基于WSN的農(nóng)業(yè)無線感知系統(tǒng)設(shè)計

陳 智

(蘭州信息科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)的高度融合,是以無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)為驅(qū)動力的新興農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式[1]。智慧農(nóng)業(yè)主要應(yīng)用集中在農(nóng)業(yè)的可視化遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷、災(zāi)變預(yù)警等。通過在現(xiàn)場布置的各種溫度、濕度、光照、風(fēng)速、視覺等傳感器所構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對農(nóng)作物全方位、全時間的遠(yuǎn)程監(jiān)測。同時,利用大數(shù)據(jù)進行人工智能分析,可以直接實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、種植精細(xì)化,還可預(yù)測市場發(fā)展動向,助力種植決策的制定等。

1 WSN應(yīng)用分析

智慧農(nóng)業(yè)首要任務(wù)是解決前端各種農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集問題,通過不同角度、不同層面的數(shù)據(jù)分析,進而實現(xiàn)智能化、精細(xì)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近年來,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)的快速發(fā)展,為智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集提供一種新的思路[2]。WSN可在農(nóng)業(yè)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點,各個節(jié)點之間通過短距離無線通信技術(shù)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),將感知的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給計算機系統(tǒng)進行智能分析與處理,WSN結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點通過電池獨立供電,具備傳感器和路由器的雙重功能。匯聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理中心,負(fù)責(zé)匯總傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),實現(xiàn)傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接,完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。傳感器節(jié)點感知的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點無線傳輸,經(jīng)過多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點,再由匯聚節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給上位機進行分析與處理。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 ZigBee技術(shù)分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量較小,要求無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)成本低、功耗低、簡單可靠,傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)成本太高,藍(lán)牙技術(shù)組網(wǎng)規(guī)模小、成本高、功耗大、距離短,Wi-Fi技術(shù)同樣存在成本高、功耗大、距離短的缺點,因此,IEEE制定了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率低,經(jīng)濟高效,工作于2.4 GHz、915 MHz和868 MHz頻段。ZigBee正是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離無線通信技術(shù),主要具備以下特點:(1)工作頻率為2.4 GHz、915 MHz和868 MHz時,對應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率分別為250 kbps、40 kbps和20 kbps,滿足數(shù)據(jù)傳輸速率低的要求;(2)通過簡化通信協(xié)議和降低通信速率,使通信電路成本進一步降低;(3)不執(zhí)行工作任務(wù)時處于休眠狀態(tài),從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)僅需15 ms,節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)僅需30 ms,響應(yīng)速度極快,功耗極低,兩節(jié)5號電池即可工作長達(dá)2年;(4)網(wǎng)絡(luò)容量大,星形結(jié)構(gòu)可達(dá)255個節(jié)點,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可達(dá)65 000個節(jié)點;(5)節(jié)點間通信距離最高75 m,擴展后可增加至幾千米,還可以與移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等連接[1,3]。因此,對于WSN節(jié)點間的通信而言,不論成本還是功耗,ZigBee技術(shù)都明顯優(yōu)于移動通信、Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

ZigBee作為一種短距離無線通信技術(shù),具有功耗低、成本低、延時短、容量大、可靠性高的優(yōu)點,通信距離也能滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測需求。本設(shè)計采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過在農(nóng)業(yè)監(jiān)測現(xiàn)場布置多種類型的傳感器,如空氣濕度傳感器、空氣溫度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、風(fēng)速傳感器、土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤pH值傳感器等,實現(xiàn)對農(nóng)作物全方位、全時間的遠(yuǎn)程監(jiān)測,并且在遠(yuǎn)程終端顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示,終端節(jié)點(傳感器)負(fù)責(zé)感知農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù),監(jiān)測到環(huán)境參數(shù)變化時喚醒,對采集的數(shù)據(jù)做基本處理,然后通過路由器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點,協(xié)調(diào)節(jié)點接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后做進一步處理,并采用串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)往信息處理中心。當(dāng)終端節(jié)點與協(xié)調(diào)節(jié)點之間不存在數(shù)據(jù)傳輸時,終端節(jié)點處于休眠狀態(tài),以便降低功耗。信息處理中心由串口服務(wù)器和計算機系統(tǒng)組成,負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決策控制等。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計

基于ZigBee的WSN中節(jié)點分為3種類型:協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點。協(xié)調(diào)節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的控制中心,負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置參數(shù)、管理節(jié)點等。路由節(jié)點負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)采集等。終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等,只能加入已建立好的網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種節(jié)點設(shè)備,分別是全功能設(shè)備(Full Function Device,FFD)和精簡功能設(shè)備(Reduced Function Device,RFD),協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點均可采用FFD,而RFD只能實現(xiàn)終端節(jié)點。此外,FFD通信對象既可以是FFD,也可以是RFD,但RFD只能與FFD進行通信[3-4]。

