0 引言

    2010年底，我國人均耕地面積已不足0.1公頃^[1]，農(nóng)田又由于各種原因不便于人員進行直接管理。而北斗和無線傳感網(wǎng)是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的重要載體^[2]。從2003年開始, 中國已經(jīng)開始研發(fā)基于北斗衛(wèi)星的綜合信息服務平臺^[3]，用現(xiàn)代化理念引領(lǐng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)^[4]。目前北斗已具備定位、授時、報文等功能^[5]。因此，在基于北斗導航系統(tǒng)短報文通信和ZigBee網(wǎng)絡的基礎上設計的北斗實時農(nóng)田采集與傳輸系統(tǒng)可以很好地解決以上問題，節(jié)約人力資源的同時，又提高了農(nóng)田生產(chǎn)效率。另外由于北斗單次通信量為78.5 B，本系統(tǒng)采用多種壓縮算法融合實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效無損傳輸。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架設計

    基于北斗和ZigBee的農(nóng)田數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由ZigBee傳感終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)模塊、北斗模塊、嵌入式Linux顯示上位機四部分組成。ZigBee傳感終端節(jié)點采集來自傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee星型網(wǎng)絡傳至ZigBee協(xié)調(diào)模塊，ZigBee協(xié)調(diào)模塊對數(shù)據(jù)進行壓縮打包添加北斗頭協(xié)議后通過北斗模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機實時顯示。圖1是基于北斗和ZigBee的農(nóng)田數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

    其中北斗模塊包含北斗指揮機和北斗用戶機，北斗指揮機與上位機相連，接收來自下屬用戶機傳來的數(shù)據(jù)；用戶機與ZigBee協(xié)調(diào)模塊相連，接收來自ZigBee協(xié)調(diào)模塊傳來的數(shù)據(jù)。用戶機可有多個，分布在跨度較大的農(nóng)田區(qū)塊，方便實現(xiàn)一臺上位機實時采集顯示多塊農(nóng)田數(shù)據(jù)，以追星者CDT-442型用戶機為例，一臺指揮機最多可控制下屬99臺用戶機。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ZigBee傳感終端節(jié)點的硬件設計

    ZigBee終端節(jié)點擔負著與傳感器設備連接、接收傳感器的模擬信號并把其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號和發(fā)射數(shù)據(jù)信號至ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點的任務。為了完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的任務(部分傳感器輸出數(shù)字信號，可直接接入I/O口或UART口)，使用了AD7810芯片，為該芯片接的電壓與CC2530同為3.3 V，VREF也接上3.3 V電壓，則其最大轉(zhuǎn)換電壓也為3.3 V，DOUT腳為完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)輸出口，SCLK腳為輸入時鐘腳，VIN+和VIN-為傳感器接線口，本系統(tǒng)所用傳感器輸出電流一般為4～25 mA，所以傳感器接入時需接上一個150 ?贅左右的電阻。由于一個節(jié)點需接多個傳感器（該節(jié)點只需3個），為了工程易于擴展，預留接口，所以使用了一個74LS151芯片來進行選擇性定時，每15 s輪轉(zhuǎn)選擇一個采集數(shù)據(jù)來源選通。由于本電路只需要3選1，所以接口C拉低，默認高4位輸入不接通,若工程有監(jiān)測種類擴展需要，可作適時更改。需要注意的是AD7810的腳CONVERT為轉(zhuǎn)換啟動輸入信號，配合74LS151的輪轉(zhuǎn)選通功能，可啟動自動低功耗模式開啟間斷休眠來實現(xiàn)節(jié)能。另外CC2530使用16 MHz和32 MHz晶振模式，其中16 MHz晶振除自身使用外還可供給AD7810輸入時鐘使用，32 MHz在自身向協(xié)調(diào)器發(fā)射RF信號時使用。圖2為ZigBee傳感終端節(jié)點的硬件設計圖。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)模塊的硬件設計

    ZigBee協(xié)調(diào)模塊是ZigBee中的協(xié)調(diào)節(jié)點，除了擔負著組建網(wǎng)絡、允許其他節(jié)點加入與退出、分配ID等基本任務外，還要將接收到的數(shù)據(jù)進行預處理后打包壓縮，添加北斗頭協(xié)議后發(fā)送到北斗模塊。由于北斗通信的最小通信間隔為1 min，單次發(fā)送數(shù)據(jù)量相對也不大，所以CC2531芯片完全可以滿足要求，不必采用其他處理芯片。其硬件框圖如圖3所示。

2.3 嵌入式Linux顯示上位機的硬件設計

    上位機由UART串口連接至北斗指揮機，上位機芯片采用三星公司的S3C2440，附帶7英寸觸摸屏。

3 系統(tǒng)軟件設計

    整個系統(tǒng)的軟件由ZigBee傳感終端節(jié)點的軟件、ZigBee協(xié)調(diào)模塊的軟件和嵌入式Linux顯示上位機的軟件三部分組成。ZigBee相關(guān)模塊需植入TI公司的Z-STACK協(xié)議，PHY層、MAC層、應用層等相關(guān)層程序需修改重寫，以實現(xiàn)硬件支持與功能實現(xiàn)。另外，由于北斗短報文通信的傳輸量有限，所以要在ZigBee協(xié)調(diào)模塊和嵌入式顯示上位機分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮與解壓?？紤]到采集到的1幀數(shù)據(jù)的重復性較大，這里用到了BWT算法、改進型RLE算法和靜態(tài)Huffman算法相結(jié)合對數(shù)據(jù)進行壓縮。

