基于無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統設計

張釗+李瑋+辛曉平

摘 要： 針對無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統硬件中的射頻模塊、系統感知模塊、能量模塊以及系統處理模塊進行設計與選型，并采用直接序列的擴頻技術，實現短距離的無線監測；在節點初始位置中添加相應的傳感器軟件，使代碼能夠有效整合到系統之中。經過分析不同字節的意義，對數據傳輸協議進行修改，并將寄存器數據值轉換為真實數據值，方便客戶查看。通過實驗驗證該系統的合理性，并得出實驗結論。實驗結果表明，該系統具有監測精確、速度快、時間短等優勢，有利于牧區的生產。

關鍵詞： 無線傳感網絡； 草原氣象； 自動監測； ZigBee技術

中圖分類號： TN915?34； TP393. 07 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0015?03

Abstract： For the automatic monitoring system of grassland weather， the design and model selection are performed for the RF module， system perception module， energy module and system processing module of the system hardware. The spread spectrum technology of direct sequence is used to realize the short?distance wireless monitoring for the modules. The corresponding sensor software is added into the initial position of the node to integrate the code into the system effectively. By analyzing the meaning of different bytes， the data transfer protocol is modified and the register data value is converted into the real data value for customer convenient viewing. The rationality of the system is verified with experiment， and the experimental conclusion is obtained. The experimental results show that the system has the advantages of accurate monitoring， fast monitoring speed and short time， and benefits the production of pasturing area.

Keywords： wireless sensor network； grassland weather； automatic monitoring； ZigBee technology

0 引 言

近幾年，隨著我國經濟的迅速發展，畜牧業的進程不斷加快。為了提高利益，人們對自然環境資源的合理利用越來越重視。尤其草原在人類的生活中占據著重要地位，比如，保持水土、維持生態平衡等，但是更重要的是保護自然環境，隨時關注氣象變化情況，確保生物生存安全，維持草原的可持續發展。

針對傳統自動監測系統存在監測數據不準確、魯棒性差、速度慢等問題，無法達到草原氣象監測的標準，降低了社會的經濟效益，本文提出基于無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統。針對系統硬件中的射頻模塊、系統感知模塊、能量模塊以及系統處理模塊進行設計與選型，并采用直接序列的擴頻技術實現短距離的無線監測。在節點初始位置中添加相應的傳感器軟件，使代碼能夠有效整合到系統之中。經過分析不同字節的意義，對數據傳輸協議進行修改，并將寄存器數據值轉換為真實數據值，方便客戶查看。通過實驗驗證該系統的合理性，并得出實驗結論。實驗結果表明，該系統具有監測精確、速度快、時間短等優勢，有利于牧區的生產。

1 自動監測系統總體結構設計

草原氣象自動監測系統設計采用基于ZigBee技術的無線傳感網絡技術，該技術的應用已經越來越廣泛，其中主要有星型結構與多級樹結構，為了構造良好的監測系統應充分考慮多級樹形的網絡結構，其優點是物理范圍覆蓋面較廣，容納的網絡節點較多，還可延長傳感器節點與各個協調器之間的通信距離，進而提高網絡的攜帶負載能力[1]。該系統的ZigBee網絡樹狀結構是由協調器、節點以及路由器組成的，不同路由器節點與終端節點都攜帶傳感器，而協調器需要通過串口與無線服務設備進行連接，并將收集的信息發送給無線服務設備，實現實時監測的目的。為了降低整個網絡的消耗，需要延長網絡使用壽命，該系統使用定時喚醒模式，按照用戶的需求定時喚醒各個節點發送的信息，剩下的時間該系統處于休眠模式。考慮實際應用功能，設計系統的模擬分布圖，如圖1所示。

1.1 系統硬件設計與選型

針對系統各個模塊硬件進行設計與選型，主要有無線服務硬件選擇和無線傳感器網絡硬件設計與選型。無線傳感網絡系統硬件主要包括射頻模塊、系統感知模塊、能量模塊及系統處理模塊，能量模塊選擇型號為CC2430，射頻模塊支持2.4 GHz的ZigBee協議，該芯片尺寸為6 mm×6 mm，集合了運算、加密、存儲以及無線接收的各種功能[2]，且接口方便、性能比較可靠。該芯片能解決傳統監測功能消耗高、成本花費大等問題，用該芯片具有以下優勢：

（1） CC2430芯片上系統功能模塊集成了CC2420RF型號的收發器，增強了型號為[8051]的微控制單元，大大提高了數據處理速度[3]。endprint

（2） 與傳統系統相比，該系統電流消耗較小。正常工作電流消耗功率小于25 mA，處于休眠時電流消耗為0.8 μA，待機時刻電流消耗[4]小于0.5 μA。

（3） 時延較短。該系統從休眠狀態到工作狀態僅需15 ms，將節點進行初始化并接入到網絡的時間僅僅為30 ms。

（4） 代碼較短。對該系統設計的8位微型控制進行測量與計算，整個系統功能的節點只有32 KB的代碼，而子功能節點至少為4 KB的代碼。

型號為CC2430的高頻率部分需要采用直接序列的擴頻技術，該項技術不僅能夠為軍事訓練天氣監測提供更加安全的保障，還能夠實現短距離的無線監測，并且提高無線監測的可靠性[5]。

