遠程農業環境監測系統設計

孫 冰

（吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林，132022）

遠程農業環境監測系統設計

孫 冰

（吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林，132022）

本文將WSN和GPRS技術有效結合起來設計一種新型遠程農業環境監測系統。系統以S3C2440為核心處理器，融合Zigbee技術和傳感技術完成對農業現場環境信息的采集和無線傳輸；采用GPRS技術實現遠程環境監控。監測平臺采用虛擬儀器設計界面，監測界面簡潔。測試表明：系統運行穩定，具有廣泛的應用前景。

信息采集;Zigbee;S3C2440;GPRS 技術;WSN

0 引言

近年來，隨著科學技術的發展，“精準農業”走入各個農業環境生產現場。但是，由于農田覆蓋面積廣大，環境惡劣且存在不確定性，因此在精準農業生產中獲取農田環境信息是一個關鍵方面，而且實現遠程農業生產控制也是農業生產的一個發展趨勢。有線布線方式由于其線纜成本高、不易布線等缺點被逐步取代；常規的無線通信方式存在功耗高、時延長及錯誤率高等缺點限制了精準農業的發展。隨著新一代技術無線傳感網絡技術的發展，可以解決傳統監測方法的弊端。本文以ARM作為平臺，結合傳感器技術和ZigBee無線通信技術構建無線傳感網絡，通過GPRS網絡將數據信息傳輸到監測中心，實現工作人員對農田環境的遠程實時監測，有助于農業生產的發展。

圖1 系統組成框圖

1 總體結構設計

監測系統由農田檢測部分和無線通信電路兩部分組成。檢測部分由終端傳感器節點、協調器節點和嵌入式網關組成。終端傳感器節點以CC2530為核心，配合傳感器模塊完成環境數據的采集、轉換及數據發送。協調器又稱匯聚節點，主要完成數據的匯聚，負責Zigbee網絡的建立及節點的管理。嵌入式網關集成了GPRS模塊，將來自于協調器的數據通過GPRS網絡上傳到遠程監控中心實現了Zigbee網絡與GPRS網絡、Internet信息間交互。上位機或手持設備通過Internet/GPRS網絡傳送到監測中心完成數據分析、處理等功能，并完成上位機對下位機的控制，實現工作人員對農業現場的遠程實時監測。監測中心采用圖形化語言Labview8.5編寫，界面簡單友好。系統總體框圖如1所示。

2 硬件電路設計

2.1 無線采集電路設計

由ZigBee構成的無線傳感器采集節點是無線傳感網絡的重要組成部分。傳感節點由傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，完成對農田環境信息的采集和發送。在系統中主要完成與植物生長密切相關環境信息的采集，信息采集由各種傳感器完成，因此要求傳感器具備較高的精度及較低的功耗。溫濕度傳感器采用數字式一線制傳感器SHT15，SHT15內部集成14位A/D，采用I2C總線接口傳輸數據，將SCK 和DATA引腳與CC2530 I/O口相連就可以完成溫濕度的檢測。光照傳感器采用歐恩公司生產的On9658，它是一個光電集成傳感器，內置雙敏感元接收器，可見光范圍內高度敏感。土壤濕度傳感器采用簡易式SEN0114，其表面鍍金處理，加強了導電性和抗腐蝕性，將輸出的信號通過AD采集即可測出土壤濕度。

2.2 ZigBee組網電路設計

系統采用美國TI公司生產的CC2530射頻芯片來完成ZigBee組網通信。由于CC2530具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統，運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。系統在組網結構上選取樹狀網狀結構，并且盡可能減小系統功耗。協調器節點是用來建立和控制Zigbee無線網絡，并將采集到的數據通過網關上傳到監控中心分析與管理。設計中協調器與路由器的基本結構一致。采用CC2591作為信號放大器件進一步提高Zigbee網絡覆蓋范圍滿足現場需求。

2.3 嵌入式網關設計

網關由中央控制器和GPRS模塊組成，實現采集數據通過網絡上傳到監測中心和手持設備。中央控制器選用三星公司的S3C2440芯片，該芯片運行速度快可以更好的滿足系統實時控制需求； GPRS模塊選用集成的SIM300模塊，其內置TCP/IP協議，支持AT指令集，GPRS模塊通過串口與中央控制器相連。