3.1 相關(guān)壓縮算法

    傳輸數(shù)據(jù)的壓縮流程如圖4所示，具體流程為：

    (1)將經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理的一幀數(shù)據(jù)T在末端插入#，并進行每次移位1次的循環(huán)右移，得到一個矩陣T^#，再按T^#矩陣每行的首字母字典排序得到M矩陣。在這里可以定義M矩陣的第一列為F，最后一列為L。則L為經(jīng)過BWT變換的字符串。最后這里需要建立一個L-M Mapping（LF）的輔助公式如下：

    這里D[L[i]]指的是D代表的字符出現(xiàn)在L列最后出現(xiàn)的位置i，Di指的是D代表的字符在L[1，i]中出現(xiàn)的次數(shù)。

    (2)上述的字符串經(jīng)過BWT變換后，重復數(shù)據(jù)會聚集再一起，將上述字符串再通過改進型RLE編碼壓縮，由于采集的一幀數(shù)據(jù)有限，字符重復個數(shù)不可能超過0xFF，所以單個重復數(shù)據(jù)編碼為2個字符，高字節(jié)不采用傳統(tǒng)的2個字符，而只采用1個字符，連續(xù)不重復字符共用一個高字節(jié)C1。

    (3)根據(jù)自設的靜態(tài)Huffman編碼對數(shù)據(jù)進行變長編碼。最后，整理數(shù)據(jù)并添加北斗協(xié)議，通過北斗用戶機短報文通信將數(shù)據(jù)發(fā)出去。傳輸數(shù)據(jù)的壓縮流程圖如圖4所示。

    傳輸數(shù)據(jù)的解壓過程為：

    (1)將接收數(shù)據(jù)去掉北斗頭協(xié)議后，根據(jù)對應的Huffman碼表通過Huffman解碼將數(shù)據(jù)解碼出來。

    (2)根據(jù)RLE編碼的原理，去掉數(shù)據(jù)中的高字節(jié)C1，根據(jù)C1數(shù)值的大小，逐個恢復出各個重復數(shù)據(jù)，直至恢復出來原始數(shù)據(jù)串的長度，恢復出來的數(shù)據(jù)串即是上述壓縮流程中的L。

    (3)目標是通過BWT反變換恢復出原數(shù)據(jù)T，恢復T的算法為：

其中s=u-1，…，1。這里u為T加#后的長度，T[s]為L[i](即L中的第i個字符)在T中的位置s，需恢復所有T[s]，而T即為最終的原始數(shù)據(jù)串。

3.2 ZigBee傳感終端節(jié)點的軟件設計

    終端傳感節(jié)點的主要任務是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡連接等。傳感數(shù)據(jù)的發(fā)送采用周期性的數(shù)據(jù)發(fā)送，各節(jié)點采集周期都略小于1 min。并采用循環(huán)掃描的方式讀取每一個節(jié)點的每個傳感器信息。需要注意的是由于是周期性地采集數(shù)據(jù)，軟件上可以實現(xiàn)間歇性使ZigBee傳感節(jié)點處于休眠狀態(tài)，減小功耗。

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)模塊的軟件設計

    ZigBee協(xié)調(diào)模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，其作為整個星型組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，擔負著網(wǎng)絡建立與網(wǎng)絡管理以及數(shù)據(jù)處理的作用。首先進行系統(tǒng)初始化，包括對協(xié)議棧的物理層、MAC層和I/O端、串口等進行初始化，接著協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡并等待節(jié)點加入。當收到節(jié)點加入請求后，對節(jié)點進行網(wǎng)絡登記。接著判斷是否收到數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后即可對數(shù)據(jù)進行壓縮、添加北斗通信協(xié)議處理，最后通過北斗用戶機發(fā)送出去。整個軟件的實現(xiàn)流程如圖5所示。

3.4 嵌入式Linux顯示上位機的軟件設計

    嵌入式顯示上位機是本系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)顯示模塊，其功能主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解壓縮去頭協(xié)議后恢復數(shù)據(jù)并實時顯示與數(shù)據(jù)儲存和查詢。為了便于攜帶性和實現(xiàn)更好的人機交互，顯控終端使用ARM處理器，所用芯片型號為S3C2440，運行嵌入式Linux系統(tǒng)，軟件界面采用QT4.85開發(fā)。為了方便歷史數(shù)據(jù)的查詢，應用程序使用mysql數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫與QWT相結(jié)合，支持對數(shù)據(jù)進行圖表查詢。上位機查詢界面如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

    為了驗證數(shù)據(jù)的傳輸性能，人為對傳感器進行了溫度、濕度、風力等參數(shù)進行了的變化，上位機在延時約1 min左右以后可以靈敏地反應出變化。

    另外，為了對本系統(tǒng)的北斗傳輸數(shù)據(jù)壓縮效率進行驗證，進行了多次驗證實驗，隨機挑選了幾組典型數(shù)據(jù)驗證實驗結(jié)果，如表1所示。從實驗結(jié)果上來看，算法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效無損壓縮，數(shù)據(jù)量都壓縮到了78.5 B以下，可以實現(xiàn)北斗模塊一次一幀發(fā)送，顯著提高發(fā)送效率。

參考文獻

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