果園環境監測的無線傳感器網絡節點分析

王 越，杜海燕，趙雪輝

（山西省農業科學院果樹研究所，晉中 030800）

果園環境監測的無線傳感器網絡節點分析

王 越，杜海燕，趙雪輝

（山西省農業科學院果樹研究所，晉中 030800）

為實現對果園環境的實時監測和管理，文章就果園環境監測的無線傳感器網絡節點從多種角度進行分析，以尋求合理的系統設計。

果園環境監測 無線傳感器網絡 網絡節點

果樹生產中，園區內生態環境的變化，包括果樹的生長發育、生產管理和病蟲害信息，對于后續的管理工作的開展具有堅實的基礎和保障。基于此，為了滿足這一需求，需要加強果園生態環境的實時監測，確保信息可以自動化采集和傳輸，這對于果園生產管理具有深遠的意義。以往的果園環境信息獲取主要是通過人工方式，這樣不僅需要耗費大量的人力資源，而且工作效率偏低。因此，加強果園環境監測的無線傳感器網絡節點研究很有必要，有助于為實際工作提供指導和幫助。

1 節點硬件設計

無線傳感器網絡節點設計作為核心所在，通過傳感器來采集和處理果園環境數據信息，并通過AD轉換，將數據信息傳輸到相鄰節點，發揮節點的數據轉發功能，發送到匯聚節點處[1]。果園環境信息的采集中，傳感器節點主要由數據采集模塊、微控制器模塊、射頻通信模塊和電源幾個部分構成。其中，數據采集模塊主要是負責對果園環境數據信息的采集和處理，微控制器模塊則是用于節點的操作，存儲數據信息，實現節點數據的收發，存儲其它節點傳輸來的數據信息。

1.1 微控制器模塊

微控制器模塊是系統的重要組成部分，主要負責數據信息的存儲和處理，為了能降低電能消耗，主要是采用定時休眠和定時喚醒的工作模式。微控制器被喚醒后，系統的電源啟動，讀取傳感器中收集的數據信息，并進行計算和處理。射頻模塊同樣是定時打開，連接基站收發數據信息。同時，采用MSP430F149芯片，功耗更低，將其應用在系統中，實現數據信息的安全存儲和處理。

1.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要是對果園環境溫度、光照強度和濕度信息數據的收集和處理，通過A/D轉換將數據傳輸給單片機，實現數據的高效處理。其中光照強度單元是通過光品轉換器TSL230實現，此種裝置可以實現光源的頻率轉化，通過自動化程序來控制靈敏度和分頻輸出。其中S0、S1是靈敏度控制端，可以通過改變芯片感光窗口面積實現對靈敏度的調整；OUT為頻率信號輸出，可以實現對數據信息的捕獲輸入，對比不同捕獲時間所得數據的差異，有針對性計算得出輸出頻率值；溫度傳感器單元，采用SHT11，可以實現溫度在-40～120℃之間的分辨率為14 bit數字輸出，在運行中，要求電源供電標準在2.4～5.5 V之間，通過微處理器提供電源和時鐘信號[2]。

1.3 射頻通信模塊

射頻通信模塊在實際應用中，可以有效降低功耗，實現短距離之間的信息傳輸，同其它無線傳感器網絡節點傳輸數據。

1.4 電源模塊

為各個節點提供能量支持，盡可能選擇容量大的電池，提供可靠的電源支持。

2 節點軟件設計

2.1 節點工作流程

傳感器節點數據傳輸要求遵循相應的無線傳輸協議，系統基于802.15.4標準ZigBee無線傳輸協議。節點數據傳輸中，首先應該初始化，將系統調整到低功耗模式，在接收傳感器數據請求后，喚醒網絡節點，將采集到的數據進行存儲和處理，在特定時間內，將數據傳輸出去后再回到低功耗運行模式，降低電能消耗。

2.2 無線傳輸設計

通過建立IAR Workbench V3.1平臺，對C語言進行軟件編程。無線傳輸軟件設計中，包括初始化程序、管腳模擬程序和數據收發程序[3]。收發模式下，通過單片機內的FIFO，促使數據可以低速送入，借助nRF2401高速發送，這樣可以有效降低電能消耗；射頻協議則是由內部芯片處理，有助于為后續的程序開發提供便捷和支持；nRF2401自動處理數據幀頭和CRC校驗碼，在數據接收過程中，自動移去，而發送數據時，同樣自動化將數據幀頭和CRC校驗碼加入其中。如果單片機需要傳輸數據，首先需要將CE置高，促使nRF2401自動化調整為數據發送模式，單片機將發送數據的地質輸入FIFO中[4]。

Shock Burst TM的數據接收中，通過DR1、CE、CLK1和DATA實現，在nRF2401模式下，可以通過無線傳感器實現數據的收發。單片機置高CE，調整到數據接收模式；nRF2401進入監視模式，等待數據接收；數據接收正確，自動去除數據幀的頭和CRC校驗碼；nRF2401置高DR1，發出數據接收的信號；從nRF2401讀取數據，數據讀取后將DR1置低。

3 結論

綜上所述，在果園環境監測中，通過無線傳感器網路節點來實時監測果園環境，實現數據的可靠性傳輸，可以有效降低人力資源浪費，提升數據傳輸效率和質量，為果園的生產管理提供參考依據。

[1] 劉燕德，趙文星，周衍華，等．基于果園環境信息監測的無線傳感器網絡節點設計．電子設計工程，2013，26（17）：27～29+33

[2] 陳莉．基于ZigBee協議的環境監測無線傳感器網絡測量節點的設計．上海交通大學，2014

[3] 呂陽．基于環境監測的無線傳感器網絡節點管理器的硬件設計與實現．電子科技大學，2015

[4] 黃麗燕，肖江．花卉基地生態環境監測的無線傳感器網絡數據融合技術研究．科技創新導報，2012，21（05）：15～16