黃招娣，潘澤中，朱 路，黃德昌

（華東交通大學(xué)1.電氣與電子工程學(xué)院；2.信息工程學(xué)院，江西南昌330013）

水稻生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)良是保持水稻質(zhì)量和產(chǎn)量的重要前提，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)過(guò)程的水位、空氣溫濕度等水稻田環(huán)境參數(shù)。因此，搭建水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，憑借其自組網(wǎng)、覆蓋范圍大、低功耗、低成本、智能化等特點(diǎn)，已逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域［1-5］。

目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用集中在對(duì)果園或田間作物生長(zhǎng)參數(shù)和環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，部署的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將果園或田間中探測(cè)的信息傳送給服務(wù)器［1-6］。

本文將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水稻田環(huán)境監(jiān)測(cè)中，實(shí)時(shí)采集水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)（水位、空氣溫濕度等），并通過(guò)GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端接收水稻田環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［6-9］。從而對(duì)指導(dǎo)水稻精準(zhǔn)管理、維護(hù)水稻田環(huán)境，節(jié)約水資源、節(jié)省成本、提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

1 水稻田環(huán)境監(jiān)測(cè)的WSN系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于nRF905的水稻田環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括3部分：傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、用戶(hù)終端。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)分為子傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)，具體功能如下。

1）子傳感器節(jié)點(diǎn)主要是采集水稻田生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)（水位、空氣溫濕度等），并將采集數(shù)據(jù)處理后傳輸給協(xié)調(diào)器。

2）簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)除了具有子傳感器節(jié)點(diǎn)的功能之外，還要擔(dān)任數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，接收到子傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。

3）協(xié)調(diào)器的功能主要是接收并處理各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)用戶(hù)終端或通過(guò)串口發(fā)送給電腦終端。

4）用戶(hù)終端包括PC機(jī)或手機(jī)終端，主要用了給用戶(hù)顯示信息。

2 水稻田環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)分為子傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)，其中兩種傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路相同。傳感器節(jié)點(diǎn)采用了Atmel 公司STC89C52 單片機(jī)為核心處理器，擴(kuò)展了nRF905的通信接口、總線(xiàn)接口、各種傳感器電路和供電電路。傳感器節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能電池組件供電，擴(kuò)展支持3路傳感器數(shù)據(jù)采集，通過(guò)nRF905實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸［10-12］。

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，水位傳感器采用了BPY800 液位傳感器；空氣溫濕度傳感器采用了Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片式封裝系列的SHT10空氣溫濕度傳感器；水溫傳感器采用了投入式DS18B20數(shù)字溫度傳感器，以上3種傳感器都是已定標(biāo)的數(shù)字式傳感器，其傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 水稻田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The network architecture model of environmental monitoring system for paddy field

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of sensors

傳感器節(jié)點(diǎn)其主要由MCU（STC89C52 單片機(jī)）控制模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器模塊、PY800 水位傳感器模塊、SHT10 空氣溫濕度傳感器模塊、nRF905 無(wú)線(xiàn)通信模塊等模塊組成。如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sensor nodes and coordinators

2.2 協(xié)調(diào)器

相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)而言，協(xié)調(diào)器要求具有較強(qiáng)的處理能力和運(yùn)行速度。因此，在設(shè)計(jì)中盡量減少協(xié)調(diào)器的硬件接口，主要由MCU（STC89C52 單片機(jī)）控制模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、SIM300 GPRS 模塊、NRF905無(wú)線(xiàn)通信模塊等模塊組成，如圖2所示。

3 水稻田環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

uVsion是Keil softwave公司的產(chǎn)品，它集項(xiàng)目管理、編譯工具、代碼編寫(xiě)工具、代碼調(diào)試及仿真于一體，適合于個(gè)人開(kāi)發(fā)或人數(shù)少的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的使用。本系統(tǒng)采用uVsion軟件編寫(xiě)系統(tǒng)程序，程序設(shè)計(jì)主要包括兩部分：一是傳感器節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)分為子傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)；二是協(xié)調(diào)器程序的設(shè)計(jì)。

子傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖3所示，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)上的MCU控制器檢測(cè)到NRF905接收的命令后，傳感器節(jié)點(diǎn)上的MCU 控制器開(kāi)始采集BPY800，SHT10，DS18B20 等傳感器信息，同時(shí)將采集的信息通過(guò)LCD1602小液晶顯示出現(xiàn)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭以多跳的形式傳輸給協(xié)調(diào)器。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)，分別編寫(xiě)了BPY800.c，SHT10.c，DS18B20.c，LCD1602.c，nRF905.c等子程序。

簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)與子傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)類(lèi)似，重點(diǎn)區(qū)別在于簇頭傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)多了一種多跳路由功能，當(dāng)子傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳給簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)識(shí)別到頭文件是否要發(fā)送給協(xié)調(diào)器；如果頭文件是需要上傳給協(xié)調(diào)器，其將繼續(xù)上傳，直至數(shù)據(jù)上傳協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器主程序流程圖如圖4所示，當(dāng)協(xié)調(diào)器上的MCU控制器檢測(cè)到SIM300 GPRS模塊接收的命令后，協(xié)調(diào)器上的MCU控制器開(kāi)始接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在LCD12864液晶顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給PC上位機(jī)或者服務(wù)器；也可以通過(guò)串口上傳給SIM300 GPRS模塊，從而發(fā)送給手機(jī)終端。對(duì)于協(xié)調(diào)器，分別編寫(xiě)了nRF905.c，LCD12864.c，uart_serial.c等子程序。

圖3 子傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.3 The son sensor node program flow chart

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.4 Coordinator program flow chart

4 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)之前，首先對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的有效通信距離進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，以確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效通信距離內(nèi)，便于網(wǎng)絡(luò)布置。為了得到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試真實(shí)數(shù)據(jù)，采取在不同環(huán)境下進(jìn)行多次測(cè)試，以取得各個(gè)環(huán)境下的有效通信距離，如表2所示。

通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)上的液晶顯示，可以直觀的看到無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的誤碼率和丟失率，如果出現(xiàn)丟包，則認(rèn)定傳輸距離達(dá)到限度。經(jīng)過(guò)測(cè)試，采用節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中覆蓋范圍達(dá)到100 m2，最大的通信距離為36 m左右；在開(kāi)闊無(wú)任何障礙物的操場(chǎng)上，晴天最大的通信距離為108 m左右、陰天有雨最大通信距離為87 m左右；在草叢中，晴天最大的通信距離為90 m左右、陰天有雨最大通信距離為75 m左右；在坡度為30°的山坡上測(cè)得有效最大通信距離為56 m。

表2 距離測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.2 The data sheet of testing distance

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在水稻田環(huán)境中測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并可實(shí)時(shí)顯示水稻田的水位、空氣溫濕度、水的溫度等參數(shù)，并且通過(guò)手機(jī)終端可以獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息。經(jīng)對(duì)總面積位102 m2的稻田進(jìn)行測(cè)試，在2012年5月27日下午14：30：30時(shí)所測(cè)得數(shù)據(jù)。如圖5、圖6所示，其中圖5是空氣溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖，圖6是稻田里水的溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖。

圖5 空氣溫度測(cè)試數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖Fig.5 The data curve diagram of air temperature testing

圖6 水溫度測(cè)試數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖Fig.6 The data curve diagram of water temperature testing

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于nRF905的水稻田環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在盡量減少成本的前提下，分析水稻田環(huán)境參數(shù)需求，采用分簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究一種適合我國(guó)南方水稻田環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且具有很好的抗干擾能力，系統(tǒng)對(duì)指導(dǎo)水稻精準(zhǔn)管理、維護(hù)水稻田環(huán)境，節(jié)約水資源、節(jié)省成本、提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

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