龍威林，高 藝

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；南開大學(xué)信息學(xué)院,天津 300071)

1 前言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)是在電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，該技術(shù)的優(yōu)點有：功耗低、成本低、分布式、自組織等等。因其諸多特點被廣泛的應(yīng)用于信息感知領(lǐng)域，并在很大程度上推進(jìn)了信息感知技術(shù)的發(fā)展。

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)在先進(jìn)的信息科學(xué)技術(shù)的促進(jìn)下發(fā)展到的高級階段，通過在農(nóng)田環(huán)境部署的各類傳感器節(jié)點，以及將節(jié)點連接起來的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)真正的智慧化，即能夠做到無時不在、無處不在的智慧監(jiān)測、智慧分析、智慧預(yù)警，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在智慧農(nóng)業(yè)的指導(dǎo)下能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)管理、科學(xué)預(yù)測、科學(xué)決策，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的新的變革。

利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng)對土壤溫濕度、等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全天候不間斷的監(jiān)測，采集到的各項參數(shù)數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點傳輸，最終為監(jiān)控人員所掌握。為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性與可靠性，系統(tǒng)采用自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于太陽能的能量供給方案。該方案能夠解決簇首節(jié)點的能量供給問題。系統(tǒng)內(nèi)簇首節(jié)點軟件基于μC/OS-II操作系統(tǒng)，并以更好的完成各任務(wù)的調(diào)度為目的對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策。

智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng)利用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大范圍數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對土壤溫濕度、酸堿性等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全天候的監(jiān)測。采集到的各項參數(shù)數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點傳輸，最終為監(jiān)控人員所掌握。通過分層式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——上層采用自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，下層采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可靠性有著很大的提升。系統(tǒng)還提出了一種基于太陽能的能量供給方案，該方案能夠解決簇首節(jié)點的能量供給問題。系統(tǒng)內(nèi)簇首節(jié)點在μC/OS-II操作系統(tǒng)的環(huán)境下運行，并對μC/OS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行了個性化的優(yōu)化。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的復(fù)雜度、有效性，均與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。因此，如何設(shè)計一種有效、合理、實用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題之一。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入了分層的思想，分為上層、下層兩部分：上層為簇首；下層為傳感器節(jié)點?？紤]到系統(tǒng)的實際需求，上層采用自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，下層采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。簇首的功能特性區(qū)別于一般傳感器節(jié)點：一般來說，所有簇首均包含相同的MAC、路由、管理等功能協(xié)議，而一般傳感器節(jié)點則沒有路由、管理及匯聚處理等功能。采用這種分層式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性大大提高，特別適合集中管理的情況，系統(tǒng)建設(shè)成本也大大削減，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性也有一定的提高。

圖1 系統(tǒng)的分層式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)節(jié)點分為傳感器節(jié)點和簇首節(jié)點兩種類型。

3.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

無線傳感器節(jié)點可以按功能劃分為四類模塊：傳感器、處理器、無線通信和能量供應(yīng)模塊。其中，傳感器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)所監(jiān)測的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中各項數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；處理器模塊控制傳感器節(jié)點的各項功能，包括節(jié)點的操作、存儲、數(shù)據(jù)處理；不同傳感器節(jié)點的無線通信模塊相互之間進(jìn)行無線通信；能量供應(yīng)模塊以微型電池為能量來源，為傳感器節(jié)點提供能量。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文以基于SHT11的溫濕度采集模塊為例介紹傳感器模塊。SHT11是一款經(jīng)典的數(shù)字輸出的溫濕度傳感器芯片，該模塊集溫濕度感測功能、A/D轉(zhuǎn)換功能等功能于一體，精確度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)。

處理器模塊采用的是TI公司生產(chǎn)的MSP430 F149處理器，MSP430 F149是一款超低功耗的16位 RISC混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作，RAM保持模式0.1μA，實時時鐘模式0.7μA，工作模式200μA/MIPS，在6μs之內(nèi)快速從待機(jī)模式喚醒，解決了制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，基于以上優(yōu)點，采用MSP430F149作為CPU的優(yōu)點是非常突出的。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

