

3軟件設計

3.1無線傳輸軟件設計

無線傳輸軟件設計主要包括節點間近距離數據傳輸軟件設計與GPRS遠距離數據傳輸軟件設計2個部分[8]。節點間數據傳輸主要是利用無線傳輸芯片nRF905來通信[9]。nRF905無線傳輸功能主要利用內部集成的高速數據傳輸ShockBurst技術，由ShockBurst RX接收模式與ShockBurst TX發送模式構成，其工作模式的選擇由上電控制引腳PWR_UP、芯片狀態標志位引腳TRX_CE、模式設定引腳TX_EN 3個引腳決定。在ShockBurst TX模式中，首先設置TRX_CE=0、TX_EN=1 和PWR_UP=1，令其處于空閑模式，待有數據發送時，通過SPI總線將接收信息的微控制器地址和數據發送給nRF905，端口TRX_CE=1時，激活ShockBurstTX模式。此時，nRF905將校驗信息與數據合并打包發送，通過引腳DR信息判斷數據是否發送成功，如果發送成功，引腳TRX_CE置低，返回初始狀態。在ShockBurst RX模式中，先設定空閑等待模式，當引腳TRX_CE=1，進入數據接收模式。延時650 μs后監測總線載波信號，當監測到信號，載波監測標志位 CD置高。當上傳信號地址匹配相同，開啟接收模式，此時引腳AM置為1。接收完畢時，進行CRC位校驗，數據準備就緒引腳DR置高；判斷引腳TRX _CE狀態，置低進入空閑模式等待下一次數據接收，置高繼續監聽與接收總線數據。nRF905內部結構示意圖及引腳說明如圖3所示。

終端節點工作時，先配置nRF905芯片中DR、AM、CD及MISO等引腳，狀態寄存器模式及CRC位校驗信息，接著配置頻段為430 MHZ，輸出功率為10 dB，設定芯片接收與發送有效數據長度分別為4 bp和32 bp。當終端節點接收到向路由節點回傳數據指令時，進入中斷服務響應讀取數據并判斷數據的有效性。如果數據有效，將數據保存到數組TX_RX_PLAYLOAD中打包發送，完成后將此時節點狀態設置為接收狀態，為下一次接收做準備。

路由節點工作時，先按照終端節點配置 nRF905芯片參數，接著配置SIM300模塊串口、定時器等引腳及寄存器參數[7]。當進入工作狀態時，先進行與模塊握手判斷，判斷是否收到模塊返回并顯示命令。接著，通過指令AT+CREG檢測是否注冊到服務商，成功后進入鏈接狀態。為了防止之前節點工作未關閉服務器造成鏈接失敗，鏈接前先通過指令AT+CIPCLOSE與AT+CIPSHUT關閉先前的鏈接狀態。隨后，向模塊發送“AT+CLPORT=＼”TCP＼“，＼”2022＼“指令指定本地端口，并利用AT+ CIPHEAD=1指令添加數據IP頭“+IPD（數據長度）”。接著，查詢標志位flg_DNS狀態判斷服務器鏈接。當flg_DNS=1時，通過AT+CDNSORIP指令選擇域名連接服務器鏈接狀態，并通過AT+CIPSTART指令設定鏈接服務器域名及端口號；當flg_DNS=0時，通過AT+CIPSTART指令設定IP服務器域名及端口號。如果鏈接成

功，模塊可以檢測到“CONNECT OK”，單片機便可以通過AT+CIPSEND指令進行數據通信。

3.2上位機軟件設計

系統基于Microsoft Winsock Control控件實現服務器端網絡通信、數據存儲及數據顯示等功能。其中，網絡鏈接與監聽前，為了保證當前數據獲取的有效性，避免運行錯誤，需要對其之前的鏈接及監聽狀態進行關閉。然后，對本地計算機名、IP地址及端口號初始化，并開啟端口監聽模式。當接收到下位機鏈接請求時，觸發Winsock的Connection Request事件，利用Accept屬性建立通信連接。鏈接成功后，數據上傳觸發Winsock的Data Arrival事件，利用Get Data屬性獲取數據，判斷數據準確性并顯示。

當系統建立網絡鏈接成功后，系統會顯示遠程節點的IP地址和端口號，通信進入鏈接狀態，上位機觸發節點控制按鍵開始測量數據并保存數據。系統可以連續測量也可以等間隔定時測量，并可以通過命令發送區向遠程節點發送命令，實現對測量環境的調節控制。系統操作控制流程圖如圖4所示。網絡鏈接成功示意圖如圖5所示。

4測試及結果

為了驗證系統的可行性與可靠性，選擇在開闊地與有障礙環境下對系統終端節點與路由節點間數據包傳輸進行測試。無障礙環境系統測試選擇山西農業大學 150 m×50 m的小麥試驗田作為試驗場地，節點設置高度為1.5 m，其中，設定傳輸數據包為300幀數據，節點工作在最大發射接收功率，選擇10 m 作為起始測試點，每間隔10 m測試1次。重復上述過程選擇在室內有障礙物環境下進行測試。測試結果為：無障礙環境下測試時，終端節點距離路由節點為130 m處時，接收數據包為276幀，丟包率為8%；在150 m處數據接收不穩定，接收率小于90%。在有障礙環境下測試時，終端節點距離路由節點為80 m處接收數據為269幀，丟包率為10%；終

端節點距離路由節點距離為90 m處時，接收到259幀數據包，丟包率為13.7%。接收數據測試結果如圖6所示。

對系統在田間實地測試，2015年10月26—28日（均為晴天）全天測試，室外溫度最高分別為9、14、17 ℃，抽取間隔30 min采集結果。圖7給出其時間段土壤溫度及水分的測量

結果。結果表明，隨著時間變化，不同溫度對測試結果影響與理論分析結果一致。特別指出的是，由于10月25日是小雨天氣，在土壤溫度與水分測試過程中對此現象有較好的體現。對2015年10月23—25日（其中，23日為晴天，24日與25日為小雨天氣）全天測試，室外溫度最高分別為18、15、10 ℃，同樣抽取間隔30 min采集結果。圖8給出其時間段土壤溫度及水分的測量結果。結果表明，在復雜環境下對環境的測試符合實際情況，伴隨著雨量的增加，其土壤溫度與水分含量與分析結果一致，也較好地體現了系統測量的穩定性。

5總結

以田間農作物環境為研究對象，針對有線數據傳輸方式成本高、不利于耕種等特點，設計了基于近距離與遠距離無線傳輸技術相結合的遠程監測系統，主要通過終端節點獲取田

間土壤溫濕度、室外溫濕度及風向等影響農作物生長信息，利用路由節點中的SIM300模塊與上位機建立遠距離無線通信，最終實現田間環境數據信息的數據監測。測試系統設計復雜度低、成本不高、便于安裝、穩定可靠，能被廣泛應用并為開發更精準的田間監測設備提供數據及技術支持。

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