农业育苗远程检测系统

摘要本文开发的无线传感器网络系统主要是精密农业方面的应用，其中的气候学和其它环境特性的实时数据被感测和控制是基于无线传感技术来实现的。无线传感器网络系统的结构包括一组相互连通，并收集本地的信息做出关于物理环境监测反应的传感器节点和一个基站组成。传感器网络是基于IEEE802.15.4协议标准和两种拓扑结构[1]。无线传感器网络技术可以实现在农业中实时监控各种农作物生物指标参数。由于雨水不均对农作物产生影响，农民很难实时的监测农作物的生长。无线传感技术可以监测和控制农作物生长和按作物的需求的控制农作物需要水量的分布。在不同的天气条件下，土壤结构和农作物品种没有理想的灌溉方式。农民因为天气和不正确的灌溉方法会造成一定经济损失。在这种情况下，无线传感技术的发展，就可以实现对农作物生长的各项参数远程监视，如温度和湿度。本设计中，应用ZigBee技术，通过分组无线业务（GPRS）或全球系统连接到中央监测站（CMS）的移动的中央节点的无线传感器网络系统（GSM）技术。该系统还获得与所述字段的全球定位系统（GPS）的参数，并将它们发送给中央监控站。该系统在农民评估土壤条件和在不同天气条件下采取相应预防措施有很大帮助[2]。1、简介目前，生产和生活的许多方面都需要获取周围环境的温度和湿度数据。在过去，获取的方法是利用温度和湿度传感器获取温湿度信息，并通过RS-485总线或现场总线再次发送数据到监控中心，所以需要铺设大量的电缆来收集温度和湿度信息。传统农业主要使用单独的机械设备，主要依靠人来监控作物生长状况。然而，如果使用ZigBee无线传感器网络技术，农业将逐步转移到信息和生产的软件为中心模式，和使用更自动化，网络，智能和远程控制设备来耕作。传感器可以收集的信息，如土壤水分，氮浓度，pH值，降水，温度，空气湿度，空气压力等。上述的信息和所收集的信息的位置被传递到中央控制设备用于通过ZigBee网络的决策和参考，所以我们可以早期和准确地识别用于帮助维持和提高作物产量的问题。在许多面向数据的无线网络传输，低成本和复杂性的无线网络被广泛应用。在土壤环境监测领域，实时监测温度和土壤湿度可以正确引导农产品生产，提高农作物产量。它也可以用于高精密的监测提供科学依据和计算农田旱涝区。传统的有线通信存在许多问题它在土壤环境监测领域具有广阔的应用前景[3]。物联网推动了了互联网时代进程，无线传感器网络成为网络的核心。为了实现对物联网的技术要求更大的事，我们采用基于Zigbee，GPRS和WebServices技术设计一套低成本，低功耗的由于互联网的功能要求无线传感器网络的技术土壤的东西和温度湿度监控系统，本文采用的总体结构如图1所示。图1系统结构图该系统由无线传感器网络节点和网络管理平台。ZigBee节点分别发送取得的温度和湿度数据到网关节点紫蜂站[4]。自动联网通过多跳路由消耗，土壤的灵活自动组网温湿度监控系统实现。而该系统是一套完整的无线传感器网络感应，采集，存储，应用程序，报告，解决方案，具有良好的计算机MAN-交换接口。用户不必进入农田，在世界上任意一个角落，可能会促使了解农田土壤温度和湿度的变化情况，科学指导农业生产[5]。收集实时字段信息，快速和连续地是智能农业中的重要基础，但考虑线缆监控系统和局限性农业的功能，包括区域分散，各种物体，落后通信不确定环境因素和明显的影响环境，我们不能及时有效地监测作物的生长环境，比如照明。这将导致作物得到灌溉不合理和补充肥料，这将降低作物产量，甚至杀死作物。考虑监测领域的情况下，我们使用ZigBee模块，GPRS模块和计算机控制的综合，提出了一种远程监控方案，它可以监视和管理领域中的参数，并满足在边远地区的信息管理的需要。2、系统结构2.1系统设计理念基于ZigBee的无线技术中，温度和湿度传感器网络是由三部分组成：发射机，接收机和显示系统。发射机是由多个终端节点的构成;每个节点包括一个温度和湿度的传感器和ZigBee无线RF模块的[6]。