3 軟件設計

系統軟件包括兩部分，由農田無線傳感器網絡程序和上位機軟件程序組成。無線傳感網絡軟件程序包括數據采集程序、Zigbee路由節點和協調器節點程序以及嵌入式網關程序。監控中心軟件采用圖形化語言Labview8.5設計，實現人機交互界面簡潔及遠程控制。

3.1 傳感器節點程序設計

傳感器節點的功能是通過各種傳感器進行數據采集和發送。傳感器節點啟動后，尋找是否存在建立好的網絡，若存在，則向Zigbee協調器發送加入請求；否則繼續等待。當獲得協調器允許后，傳感器節點加入網絡開始進行周期性采集，為了降低功耗，每次采集過后，進入睡眠模式；將采集到的數據與自己的網絡地址通過樹形拓撲發送到協調器。

3.2 協調器節點流程

系統中，Zigbee協調器負責啟動并組建網絡，為整個網絡添加合法的采集節點并且實現接收和發送來自采集節點的數據。同時，通過UART與中央控制器相連，實現信息匯聚和用戶命令向下發放。協調器軟件流程如圖2所示。

圖2 協調器節點流程

3.3 嵌入式網關程序設計

嵌入式網關實現Zigbee網絡與GPRS網絡和Internet信息的交互。嵌入式網關是基于ARM嵌入式操作系統下完成，數據接收采用Socket技術編寫，通過監聽服務器端口，將ARM網關傳輸的數據按照自定義的數據幀協議解析后存入數據庫。嵌入式網關流程如圖3所示。

3.4 用戶界面設計

用戶界面采用Labview8.5開發，實現對農田環境信息參數的分析處理，并且完成與下位機的通信與交互。農田環境管理系統包括數據管理和環境信息監測兩大部分。數據管理模塊實現數據的接收、分析、存儲、處理和歷史數據查詢等功能。環境信息監測包括數據實時顯示、參數設置、圖表繪制及發出指令控制下位機等功能，為用戶提供一個簡單的信息瀏覽和數據查詢平臺。

圖3 嵌入式網關流程

4 系統測試

為了測試系統的穩定性和正確性，對設計系統進行測試。在農業種植區每隔100m放置一個傳感器節點， 并用兩節五號電池給Zigbee模塊供電。在監測工作站內，PC機及手持設備通過網關與下位機相連。測試時，通過用戶界面發出指令對農田參數進行檢測，上位機接收、處理顯示檢測到的數據，將測試結果與實際儀器測試值進行比較，結果表明系統測試準確而且通信可靠，系統丟包率和誤碼率幾乎為0。

5 結論

本文以S3C2440微處理器作為控制核心，將由Zigbee技術組成的無線傳感網絡與GPRS技術相結合，借助無線網絡的組建實現了農業工作區的遠程監控，有利于推進農業信息化的發展。該系統穩定性好、監測效率高、覆蓋范圍大，為精準農業生產提供了一種新的貢獻。

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[3] 李雪剛,黃夢醒,朱東海.基于物聯網技術的遠程農田監控系統設計[J].計算機工程,17,2012.

[4] 王福平,馮盼盼.基于GPRS和ZigBee的智能灌溉監控系統的設計[J].江蘇農業科學,12,2014.

[5] 蔡肯,王克強,李名利.遠程農田信息監控綜合網站設計[J].江蘇農業科學,6,2011.

Remote agricultural environment monitoring system design

Sun Bing
(jilin institute of chemical industry, information and control engineering college,jilin,132022)

In this paper,the WSN and GPRS technology effectively combined to design a new type of remote agricultural environment monitoring system.Fusion system based on S3C2440 processor,Zigbee technology and sensor technology to complete the scene environment for agriculture information acquisition and wireless transmission;Use GPRS technology to realize remote environmental monitoring.Monitoring platform using the virtual instrument interface design,monitoring interface is simple. Tests show that the system runs stably and has wide application prospect.

data collection;Zigbee;S3C2440.GPRS technology;WSN

孫冰（1985-）男，吉林吉林市人，碩士研究生，助教，主要研究方向單片機、自動檢測技術及PLC.