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(jié)合ZigBee技術(shù)和3G技術(shù)，實現(xiàn)水稻田間多參數(shù)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(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點,，通過3G技術(shù)建立協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)和MySQL數(shù)據(jù)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(chǎn)自動化管理水平,。

　　關(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量和產(chǎn)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(zhǔn)確地監(jiān)測水稻田環(huán)境參數(shù),，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(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義,。

　　隨著我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變,，信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?；赯igBee的WSN技術(shù)[1],，是一種近距離、低成本,、低功耗,、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),，該技術(shù)滿足農(nóng)田信息數(shù)據(jù)傳輸要求,，是大面積水稻田間環(huán)境采集信息傳輸?shù)淖罴堰x擇。近年來,，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]在中國的應(yīng)用己逐漸成熟,，3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種先進的無線通信技術(shù)，比第一代通信技術(shù),、第二代GSM和GPRS技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢,。其主要優(yōu)點體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率明顯提升、帶寬的明顯增大,、數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠,、能夠?qū)崿F(xiàn)無網(wǎng)段間的通信。3G網(wǎng)絡(luò)提供的高帶寬和多媒體技術(shù)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(wǎng)絡(luò)進行大量數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)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(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,，為實現(xiàn)農(nóng)田管理的信息化、智能化起到重大的加速作用,，能給精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[3]的發(fā)展帶來巨大的影響,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　為了實現(xiàn)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(shù),、移動通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,，基本實現(xiàn)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(yīng)用層3部分。系統(tǒng)總體架構(gòu)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(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)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(xiàn)場數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)經(jīng)過路由節(jié)點,，以多跳的方式，通過ZigBee無線傳感技術(shù)傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點,。通信鏈路層實現(xiàn)ZigBee近距離,、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)、3G遠程無線通信網(wǎng)絡(luò)以及因特網(wǎng)之間的互連,。應(yīng)用層包括連接了3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫,、PC用戶和PDA用戶，用戶可以通過登錄服務(wù)中心系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)田信息的實時監(jiān)測,。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(yīng)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(shù)外設(shè)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(shù)，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(shù)如表1所示,。

　　2.2 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點

　　考慮到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點需要處理大量數(shù)據(jù),，并實現(xiàn)與上位機間的無線數(shù)據(jù)交互，因此協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)要求具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和較快運行速度,。本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)選用基于ARM 920T內(nèi)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(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)到應(yīng)用層數(shù)據(jù)庫的遠程傳輸通過3G模塊來實現(xiàn),。目前我國存在3種不同的3G標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA,、CDMA2000、TD-SCDMA,，分別為聯(lián)通,、電信和移動三大電信運營商運營標(biāo)準(zhǔn)[7]。本文采用了廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的型號為ZWW-36A的3G DTU模塊,。該3G DTU是采用WCDMA網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,，具有提供可靠、便捷,、透明數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程

　　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有[8]星形（Star）、樹形（Cluster Tree）和網(wǎng)狀（Mesh）3種組網(wǎng)方式,，本系統(tǒng)實現(xiàn)的是無線Mesh網(wǎng)絡(luò),。該網(wǎng)絡(luò)中ZigBee節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3種,，ZigBee協(xié)調(diào)器管理整個網(wǎng)絡(luò),，主要負責(zé)子節(jié)點的管理和實現(xiàn)與3G遠程網(wǎng)絡(luò)的通信，一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)器,。感知層節(jié)點組網(wǎng)流程如圖4（a）所示,。

　　首先節(jié)點上電，網(wǎng)絡(luò)進行初始化操作,；接著協(xié)調(diào)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(nèi)的信道進行掃描,，從而找到可以組建網(wǎng)絡(luò)的信道,；當(dāng)掃描到合適的信道，協(xié)調(diào)器就配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù),，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID,，運行網(wǎng)絡(luò)同時等待其他節(jié)點設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),，它將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點,，之后協(xié)調(diào)器節(jié)點串口控制3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至遠程應(yīng)用層數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，為數(shù)據(jù)智能管理和科學(xué)決策提供基礎(chǔ)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(shè)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(zé)網(wǎng)絡(luò)路徑發(fā)現(xiàn)和路由維護,，Mesh網(wǎng)絡(luò)中可以有多個路由器設(shè)備節(jié)點,。ZigBee終端采集節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)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(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，Mesh網(wǎng)絡(luò)中可以有多個終端采集設(shè)備節(jié)點,。加入網(wǎng)絡(luò)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(xié)議棧的初始化和硬件外設(shè)的初始化[9]；接著執(zhí)行信道掃描來發(fā)現(xiàn)信道中存在的網(wǎng)絡(luò),，并選擇一個合適的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備加入,，入網(wǎng)前設(shè)備先向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求入網(wǎng)，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器允許加入的確認(rèn)后,，路由器節(jié)點和終端設(shè)備節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),，網(wǎng)絡(luò)組建完成讀取終端采集節(jié)點數(shù)據(jù)，傳送到協(xié)調(diào)器,。

　　3.3 上位機數(shù)據(jù)控制中心

　　應(yīng)用層上位機數(shù)據(jù)接收程序運行在遠程數(shù)據(jù)中心的MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(shù)據(jù)庫[10],。該應(yīng)用程序采用C/S結(jié)構(gòu)模型，數(shù)據(jù)訪問采用配置ODBC數(shù)據(jù)源連接數(shù)據(jù)庫,，實現(xiàn)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)置為20 min,，圖像采集時間間隔設(shè)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(xiàn)場測試,，傳感器終端節(jié)點采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點,，再由3G無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，為數(shù)據(jù)智能處理和科學(xué)決策提供基礎(chǔ)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(xiàn)對水稻生長更精細的管理，查詢基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（如圖6所示）可了解某地塊農(nóng)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(shù)和3G技術(shù)應(yīng)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(shù)組網(wǎng)速度快,、功耗低、成本低和3G業(yè)務(wù)高帶寬,、具備多媒體技術(shù)等特點,，能夠很好地解決有線傳輸技術(shù)的布線復(fù)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(xiàn)場環(huán)境測試,，試驗結(jié)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(xiàn)了水稻生長環(huán)境參數(shù)的實時遠程傳輸與監(jiān)控，為進一步分析農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)變化趨勢提供了十分重要的數(shù)據(jù)支持,，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化管理具有重要意義,。

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