考慮到無線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點之間的相互距離不會太遠(yuǎn)，因此，系統(tǒng)采用基于nrf24L01的無線通信模塊。該模塊適用于近距離的無線通信傳輸，具有低功耗、支持高速跳頻、體積小、外圍器件少、配置簡單、且使用兩層PCB板成本低等優(yōu)點。該模塊可通過SPI寫入數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)的速率高至10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率高至2 Mb/s，支持自動應(yīng)答、自動再發(fā)射等功能。

3.2 簇首節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)對簇首節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力都有著更高的要求。

因此，中央處理器采用STM32F103ZE高性能的ARM?CortexTM-M3處理器，具有最高72MHz處理頻率及1.25DMips/MHz的性能，且資源豐富，功耗較低。

簇首節(jié)點采用短距離無線通信模塊nrf24L01完成簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，采用遠(yuǎn)距離ZigBee無線通信模塊DRF1605H。該模塊內(nèi)置無線放大器，能夠大幅提高發(fā)射信號或接收信號的功率，傳輸最大距離遠(yuǎn)至1.6公里。而且，每個節(jié)點都非常靈活，隨時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收，同時，也可作為路由器供其它節(jié)點信息傳輸之用。該模塊還能夠自主計算各項數(shù)據(jù)的傳輸路由。

簇首節(jié)點需要的能量較大，為了更好地解決能量供給問題，設(shè)計了基于太陽能的能量供給系統(tǒng)，由以下部分構(gòu)成：一是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池板，構(gòu)成了能量收集器；二是將太陽能電池獲取的能量存儲起來的超級電容，構(gòu)成了能量存儲器；還包括基于CN3063的能量管理單元，作用是太陽能電池的充電管理。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了三種工作模式：定時采集模式，閾值報警模式，實時查詢模式，分別說明如下：

定時采集模式下，在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動組網(wǎng)完成之后，簇首節(jié)點定時收集簇內(nèi)各傳感節(jié)點的信息，保存接收到的數(shù)據(jù)并定時向管理節(jié)點傳輸。

閾值報警模式下，當(dāng)傳感節(jié)點采集到的信息超閾值時，立即發(fā)送報警信息至簇首節(jié)點。簇首節(jié)點接收到報警信息后，立即將其傳送給管理節(jié)點。

實時查詢模式下，對于任一傳感器的節(jié)點信息，管理節(jié)點都有權(quán)實時查詢。實時查詢的具體步驟為：首先，管理節(jié)點向傳感器節(jié)點發(fā)出一條查詢指令，在簇首節(jié)點接收到指令之后，收集簇內(nèi)各傳感器節(jié)點的信息，并將所有收集到的傳感器節(jié)點信息發(fā)送給管理節(jié)點。

由于傳感節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)相對簡單，本文以簇首節(jié)點軟件設(shè)計為主進(jìn)行介紹。

圖3 基于太陽能的能量供給系統(tǒng)

4.1 簇首節(jié)點軟件體系結(jié)構(gòu)

簇首節(jié)點主機(jī)板軟件以μC/OS-II作為操作系統(tǒng)，完成各任務(wù)的調(diào)度。μC/OS-II作為一種操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有可移值、可植入ROM、可裁剪、搶占式、實時多任務(wù)操作等優(yōu)點，具有任務(wù)調(diào)度與管理、時間和內(nèi)存管理、任務(wù)間通信和同步等功能。μC/OS-II目前是各種微處理器、數(shù)字信號處理器和微控制器的主要操作系統(tǒng)。

該系統(tǒng)移植了針對嵌入式應(yīng)用開發(fā)的圖形界面支持系統(tǒng)ucGUI，基于FTF LCD設(shè)計了基于圖形的人機(jī)交互界面，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、無線傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

4.2 簇首節(jié)點組網(wǎng)流程

簇首節(jié)點上電后，首先，簇首節(jié)點進(jìn)行硬件初始化，然后主干網(wǎng)開始組網(wǎng)，所有簇首節(jié)點都要向管理節(jié)點發(fā)送并登記自己的地址。組網(wǎng)結(jié)束后，由管理節(jié)點向所有簇首節(jié)點傳送傳感節(jié)點表列。簇首節(jié)點對于接收到的表列要進(jìn)行驗證。具體驗證的方法是，簇首節(jié)點向表列中的傳感器節(jié)點地址發(fā)出驗證信息，如果能夠收到回應(yīng)，則表列中登記的地址正確，予以保留；如無法收到回應(yīng)，則說明表列中的地址錯誤，簇首節(jié)點將對錯誤的地址進(jìn)行刪除。