温室温度和湿度传感器收集相应的温度和湿度数据，然后温度和湿度的数据被发送到ZigBee无线射频模块的信息。温度和湿度数据的校正是通过嵌入在ZigBee无线射频（RF）模块芯片处理，并修改了数据将通过ZigBee无线网络被发送到接收器。接收器是由一个ZigBee射频模块和RS232串口模块。接收器模块是网络协调建立网络的星形结构，每个节点的数据通过ZigBee网络接收和通过RS232发送到显示系统[7]。这是系统的节点温度和湿度的收集和传递过程。图2总体系统仿真方案3、无线传感器网络的设计3.1系统硬件设计CC2530满足低成本和基于ZigBee的2.4GHzISM频段的低功率要求。它包括一个高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器芯和8051控制器。ZigBee的射频前端，存储器和微控制器被集成在单一芯片上。它具有128KB可编程闪存和8KBRAM，包括ADC，定时器，32kHz晶振休眠模式定时器，上电复位电路，掉电监测电路和20个可编程I/O引脚，使节点小型化[8]。CC2530的无线单芯片的特点是非常低的功耗，只有0.2μA待机电流消耗。在32kHz晶振时钟的运行，消耗电流小于1μA。温度和湿度传感器SHT11集成了多种电路集成到一个芯片上，如温度和湿度的检测，信号放大调理，A/D转换和数字通信接口。湿度测量范围为0〜100％RH，温度测量范围为-40℃〜+123.8℃，湿度测量精度为±3.0％RH，温度测量精度为±0.4℃，响应时间小于4秒。对于数字接口，SHT11提供两线数字串行接口SCK和数据;SCK是用于微处理器以实现同步通信使用的串行时钟线。数据作为串行数据线，并使得微处理器之间的数据传输。该芯片接口简单，善于传输可靠性高，而且测量精度可通过编程进行调整。在测量和通信后，低功耗模式被自动传送[9]。3.1.1发射节点的硬件设计发射节点是数字温湿度传感器SHT11模块，CC2530处理器模块，天线模块，电源模块组成的网络的基本单元。它负责获取的温度和湿度的数据和数据的预处理，并且它们将被发送到的ZigBee接收端。温度和湿度传感器模块是负责收集和检测区的温度和湿度的数据。处理器模块使得所收集的数据信号的模数转换，经处理的数据由天线发出[10]。功率模块主要为处理器供电。发送硬件框架示于图3。图3发送硬件框架图3.1.2接收节点的硬件设计接收机节点是由一电源模块，密钥模块，串行模块，LCD模块，LED灯，一个CC2530处理器模块和天线模块。无线温湿度传感器网络是不是一个独立的通信网络，其中需要监测的温度和湿度数据发送给主计算机，并显示它们。LED指示灯，用于显示所述接收节点的网络状态信息（例如网络LCD模块是用户和传感器网络，以显示功能菜单的一个接口，并在用户选择他们[11]。数字温湿度传感器SHT11;[2]电力;[3]按按钮CC2530。是否被成功建立）;3.1.3ZigBee无线收发器CC2530是一个数据接收模式。当接收数据时，RF接收信号由低噪声放大器放大它们翻倒入混频器之前。通过混合频率，IF（中频）信号产生。在IF处理阶段，信号送入解调器被放大并过滤之前，解调的数据被放入移位寄存器，然后进入RDBUF。在RDBUF的温度和湿度的数据由微控制器除去后，它们将被放入数据缓冲寄存器的UARTSBUF，并且通过RS232串行模块[12]被发送到主计算机[12]。3.2传感器简介3.2.1温度传感器SHT15是从公司瑞士SENSIRION生产的小型智能传感器。它可以测量相关的参数，如温度，湿度和温度的测量范围为-400℃〜123.80C，分辨率为0.1，反应时间小于3秒。SHT15是免费校准，免费调试，几乎没有外部电路的智能新的传感器。该系统采用32位RISC处理器S3C2440三星的各种功能和外设。它基于ARM920T内核，并支持嵌入式Linux，WinCE的VxWorks和其他嵌入式操作系统。所有属性符合的远程监视系统的要求。