摘 要： 基于WSN 的水稻生長環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，以ARM9為核心，結(jié)合ZigBee技術(shù)和3G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水稻田間多參數(shù)的實(shí)時(shí)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過3G技術(shù)建立協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的無線連接，監(jiān)控中心PC連接了3G網(wǎng)絡(luò)和MySQL數(shù)據(jù)庫。用戶可通過遠(yuǎn)程PC實(shí)時(shí)監(jiān)測、查詢水稻生長環(huán)境信息，從而提高水稻生產(chǎn)自動(dòng)化管理水平。
關(guān)鍵詞： WSN；3G；ARM9；水稻生長環(huán)境；遠(yuǎn)程監(jiān)測
我國是水稻種植大國，水稻總產(chǎn)占世界之首。水稻是全球人口賴以生存的主要糧食之一，水稻產(chǎn)量對(duì)于維護(hù)國家穩(wěn)定、社會(huì)安定和人民安居樂業(yè)有著重要意義。優(yōu)良的水稻生長環(huán)境是保證水稻的質(zhì)量和產(chǎn)量的重要前提，搭建水稻生長環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測水稻田環(huán)境參數(shù)，如水稻生長過程中田間水位、空氣溫濕度、日光照強(qiáng)度等，對(duì)提高水稻質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義。
隨著我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。基于ZigBee的WSN技術(shù)[1]，是一種近距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，該技術(shù)滿足農(nóng)田信息數(shù)據(jù)傳輸要求，是大面積水稻田間環(huán)境采集信息傳輸?shù)淖罴堰x擇。近年來，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]在中國的應(yīng)用己逐漸成熟，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，比第一代通信技術(shù)、第二代GSM和GPRS技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率明顯提升、帶寬的明顯增大、數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠、能夠?qū)崿F(xiàn)無網(wǎng)段間的通信。3G網(wǎng)絡(luò)提供的高帶寬和多媒體技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠在一定程度上改變傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測情況，用戶可以通過3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，并可通過攝像頭進(jìn)行隨時(shí)的視頻監(jiān)測。因此，將3G技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田管理的信息化、智能化起到重大的加速作用，能給精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[3]的發(fā)展帶來巨大的影響。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻生長環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能管理，系統(tǒng)采用了無線傳感技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，基本實(shí)現(xiàn)了信息的多點(diǎn)自動(dòng)采集、無線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測及智能管理等功能。系統(tǒng)主要包括信息感知層、通信鏈路層和應(yīng)用層3部分。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。
其中信息感知層由傳感器節(jié)點(diǎn)（包括終端采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)）和協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成[4]。傳感器節(jié)點(diǎn)連接溫濕度傳感器、水位傳感器、水溫傳感器和光照傳感器，用于采集稻田現(xiàn)場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)，以多跳的方式，通過ZigBee無線傳感技術(shù)傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。通信鏈路層實(shí)現(xiàn)ZigBee近距離、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)、3G遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)以及因特網(wǎng)之間的互連。應(yīng)用層包括連接了3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫、PC用戶和PDA用戶，用戶可以通過登錄服務(wù)中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)
傳感器節(jié)點(diǎn)分為終端采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)兩部分，兩種節(jié)點(diǎn)的硬件組成相同。本文傳感器節(jié)點(diǎn)采用Jennic公司的JN5139芯片為無線控制模塊[5]，外接傳感器模塊組成。其中JN5139芯片是一個(gè)適合于IEEE 802.15.4應(yīng)用的低成本、低功耗的無線微控制器，芯片上集成了一個(gè)32 bit的RISC處理器、一個(gè)2.4 GHz頻段符合IEEE 802.15.4規(guī)約的無線收發(fā)器，此外，芯片上還集成了192 KB的ROM、92 KB RAM及豐富的模數(shù)外設(shè)資源等。傳感器節(jié)點(diǎn)示意框圖如圖2所示。
為了采集水稻田間環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)采用空氣溫濕度傳感器、水位傳感器、水溫傳感器和光照傳感器，傳感器器件參數(shù)如表1所示。
2.2 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)
考慮到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要處理大量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)間的無線數(shù)據(jù)交互，因此協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)要求具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較快運(yùn)行速度。本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)選用基于ARM 920T內(nèi)核的S3C2440處理器、ZigBee無線收發(fā)模塊及3G模塊等組合而成[6]，如圖3所示。
數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)到應(yīng)用層數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程傳輸通過3G模塊來實(shí)現(xiàn)。目前我國存在3種不同的3G標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，分別為聯(lián)通、電信和移動(dòng)三大電信運(yùn)營商運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)[7]。本文采用了廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ZWW-36A的3G DTU模塊。該3G DTU是采用WCDMA網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有提供可靠、便捷、透明數(shù)據(jù)通道和無線的嵌入式開發(fā)條件等優(yōu)點(diǎn)。ZWW-36A中WCDMA模塊的3G網(wǎng)絡(luò)具有能達(dá)到7 Mb/s的下行鏈路速率理論值和5 Mb/s多的上行鏈路理論值，因此用戶利用它能夠進(jìn)行大量、高速的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程
ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有[8]星形（Star）、樹形（Cluster Tree）和網(wǎng)狀（Mesh）3種組網(wǎng)方式，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中ZigBee節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3種，ZigBee協(xié)調(diào)器管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)子節(jié)點(diǎn)的管理和實(shí)現(xiàn)與3G遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的通信，一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。感知層節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程如圖4（a）所示。
首先節(jié)點(diǎn)上電，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化操作；接著協(xié)調(diào)器執(zhí)行信道掃描，包括能量掃描與主動(dòng)掃描兩個(gè)過程，能量掃描會(huì)獲得每一個(gè)信道的能量值，然后將這些能量值由小到大進(jìn)行排列，超出允許范圍能量值的信道棄用，主動(dòng)掃描對(duì)允許范圍內(nèi)的信道進(jìn)行掃描，從而找到可以組建網(wǎng)絡(luò)的信道；當(dāng)掃描到合適的信道，協(xié)調(diào)器就配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)同時(shí)等待其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，它將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)串口控制3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程應(yīng)用層數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，為數(shù)據(jù)智能管理和科學(xué)決策提供基礎(chǔ)信息庫，用戶可通過訪問信息庫跟蹤、查詢和分析水稻田間環(huán)境信息。
3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)分為終端采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)兩種，ZigBee路由器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路徑發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，Mesh網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)路由器設(shè)備節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與發(fā)送，本系統(tǒng)中的終端采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎琈esh網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)終端采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)。加入網(wǎng)絡(luò)流程如圖4（b）所示。
傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括ZigBee協(xié)議棧的初始化和硬件外設(shè)的初始化[9]；接著執(zhí)行信道掃描來發(fā)現(xiàn)信道中存在的網(wǎng)絡(luò)，并選擇一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備加入，入網(wǎng)前設(shè)備先向協(xié)調(diào)器發(fā)送請(qǐng)求入網(wǎng)，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器允許加入的確認(rèn)后，路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完成讀取終端采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，傳送到協(xié)調(diào)器。
3.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)控制中心
應(yīng)用層上位機(jī)數(shù)據(jù)接收程序運(yùn)行在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，采用C++語言、Windows XP操作系統(tǒng)、Microsoft Visual C++6.0開發(fā)工具和MySQL數(shù)據(jù)庫[10]。該應(yīng)用程序采用C/S結(jié)構(gòu)模型，數(shù)據(jù)訪問采用配置ODBC數(shù)據(jù)源連接數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫之間的交互，用戶可以通過用戶交互界面管理對(duì)上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)分析和歷史查詢，同時(shí)還能進(jìn)行WSN節(jié)點(diǎn)信息管理、用戶信息管理等。上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖5所示。
4 試驗(yàn)與分析
為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了組裝測試，系統(tǒng)安裝了空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、水溫和水位傳感器，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)置為20 min，圖像采集時(shí)間間隔設(shè)置為10 min，測試成功后在實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行一段時(shí)間。然后將系統(tǒng)安裝到實(shí)際試驗(yàn)基地進(jìn)行現(xiàn)場測試，傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由3G無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，為數(shù)據(jù)智能處理和科學(xué)決策提供基礎(chǔ)信息庫。用戶通過操作上位機(jī)監(jiān)控軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測田間環(huán)境狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻生長更精細(xì)的管理，查詢基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（如圖6所示）可了解某地塊農(nóng)作物的歷史生長環(huán)境信息，從而為來年水稻的選種、播種等作出有效判斷。
本文將ZigBee技術(shù)和3G技術(shù)應(yīng)用在水稻生長環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，充分發(fā)揮ZigBee技術(shù)組網(wǎng)速度快、功耗低、成本低和3G業(yè)務(wù)高帶寬、具備多媒體技術(shù)等特點(diǎn)，能夠很好地解決有線傳輸技術(shù)的布線復(fù)雜、成本高、難以維護(hù)等問題，有利于不同區(qū)域地塊的智能化管理。
系統(tǒng)通過現(xiàn)場環(huán)境測試，試驗(yàn)結(jié)果證明，基于WSN的水稻生長環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較為友好的人機(jī)界面，易于維護(hù)和擴(kuò)展，方便地實(shí)現(xiàn)了水稻生長環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控，為進(jìn)一步分析農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)變化趨勢(shì)提供了十分重要的數(shù)據(jù)支持，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化管理具有重要意義。
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