摘  要： 基于WSN 的水稻生長環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)，以ARM9為核心，結合ZigBee技術和3G技術，實現(xiàn)水稻田間多參數(shù)的實時與遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，通過3G技術建立協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點與遠程監(jiān)控中心的無線連接，監(jiān)控中心PC連接了3G網(wǎng)絡和MySQL數(shù)據(jù)庫。用戶可通過遠程PC實時監(jiān)測、查詢水稻生長環(huán)境信息，從而提高水稻生產(chǎn)自動化管理水平。

　　關鍵詞： WSN；3G；ARM9；水稻生長環(huán)境；遠程監(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)量對于維護國家穩(wěn)定、社會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)境是保證水稻的質量和產(chǎn)量的重要前提，搭建水稻生長環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實時準確地監(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、日光照強度等，對提高水稻質量和產(chǎn)量具有重要意義。

　　隨著我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)向精準農(nóng)業(yè)的轉變，信息技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域得到廣泛應用?；赯igBee的WSN技術[1]，是一種近距離、低成本、低功耗、低復雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向無線網(wǎng)絡傳輸技術，該技術滿足農(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)絡技術[2]在中國的應用己逐漸成熟，3G網(wǎng)絡技術作為一種先進的無線通信技術，比第一代通信技術、第二代GSM和GPRS技術有著明顯的技術優(yōu)勢。其主要優(yōu)點體現(xiàn)在網(wǎng)絡數(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、能夠實現(xiàn)無網(wǎng)段間的通信。3G網(wǎng)絡提供的高帶寬和多媒體技術優(yōu)勢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)絡進行大量數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理，并可通過攝像頭進行隨時的視頻監(jiān)測。因此，將3G技術應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，為實現(xiàn)農(nóng)田管理的信息化、智能化起到重大的加速作用，能給精準農(nóng)業(yè)[3]的發(fā)展帶來巨大的影響。

1 系統(tǒng)總體設計方案

　　為了實現(xiàn)對水稻生長環(huán)境信息的遠程監(jiān)測和智能管理，系統(tǒng)采用了無線傳感技術、移動通信技術和計算機網(wǎng)絡技術等，基本實現(xiàn)了信息的多點自動采集、無線傳輸、遠程監(jiān)測及智能管理等功能。系統(tǒng)主要包括信息感知層、通信鏈路層和應用層3部分。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

　　其中信息感知層由傳感器節(jié)點（包括終端采集節(jié)點、路由節(jié)點）和協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點組成[4]。傳感器節(jié)點連接溫濕度傳感器、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，以多跳的方式，通過ZigBee無線傳感技術傳至網(wǎng)關節(jié)點。通信鏈路層實現(xiàn)ZigBee近距離、低功耗無線傳感網(wǎng)絡、3G遠程無線通信網(wǎng)絡以及因特網(wǎng)之間的互連。應用層包括連接了3G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫、PC用戶和PDA用戶，用戶可以通過登錄服務中心系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)田信息的實時監(jiān)測。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 傳感器節(jié)點

　　傳感器節(jié)點分為終端采集節(jié)點和路由節(jié)點兩部分，兩種節(jié)點的硬件組成相同。本文傳感器節(jié)點采用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芯片是一個適合于IEEE 802.15.4應用的低成本、低功耗的無線微控制器，芯片上集成了一個32 bit的RISC處理器、一個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)外設資源等。傳感器節(jié)點示意框圖如圖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)調器網(wǎng)關節(jié)點

　　考慮到協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點需要處理大量數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與上位機間的無線數(shù)據(jù)交互，因此協(xié)調器網(wǎng)關要求具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和較快運行速度。本系統(tǒng)協(xié)調器網(wǎng)關選用基于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)調器網(wǎng)關到應用層數(shù)據(jù)庫的遠程傳輸通過3G模塊來實現(xiàn)。目前我國存在3種不同的3G標準：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，分別為聯(lián)通、電信和移動三大電信運營商運營標準[7]。本文采用了廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的型號為ZWW-36A的3G DTU模塊。該3G DTU是采用WCDMA網(wǎng)絡標準的無線數(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。ZWW-36A中WCDMA模塊的3G網(wǎng)絡具有能達到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行大量、高速的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 協(xié)調器組網(wǎng)流程

