孫書(shū)誠(chéng)，郎 朗，蘇長(zhǎng)杰

(安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它的數(shù)據(jù)傳輸依靠導(dǎo)體介質(zhì)，需要鋪設(shè)電纜，由此帶來(lái)布線復(fù)雜、預(yù)設(shè)接口破壞建筑、線路檢測(cè)檢修困難、線路擴(kuò)容困難等一系列和傳輸途徑有關(guān)的弊端，這些問(wèn)題突出表現(xiàn)為有線傳感器網(wǎng)絡(luò)可移動(dòng)性差且日后的維護(hù)保養(yǎng)十分不便。近些年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為建立通暢、可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了可能，越來(lái)越多的傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集和傳輸采用了無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)可以有效降低有線方式傳輸信號(hào)對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的環(huán)境和作物的信息。

在精確獲取環(huán)境和作物信息的同時(shí)，往往需要在這些信息上帶有精確的地理坐標(biāo)和時(shí)間標(biāo)簽，這樣采集到的這些信息能更加精確地反映農(nóng)田、作物或畜牧家禽的實(shí)際情況，為作物在農(nóng)田中精準(zhǔn)耕作或畜牧家禽精密喂養(yǎng)提供了數(shù)據(jù)支持。另一方面，多數(shù)的研究成果側(cè)重于傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Web服務(wù)器的連接或者Web服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)的連接仍采用有線的連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其明顯的缺陷是在檢測(cè)區(qū)域比較大、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)比較多的情況下，設(shè)備安裝與現(xiàn)場(chǎng)布線顯得繁瑣，可移動(dòng)性較差。

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，為了能獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中更多的信息，同時(shí)為了符合農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中地域大、測(cè)點(diǎn)多、時(shí)間久的特點(diǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)精密農(nóng)業(yè)，本文設(shè)計(jì)了一種帶有時(shí)間/地理標(biāo)簽無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是世界上繼美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS后第3個(gè)投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是世界上第1個(gè)區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是可以依賴的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1］，對(duì)定位授時(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)精密耕作中的應(yīng)用至關(guān)重要。ZigBee作為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，其低成本、低功耗、自配置和靈活的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)［2］。在實(shí)際使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶常需要對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，即需要將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)接入外部網(wǎng)絡(luò)。Wireless Fidelity(Wi-Fi)作為一種無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的有效范圍內(nèi)都可以采用Wi-Fi的方式連入Internet。

基于以上考慮，在本次設(shè)計(jì)中選用“北斗一號(hào)”導(dǎo)航系統(tǒng)為各傳感器節(jié)點(diǎn)提供地理與時(shí)間信息，同時(shí)各傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部組網(wǎng)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，在此基礎(chǔ)上將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)Wi-Fi技術(shù)接入Internet，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。從邏輯結(jié)構(gòu)上將系統(tǒng)劃分為:安裝在農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于ARM11的嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)和基于Web的數(shù)據(jù)管理與監(jiān)測(cè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)從節(jié)點(diǎn)采用星型連接方式，從節(jié)點(diǎn)用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)北斗衛(wèi)星獲取從節(jié)點(diǎn)處的地理信息(經(jīng)、緯度)和采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的精確時(shí)間，形成帶有時(shí)間/地理標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。

基于Web的數(shù)據(jù)管理與監(jiān)測(cè)部分是運(yùn)行在Web服務(wù)器上的一套網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。用戶可以通過(guò)任意一種Web瀏覽器對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和監(jiān)測(cè)，極大地方便了用戶的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