3.2.2湿度传感器湿度测量仪器通常依靠一些其它数量的测量，如温度，压力，质量或在一个物质的机械或电气的变化作为水分被吸收。由标定和计算，这些测量的量可测出湿度。3.2.3土壤传感器土壤传感器采集的土壤温度和土壤湿度在户外环境的信息。3.3ZigBee通信协议实现目前ZigBee是最广泛使用的许多无线传感器网络技术。ZigBee是本质上的协议，这是基于由IEEE批准802.15.4无线标准和涉及无线网络，无线安全和无线应用。它主要适用于传送小数据，可以嵌入各种设备和具有位置感知浏览，为2.4GHz，868MHz频段和915MHz的频带工作，以最高的250千比特/秒，20kbit/s的和40kbit/s的传输速率。与其他的传输技术相比较，它具有以下特征[13]。（1）低功耗的ZigBee可以在休眠模式下工作。在睡眠模式下，ZigBee的可节约用电和6个月只有两节电池供电工作。（2）网络一个ZigBee网络可以容纳255ZigBee的，其中之一是协调的大容量，其余为路由器或端点。如果它建立通过网络协调器的网络，该网络可以包含64000ZigBee设备。数字频率部分，直接序列扩频（DSSS）技术，不仅可以很容易地实现802.15.4的短距离无线通信标准兼容，并极大地提高无线通信的可靠性。Zigbee的协议栈的设计是精确和可靠的，包括非常重要AES处理技术，CSMA/CA的节能技术等[14]。在过去，由于低功耗，我们更常用的星形拓扑结构的网络。但覆盖范围和效率将通过网络由星形结构，以及群集节点故障被限制可导致网络结构的失败。相对于星型网络，范围防止普通锂电池供电时间短，无法继续，使得基础采用树形拓扑结构。的树网络的物理越大，为更多的节点的数目。在本文中，我们使用太阳能供电。内部协议层和层之间实现通过API信息通信，API提供的接口802.15.4协议栈管理和数据服务。直接执行功能直接执行该实现MAC的操作代码;回调函数通过函数的参数访问日期，只是在执行过程中有效。这些API函数执行在MAC环境[15]。4、软件部分设计4.1网关节点的硬件设计该网关节点，作为信息管理和无线传感器网络平台的国产化，需要有更快的处理速度和强大的信息管理功能。在这个设计中，我们把重点放在核心的GPRS构建的无线传感器网络网关的硬件平台。4.1.1Zigbee协议在本文中，我们嵌入的Zigbee协调器节点到网关，作为一个全功能的设备，收集所有节点的数据。协调器和GPRS之间的通信是通过串行，也可以直接与PC进行通信，实现实时数据检查和监测[16]。4.1.2GPRS/GSM本系统使用的SIM100-E的GSM/GPRS双频模块用于语音传输，消息和数据服务。它提供了无线接口，并通过RS232接口ARM智能监控中心进行通信。我们写的AT命令到串行设备文件，当异常与现场监测数据发生控制GPRS模块来实现功能，如SMS/MMS方式自动报警给管理者[17]。GPRS网关GPRS网关的框架示于图4。使用的ZigBee终端相比，GPRS网关需要强大的数据处理能力和运行速度，因此TI公司的32位微控制器TM4C123GH6PGE选择是一个核心控制器。这是1.08-1.32芯片电压，80MHz的主频，256KB闪存和SRAM32K通过ARMCortexM4内核的高性能微控制器。这个核心控制器与ZigBee协调通信，从它接收数据，为了通过使用AT命令来减少数据大小和控制GPRS模块熔断器的数据。在GPRS将通过PPP协议联系，GPRS网络，并获得由网络运营商分配的IP地址，这将有助于GPRS模块与远程控制中心通信。经过2397GPRS接触中心，GPRS模块将传输处理后的数据通过TCP/IP为中心。在设置GPRS，我们需要使用矩阵键盘和液晶屏上显示这些内容输入计算机的IP地址。图4GPRS网关系统图4.1.3CC2530CC2530满足低成本和基于ZigBee的2.4GHzISM频段的低功率要求。它包括一个高性能的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器芯