　　ZigBee無線網(wǎng)絡有[8]星形（Star）、樹形（Cluster Tree）和網(wǎng)狀（Mesh）3種組網(wǎng)方式，本系統(tǒng)實現(xiàn)的是無線Mesh網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡中ZigBee節(jié)點分為協(xié)調器、路由器和終端設備3種，ZigBee協(xié)調器管理整個網(wǎng)絡，主要負責子節(jié)點的管理和實現(xiàn)與3G遠程網(wǎng)絡的通信，一個ZigBee無線網(wǎng)絡只能有一個協(xié)調器。感知層節(jié)點組網(wǎng)流程如圖4（a）所示。

　　首先節(jié)點上電，網(wǎng)絡進行初始化操作；接著協(xié)調器執(zhí)行信道掃描，包括能量掃描與主動掃描兩個過程，能量掃描會獲得每一個信道的能量值，然后將這些能量值由小到大進行排列，超出允許范圍能量值的信道棄用，主動掃描對允許范圍內(nèi)的信道進行掃描，從而找到可以組建網(wǎng)絡的信道；當掃描到合適的信道，協(xié)調器就配置網(wǎng)絡參數(shù)，并設置網(wǎng)絡的PAN ID，運行網(wǎng)絡同時等待其他節(jié)點設備加入網(wǎng)絡；當傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡，它將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點，之后協(xié)調器節(jié)點串口控制3G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)轉發(fā)至遠程應用層數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，為數(shù)據(jù)智能管理和科學決策提供基礎信息庫，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)點程序設計

　　傳感器節(jié)點分為終端采集節(jié)點和路由節(jié)點兩種，ZigBee路由器主要負責網(wǎng)絡路徑發(fā)現(xiàn)和路由維護，Mesh網(wǎng)絡中可以有多個路由器設備節(jié)點。ZigBee終端采集節(jié)點負責數(shù)據(jù)的實時采集與發(fā)送，本系統(tǒng)中的終端采集節(jié)點主要負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎琈esh網(wǎng)絡中可以有多個終端采集設備節(jié)點。加入網(wǎng)絡流程如圖4（b）所示。

　　傳感器節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，包括ZigBee協(xié)議棧的初始化和硬件外設的初始化[9]；接著執(zhí)行信道掃描來發(fā)現(xiàn)信道中存在的網(wǎng)絡，并選擇一個合適的網(wǎng)絡準備加入，入網(wǎng)前設備先向協(xié)調器發(fā)送請求入網(wǎng)，當收到協(xié)調器允許加入的確認后，路由器節(jié)點和終端設備節(jié)點加入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡組建完成讀取終端采集節(jié)點數(shù)據(jù)，傳送到協(xié)調器。

　　3.3 上位機數(shù)據(jù)控制中心

　　應用層上位機數(shù)據(jù)接收程序運行在遠程數(shù)據(jù)中心的MySQL數(shù)據(jù)庫服務器上，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]。該應用程序采用C/S結構模型，數(shù)據(jù)訪問采用配置ODBC數(shù)據(jù)源連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)應用程序與數(shù)據(jù)庫之間的交互，用戶可以通過用戶交互界面管理對上傳的數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)測、動態(tài)分析和歷史查詢，同時還能進行WSN節(jié)點信息管理、用戶信息管理等。上位機監(jiān)測系統(tǒng)功能設計如圖5所示。

4 試驗與分析

　　為了檢驗系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，首先在實驗室進行了組裝測試，系統(tǒng)安裝了空氣溫濕度、光照強度、水溫和水位傳感器，數(shù)據(jù)采集時間間隔設置為20 min，圖像采集時間間隔設置為10 min，測試成功后在實驗室正常運行一段時間。然后將系統(tǒng)安裝到實際試驗基地進行現(xiàn)場測試，傳感器終端節(jié)點采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送至協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點，再由3G無線通信網(wǎng)絡上傳至數(shù)據(jù)庫服務器，為數(shù)據(jù)智能處理和科學決策提供基礎信息庫。用戶通過操作上位機監(jiān)控軟件可實時監(jiān)測田間環(huán)境狀態(tài)，實現(xiàn)對水稻生長更精細的管理，查詢基礎數(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技術和3G技術應用在水稻生長環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，充分發(fā)揮ZigBee技術組網(wǎng)速度快、功耗低、成本低和3G業(yè)務高帶寬、具備多媒體技術等特點，能夠很好地解決有線傳輸技術的布線復雜、成本高、難以維護等問題，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，試驗結果證明，基于WSN的水稻生長環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較為友好的人機界面，易于維護和擴展，方便地實現(xiàn)了水稻生長環(huán)境參數(shù)的實時遠程傳輸與監(jiān)控，為進一步分析農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)變化趨勢提供了十分重要的數(shù)據(jù)支持，對指導農(nóng)業(yè)精準化管理具有重要意義。

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