節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示,終端節(jié)點/路由節(jié)點由傳感器、微控制器和ZigBee發(fā)射模塊組成,協(xié)調(diào)節(jié)點由ZigBee接收模塊、微控制器和串口轉(zhuǎn)換電路組成。工作過程:微控制器控制ZigBee發(fā)射模塊將傳感器感知的數(shù)據(jù)傳送至ZigBee接收模塊,然后通過串口轉(zhuǎn)換電路傳送至服務(wù)器和計算機系統(tǒng)進行分析與處理,節(jié)點采用太陽能電池供電。

圖3 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

節(jié)點微控制器采用STM32F103C8T6芯片,它是一款基于 Cortex-M3 內(nèi)核的32位處理器,具有性能高、功耗低的優(yōu)點,用于控制傳感器和ZigBee發(fā)射模塊。ZigBee發(fā)射和接收模塊采用CC2530F256芯片,該芯片是適用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee的片上系統(tǒng),集成了2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器、8051單片機內(nèi)核、256 KB存儲器及多種外設(shè)(如USART、ADC等),不但功能強大,而且能夠滿足2.4 GHz ZigBee頻段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求,串口電平轉(zhuǎn)換電路用MAX3232實現(xiàn)。為了方便進行系統(tǒng)功能測試,本設(shè)計實際測試平臺搭建時,采用的傳感器分別是空氣溫度傳感器和土壤濕度傳感器。空氣溫度傳感器采用型號為DS18B20,測量范圍為-55 ℃～+125 ℃。土壤濕度傳感器采用型號為YL-69,測量范圍為0～100%。系統(tǒng)硬件電路原理如圖4—7所示。

圖4 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)

圖5 ZigBee模塊連接電路

圖6 土壤濕度傳感器模塊連接電路

圖7 空氣溫度傳感器模塊連接電路

5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建軟件設(shè)計

ZigBee組網(wǎng)方式主要有3種,分別為星狀網(wǎng)、樹形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[5]。星狀網(wǎng)采用一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立和網(wǎng)絡(luò)管理,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單,網(wǎng)絡(luò)組建相對容易,星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示,其中黑點為FFD,白點為RFD。

圖8 星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建軟件設(shè)計:首先,初始化硬件和MAC層;其次,終端節(jié)點和路由節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)請求,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到請求后負(fù)責(zé)分配節(jié)點地址,并發(fā)送地址確認(rèn)信息,如果收到地址確認(rèn)信息,則成功加入網(wǎng)絡(luò),同時記錄節(jié)點信息,組建流程如圖9所示。在星狀網(wǎng)中,節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器加入ZigBee網(wǎng)絡(luò),形成父子關(guān)系,也稱主從關(guān)系,父節(jié)點會為加入網(wǎng)絡(luò)的每個子節(jié)點分配一個唯一的16 bit地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由(ZRB)采用基于Cluster-Tree與簡化的按需距離矢量路由(AODVjr)相結(jié)合的路由算法,以便進一步降低成本和功耗[3,6]。

圖9 網(wǎng)絡(luò)組建軟件設(shè)計

圖10 實時數(shù)據(jù)采集記錄

ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建完成后,開始通過傳感器進行農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測,同時將數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點,協(xié)調(diào)節(jié)點通過串口轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器和計算機系統(tǒng)進行分析與處理。

6 系統(tǒng)功能測試

實際測試時,終端節(jié)點采用12 V鋰電池供電,并利用DC電源轉(zhuǎn)換器輸出3～5 V直流電壓,測試距離在50～100 m。為了便于記錄數(shù)據(jù),在終端節(jié)點側(cè)人為干預(yù)溫度和濕度。根據(jù)上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺顯示的實時數(shù)據(jù)采集結(jié)果,可以看出本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境下空氣溫度和土壤濕度的實時監(jiān)控。

7 結(jié)語

智慧農(nóng)業(yè)首要任務(wù)是解決前端各種農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集問題,通過不同角度、不同層面的數(shù)據(jù)分析,進而實現(xiàn)智能化、精細(xì)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本文針對上述問題,提出了一種基于WSN的農(nóng)業(yè)無線感知系統(tǒng)設(shè)計方法,采用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過在農(nóng)業(yè)監(jiān)測現(xiàn)場布置多種功能不同、性能不同的傳感器,實現(xiàn)對農(nóng)作物全方位、全時間的遠(yuǎn)程監(jiān)測。