1.2 無線模塊軟件部分設計

1.2.1 ZigBee網絡的構建

基于ZigBee技術的無線傳感網絡通信是一種應用非常廣闊的技術，根據不同應用領域，對網絡結構要求也不同，在該系統中添加傳感器。傳感器節點資源是非常有限的，需要設計優化的網絡拓撲結構來提高自動檢測效率，進而提升網絡的可靠性與動態性。

在節點初始位置中添加相應的傳感器軟件，并在程序編譯的過程中，使用make工具進行編譯[6]。用戶需要對目錄中的文件做出修改，使得代碼能夠有效整合到系統之中，具體操作如圖2所示。

不同節點需要先確定好隨機延時的時間，進入等待狀態，如果時間達到，節點就會發送入網請求，隨后監聽網絡是否存在發送間隔包信號，即完成協調器自動監測。由于選擇的數據具有隨機性，進而導致時間延長，發生碰撞，因此需要規定監測的上限。如果節點沒有接收到間隔包[7]發送的信號，那么需要重復第一次申請，等待間隔包響應；如果重復的次數已經達到了假設的上限，節點沒有接收到信號，那么該區域就不會存在網絡；如果達到規定的上限，那么節點就會收到信號，確定網絡已經存在，即完成入網的過程。

1.2.2 數據傳輸協議修改

將ZigBee網絡組建之后，需要對各個節點的數據進行采集并傳送到協調器上，在這期間需要有固定的數據傳輸協議，方便協調器能夠區分節點傳來的方向和物理信息種類[8]。當組建的網絡具有拓撲結構時，網絡中會存在多個協調器，為此需要在數據傳輸的協議中對每一個協調器、終端的節點和傳感器進行設置，首先對原始的數據傳輸格式進行分析。將協調器直接與主機串口連接，通過串口助手，采集未經過處理的數據：[2820350E000100000400010011301D81B15037854，]經過分析不同字節的意義，對數據傳輸協議進行修改，見表1。

1.2.3 節點數據轉換

根據不同傳感器結構，對輸入與輸出的特性與性能進行分析，降低電路板統一設計的難度。串口顯示出的寄存器與主機所表示的變量轉換關系并不相同，因此需要針對不同傳感器特性，將寄存器數據值轉換為真實的數據值，方便客戶查看。

2 實 驗

為了驗證該系統設計的合理性進行了如下實驗。根據對草原溫度和濕度數據的分析，將土壤溫度、水分和空氣的溫度變化情況作為標準，分析草地土壤中的氮磷鉀含量，確定pH值；還要分析牧草生長情況，確定草原氣象合理承載能力的評估。

2.1 實驗數據分析

合理推算草原放牧季節，將系統中物理信息之間的影響關系通過歷史數據和曲線查詢計算出兩者之間的影響關系，進而確定草原不同季節氣象情況。以草原空氣溫度數據為例，分析監測數據結果，見表2。

2.2 實驗結果與分析

按照時間段可對各個區域監測的傳感數據進行查詢，根據草原氣象特征，土壤水分數據、降雨量數據不會有較大變化，但是空氣中的濕度、風速變化較大，因此按照實際需求對數據各個信息的變化特征進行統計，為此設計了三種頻率，按照年、月、日對數據進行監測與分析。由表1可知，草原氣象監測結果顯示出時間范圍內的平均值、最大值與最小值，根據該結果繪制柱狀圖，使數據對比更加明顯，方便用戶讀取。

由圖3可知，該監測系統通過柱狀圖能使用戶直觀地獲取草原氣象空氣濕度情況，進而掌握草原區氣候。

2.3 實驗結論

基于ZigBee無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統能使用戶直觀地獲取草原氣象空氣濕度情況，進而更便捷地掌握草原區的氣候狀況和動態；傳統系統自動監測的土壤水分數據與實際草原土壤水分存在較大的偏差，而基于ZigBee無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統與實際值相比誤差較小，該系統具有監測精確、速度快、時間短等優勢，適合草原氣象的自動監測。

3 結 語

隨著我國國民經濟的不斷增長，畜牧業需求不斷增加，隨著草原地區環境保護意識的提高，草原氣象自動監測逐漸成為科研工作關注的焦點。基于ZigBee無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統涵蓋了硬件設計、軟件設計和無線遠程服務，經過上述實驗內容得出：該系統設計能夠實現對草原氣象的精準監測，魯棒性較強，具有可移植性，在草原生態系統監測和管理中實現數字化監測、遠程傳輸，實現數字草原的發展目標有重要作用。

注：本文通訊作者為辛曉平。

參考文獻

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