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，實現水稻田間多參數的實時與遠程監(jiān)控,。該系統(tǒng)將傳感器節(jié)點采集到的數據通過ZigBee無線網絡發(fā)送到網關節(jié)點,，通過3G技術建立協調器網關節(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網絡和MySQL數據庫,。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,，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量具有重要意義,。

　　隨著我國農業(yè)由傳統(tǒng)向精準農業(yè)的轉變，信息技術在農業(yè)生產領域得到廣泛應用,?；赯igBee的WSN技術[1]，是一種近距離,、低成本,、低功耗、低復雜度,、低數據傳輸速率的雙向無線網絡傳輸技術,，該技術滿足農田信息數據傳輸要求，是大面積水稻田間環(huán)境采集信息傳輸的最佳選擇,。近年來,，3G網絡技術[2]在中國的應用己逐漸成熟，3G網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)點體現在網絡數據的傳輸速率明顯提升,、帶寬的明顯增大,、數據傳輸更加安全可靠、能夠實現無網段間的通信,。3G網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網絡進行大量數據監(jiān)測和數據處理，并可通過攝像頭進行隨時的視頻監(jiān)測,。因此,，將3G技術應用于農業(yè)生產領域，為實現農田管理的信息化,、智能化起到重大的加速作用,，能給精準農業(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絡技術等，基本實現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）和協調器網關節(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,，用于采集稻田現場數據,，數據經過路由節(jié)點，以多跳的方式,，通過ZigBee無線傳感技術傳至網關節(jié)點,。通信鏈路層實現ZigBee近距離、低功耗無線傳感網絡,、3G遠程無線通信網絡以及因特網之間的互連,。應用層包括連接了3G網絡的數據庫、PC用戶和PDA用戶,，用戶可以通過登錄服務中心系統(tǒng)實現農田信息的實時監(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，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，傳感器器件參數如表1所示,。

　　2.2 協調器網關節(jié)點

　　考慮到協調器網關節(jié)點需要處理大量數據,，并實現與上位機間的無線數據交互，因此協調器網關要求具有較強的數據處理能力和較快運行速度,。本系統(tǒng)協調器網關選用基于ARM 920T內核的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,。

　　數據從協調器網關到應用層數據庫的遠程傳輸通過3G模塊來實現。目前我國存在3種不同的3G標準：WCDMA,、CDMA2000,、TD-SCDMA,，分別為聯通、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的型號為ZWW-36A的3G DTU模塊,。該3G DTU是采用WCDMA網絡標準的無線數據傳輸模塊，具有提供可靠,、便捷,、透明數據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,、高速的網絡數據傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 協調器組網流程

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

　　首先節(jié)點上電,，網絡進行初始化操作,；接著協調器執(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的信道進行掃描,，從而找到可以組建網絡的信道；當掃描到合適的信道,，協調器就配置網絡參數,，并設置網絡的PAN ID，運行網絡同時等待其他節(jié)點設備加入網絡,；當傳感器節(jié)點加入網絡,，它將采集到的數據發(fā)送到協調器網關節(jié)點，之后協調器節(jié)點串口控制3G網絡將數據轉發(fā)至遠程應用層數據監(jiān)控中心,，為數據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路由器主要負責網絡路徑發(fā)現和路由維護,，Mesh網絡中可以有多個路由器設備節(jié)點。ZigBee終端采集節(jié)點負責數據的實時采集與發(fā)送,，本系統(tǒng)中的終端采集節(jié)點主要負責數據采集和數據傳輸的工作,，Mesh網絡中可以有多個終端采集設備節(jié)點。加入網絡流程如圖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)現信道中存在的網絡,，并選擇一個合適的網絡準備加入，入網前設備先向協調器發(fā)送請求入網,，當收到協調器允許加入的確認后,，路由器節(jié)點和終端設備節(jié)點加入網絡，網絡組建完成讀取終端采集節(jié)點數據,，傳送到協調器,。

　　3.3 上位機數據控制中心

　　應用層上位機數據接收程序運行在遠程數據中心的MySQL數據庫服務器上，采用C++語言,、Windows XP操作系統(tǒng),、Microsoft Visual C++6.0開發(fā)工具和MySQL數據庫[10]。該應用程序采用C/S結構模型,，數據訪問采用配置ODBC數據源連接數據庫,，實現應用程序與數據庫之間的交互，用戶可以通過用戶交互界面管理對上傳的數據信息進行實時監(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,，數據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場測試,，傳感器終端節(jié)點采集現場環(huán)境數據以多跳的方式傳送至協調器網關節(jié)點，再由3G無線通信網絡上傳至數據庫服務器，為數據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),，實現對水稻生長更精細的管理,，查詢基礎數據庫（如圖6所示）可了解某地塊農作物的歷史生長環(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，方便地實現了水稻生長環(huán)境參數的實時遠程傳輸與監(jiān)控,，為進一步分析農業(yè)環(huán)境參數變化趨勢提供了十分重要的數據支持,，對指導農業(yè)精準化管理具有重要意義。

參考文獻

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