圖1 帶時(shí)間/地理標(biāo)簽的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于ARM11的網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件電路主要由控制器模塊(S3C6410)、JTAG調(diào)試接口、通信模塊(ZigBee模塊和Wi-Fi模塊)和其他外圍設(shè)備等組成，網(wǎng)關(guān)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)采用以ARM1176ZJF為核心的32位 RISC微處理器S3C6410作為主控制器［3］，該處理器集成了LCD控制器、USB Host、NAND控制器、BUS控制器、中斷控制、功率控制、存儲(chǔ)控制、UART、SPI和GPIO等豐富的外圍資源，通過(guò)外擴(kuò)存儲(chǔ)器、串口、USB接口和JTAG調(diào)試接口等構(gòu)成硬件平臺(tái)。在ARM11處理器中移植Web服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

S3C6410 芯片選用 UART0(TxD0、RxD0、nRTS0、nCTS0引腳)與ZigBee模塊(協(xié)調(diào)器)的串口連接引腳，設(shè)置相應(yīng)波特率后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet的連接，S3C6410芯片與Wi-Fi模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0接口相連。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件主要由底層驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層與應(yīng)用程序?qū)?部分構(gòu)成。其中:底層驅(qū)動(dòng)層描述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中硬件設(shè)備ZigBee模塊和Wi-Fi模塊的驅(qū)動(dòng);操作系統(tǒng)層在控制器S3C6410移植了Linux操作系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層在移植ZigBee和Wi-Fi協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)ZigBee和Wi-Fi協(xié)議互相轉(zhuǎn)換工作;應(yīng)用程序?qū)釉贚inux操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了可以接收用戶查詢請(qǐng)求的Web服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的軟件平臺(tái)首先需要在其控制模塊S3C6410及其擴(kuò)展芯片上移植Linux操作系統(tǒng)。利用操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可以接收用戶查詢請(qǐng)求的Boa Web Server，服務(wù)器在解析請(qǐng)求后調(diào)用相應(yīng)的CGI程序，再將CGI程序執(zhí)行的結(jié)果發(fā)送給瀏覽器。由于網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信采用串口進(jìn)行，需要在Linux操作系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)串口驅(qū)動(dòng)［4］。S3C6410相關(guān)的軟件平臺(tái)模塊如圖4所示。

圖4 基于ARM11的軟件平臺(tái)模塊

1)Boa服務(wù)器在基于S3C6410嵌入式Linux平臺(tái)上的配置

Boa是一個(gè)單線程的Web服務(wù)器，依次完成用戶的請(qǐng)求，且源代碼開(kāi)放，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載，適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中［5］。

Boa Web Server編譯、安裝、配置流程:

①?gòu)膆ttp://www.boa.org官方網(wǎng)站上下載Boa源碼，并進(jìn)行解壓縮:#tar xzf boa-0.94.13.tar.gz，進(jìn)入/src 目錄。

②生成Makefile文件。

③修改Makefile文件，將其修改為CC=armlinux-gcc、CPP=arm-linux-g++ 。

④運(yùn)行make進(jìn)行編譯，即可生成Boa可執(zhí)行文件。

⑤編制配置文件。在Linux操作系統(tǒng)下，應(yīng)用程序的配置都是以配置文件的形式提供的，Boa的配置文件 boa.conf和 mime.types放置在目標(biāo)板/home/httpd/目錄下。

一個(gè)典型的boa.conf文件格式為:

DocumentRoot/home/httpd

ScriptAlias/cgi-bin//home/httpd/cgi-bin/

ScriptAlias/index.html/home/httpd/index.html

它指定了HTML頁(yè)面放到/home/httpd/html目錄下。

⑥編譯燒寫(xiě)內(nèi)核。將重新編譯的內(nèi)核燒寫(xiě)入內(nèi)核，可以通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)Web服務(wù)器。例如，輸入平臺(tái)的 IP 地址 http://192.168.0.100，即可訪問(wèn)到自己做的網(wǎng)頁(yè)index.html。