簇首節(jié)點如需判斷是否有等待加入的新傳感器節(jié)點，則需要廣播自己的地址。如果接收到新節(jié)點的地址，則說明該節(jié)點在等待被加入，簇首節(jié)點將收到的地址加入表列，并反饋給該節(jié)點一個ACK確認(rèn)信號。按照以上的步驟，可以不斷的判斷是否有等待加入的傳感節(jié)點并將其加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中來，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組織和更新。簇首節(jié)點組網(wǎng)流程如圖5。

4.3 傳感節(jié)點組網(wǎng)流程

對于有等待加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)的新傳感節(jié)點，需要接收到簇首節(jié)點廣播的簇首節(jié)點地址之后，向該地址發(fā)送自己的節(jié)點地址。如在發(fā)送之后，接收到簇首節(jié)點返回的ACK確認(rèn)信號，則說明已被加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。如在預(yù)設(shè)的時間之內(nèi)，沒有接收到確認(rèn)信號，則需要重新詢問，即重新發(fā)送自己的節(jié)點地址至簇首節(jié)點，并等待簇首節(jié)點的回應(yīng)。傳感節(jié)點組網(wǎng)如圖6。

圖5 簇首節(jié)點組網(wǎng)流程圖

圖6 傳感節(jié)點組網(wǎng)流程圖

4.4 μC/OS-II操作系統(tǒng)優(yōu)化

因為μC/OS-II作為嵌入式操作系統(tǒng)，具有可裁減的優(yōu)點，故可以根據(jù)需求對其進(jìn)行配置。例如，可以關(guān)閉沒有需求的功能，這樣能夠提高系統(tǒng)效率，節(jié)約內(nèi)存空間。文件OS_CFG.H中，以#define語句的形式保存了μC/OS-II的初始化配置選項，將對應(yīng)的語句置位表示使能，清零表示關(guān)閉。

隨著硬件節(jié)點的不斷的改進(jìn)設(shè)計，驅(qū)動程序也進(jìn)行了不斷的編寫，存在著結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、代碼效率較低等缺點。所以，也需要對硬件驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，優(yōu)化驅(qū)動時序，能夠提高驅(qū)動的效率；對驅(qū)動進(jìn)行模塊化設(shè)計，函數(shù)接口進(jìn)行封裝，則易于管理和維護(hù)修改。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

基于本文的系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng)，并在某溫室大棚中進(jìn)行了測試。

利用傳感節(jié)點和數(shù)據(jù)中心節(jié)點，可以觀察到大棚中溫濕度的變化。如圖 (a)中，這是某傳感節(jié)點上的液晶顯示器所顯示的實時采集的溫濕度值，其中黃色曲線代表傳感節(jié)點采集到的濕度值，紅色曲線代表著采集到的溫度值。圖(b)中反映的是數(shù)據(jù)中心節(jié)點接收到的該簇中所有傳感節(jié)點采集的信息。圖(c)和(d)中分別反映了當(dāng)所監(jiān)測的環(huán)境中溫濕度發(fā)生變化的時候，傳感節(jié)點采集的數(shù)據(jù)和曲線的變化。

(a) 系統(tǒng)實時采集的溫濕度值 (b)數(shù)據(jù)中心節(jié)點接收到的傳感器節(jié)點信息 (c)(d)傳感器節(jié)點溫濕度曲線圖圖7 系統(tǒng)顯示器顯示的數(shù)據(jù)和曲線圖

6 結(jié)束語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng)采用了分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性好，可靠性高。簇首節(jié)點需要的能量較大，為了更好地解決能量供給問題，提出了基于太陽能的能量供給系統(tǒng)。實驗證明，該系統(tǒng)在實際運行中效果良好，能夠在農(nóng)田管理和農(nóng)業(yè)種植等多方面為農(nóng)業(yè)工作者提供科學(xué)可靠的環(huán)境信息以供參考。