2)CGI應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

用戶使用Web瀏覽器和Web服務(wù)器進(jìn)行通信，向服務(wù)器端發(fā)出HTTP請(qǐng)求。服務(wù)器響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，分析瀏覽器請(qǐng)求的資源，發(fā)現(xiàn)是一個(gè)CG I程序，于是開(kāi)始引導(dǎo)到指定位置的CG I程序。用戶通過(guò)驗(yàn)證程序輸入用戶名和密碼后，確認(rèn)通過(guò)，執(zhí)行后續(xù)的CGI應(yīng)用程序;沒(méi)有通過(guò)，提示出錯(cuò)頁(yè)面，避免了非法用戶獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)驗(yàn)證后，可根據(jù)用戶端發(fā)出的請(qǐng)求，分別查詢和分析數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢程序?qū)崿F(xiàn)上傳數(shù)據(jù)流的遠(yuǎn)程瀏覽，提供當(dāng)前數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)分析程序?qū)崿F(xiàn)上傳數(shù)據(jù)流的解析，根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值與當(dāng)前的查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，若超出預(yù)警值，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。數(shù)據(jù)查詢和分析的結(jié)果以信息流的方式傳回給Boa服務(wù)器，服務(wù)器將信息流轉(zhuǎn)換傳遞給瀏覽器，作為用戶所需的輸出結(jié)果。

數(shù)據(jù)交換程序提供通過(guò)串行驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)串行通信線路的功能，實(shí)現(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通信。CGI應(yīng)用程序編寫(xiě)好放到/home/httpd/cgi-bin目錄下供調(diào)用，并在內(nèi)核編譯時(shí)加入，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行分步驟軟、硬件開(kāi)發(fā)和測(cè)試，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行集成組裝，當(dāng)綜合性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，安裝到實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試和應(yīng)用。結(jié)果表明，系統(tǒng)總體性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤其在簡(jiǎn)化設(shè)備安裝布線、提高系統(tǒng)移動(dòng)性和便捷性等方面效果十分顯著。

按照測(cè)試要求，傳感器網(wǎng)絡(luò)中安裝了1個(gè)Zig-Bee協(xié)調(diào)器和2個(gè)完整功能節(jié)點(diǎn)，每個(gè)完整功能節(jié)點(diǎn)上攜帶3個(gè)部分功能節(jié)點(diǎn)，每個(gè)部分功能節(jié)點(diǎn)安裝的傳感器類型包括空氣溫度、濕度和土壤溫度、濕度。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建后，傳感器每隔1 h采集上述4種農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，傳輸至基于嵌入式的網(wǎng)關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并通過(guò)Web瀏覽器及時(shí)顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的農(nóng)田信息，如圖5、圖6、表1所示。采集到的這些信息能更加精確地反應(yīng)農(nóng)田的實(shí)際情況，為農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步精準(zhǔn)耕作提供了數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，各農(nóng)業(yè)專家也可以通過(guò)瀏覽器登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合專家的管理經(jīng)驗(yàn)和栽培知識(shí)，提供遠(yuǎn)程咨詢和信息服務(wù)，使得專家的技術(shù)資源得以更廣泛的應(yīng)用，進(jìn)而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的信息化建設(shè)。

圖5 Web瀏覽器登陸界面

圖6 Web瀏覽器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息

5 結(jié)束語(yǔ)

主要介紹了帶有時(shí)間/地理標(biāo)簽的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的基本原理、硬件各模塊的設(shè)計(jì)方案、軟件開(kāi)發(fā)的主要流程以及應(yīng)用檢驗(yàn)效果。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式的特點(diǎn)，大幅度改善了系統(tǒng)可移動(dòng)性和組網(wǎng)靈活性。利用Wi-Fi、ZigBee協(xié)調(diào)器和嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)無(wú)縫連接，同時(shí)克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)構(gòu)架下ZigBee傳輸速率較低的瓶頸，使得用戶通過(guò)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)耕作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的瀏覽和分析。無(wú)論身在何處，只要通過(guò)計(jì)算機(jī)均可隨時(shí)了解各種環(huán)境因子的空間分布與變化，隨時(shí)監(jiān)測(cè)作物各生長(zhǎng)階段的環(huán)境情況。

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