劉琪芳++劉振宇++王前鵬

摘要：為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測，針對傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集距離短和成本高的缺點(diǎn)，利用遠(yuǎn)近距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境測量。系統(tǒng)首先基于nRF905芯片建立節(jié)點(diǎn)間短距離無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于此路由節(jié)點(diǎn)再通過SIM300建立GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測和記錄，為農(nóng)業(yè)種植、灌溉等生產(chǎn)提供有效信息。最后，系統(tǒng)在開闊地與有障礙物的室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定能獲得較好的測量結(jié)果，并在130 m與80 m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸丟包率不高于10%，滿足測量環(huán)境對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：多節(jié)點(diǎn)；nRF905；SIM300；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0404-04

目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的新趨勢是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，它利用信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)保護(hù)土壤水分流失、肥力控制、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測等方面可以取得良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。由于農(nóng)作物種植具有受環(huán)境影響大、種植面積廣、實(shí)時(shí)監(jiān)測困難等特點(diǎn)，對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)核心問題之一的數(shù)據(jù)獲取監(jiān)測系統(tǒng)研究具有極其重要的研究價(jià)值。傳統(tǒng)的方法是在田間鋪設(shè)光纖電纜，但是它不利于作物的耕種，成本造價(jià)昂貴，監(jiān)測范圍有限，不能真正意義地面向廣大的農(nóng)業(yè)種植[1]。通用無線分組技術(shù)GPRS（general packet radio service ）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接發(fā)分組功能，具有高速數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，可以滿足田間信息數(shù)據(jù)傳輸頻繁、數(shù)據(jù)傳輸量較小、布線成本高等問題[2-4]。同時(shí)，為了滿足便于安裝、小型化及低成本等要求，本研究利用具有低成本、控制靈活特點(diǎn)的單片機(jī)為核心控制器，建立近距離與遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)相結(jié)合的無線傳感傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用nRF 905/GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)田間作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)獲取與遠(yuǎn)程傳輸。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本系統(tǒng)主要包括節(jié)點(diǎn)獲取系統(tǒng)與無線傳輸系統(tǒng)兩大部分。節(jié)點(diǎn)獲取系統(tǒng)主要通過終端節(jié)點(diǎn)利用傳感器獲取田間環(huán)境信息數(shù)據(jù)。無線傳輸系統(tǒng)主要包括終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)間的近距離數(shù)據(jù)無線傳輸，路由節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)無線傳輸2個(gè)部分。其中，路由節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信通過GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將獲取的數(shù)據(jù)信息上傳到遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備，并且可以滿足多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的加入。為了避免終端節(jié)點(diǎn)間通信數(shù)據(jù)丟失的問題，該系統(tǒng)通過上位機(jī)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)信息控制接收數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)，從而保證節(jié)點(diǎn)間通信的可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取電路與路由節(jié)點(diǎn)無線傳輸電路2個(gè)部分。

2.1數(shù)據(jù)獲取硬件電路設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)主要由AD轉(zhuǎn)換電路、nRF905無線傳輸芯片、傳感器組合及主控芯片AT89S52構(gòu)成。主控芯片與無線傳輸芯片nRF905之間采用全雙工同步串行SPI總線實(shí)現(xiàn)通信，其通信采用Master與Slave結(jié)合的構(gòu)架模式實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)線MOSI與MISO的數(shù)據(jù)通信。其中，nRF905芯片選用433 MHz ISM工作頻段，配合內(nèi)置的無線通信協(xié)議和CRC校驗(yàn)功能，可以自動完成編碼解碼功能。另外，由于該芯片采用具有抗干擾能力強(qiáng)、受環(huán)境影響小的高斯頻移鍵控調(diào)制方式，使其在田間開闊式的環(huán)境中通信無礙。此節(jié)點(diǎn)傳感器主要包括HSTL-FS01型號風(fēng)向風(fēng)速傳感器，具有抗電解性的不銹鋼探針土壤水分傳感器（其工作頻率在100 MHZ，響應(yīng)時(shí)間<1 s），空氣溫濕度傳感器（其工作環(huán)境為濕度0～100%RH，溫度-40～123.8 ℃內(nèi)）及數(shù)字光照度傳感器等[5-6]。

2.2無線傳輸硬件電路設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)無線傳輸硬件電路主要由nRF905無線傳輸收發(fā)芯片、SIM300模塊及STC12C5A60S2微控制器構(gòu)成，其硬件電路主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。該節(jié)點(diǎn)功能通過短距離無線傳輸nRF905芯片接收采集的傳感器數(shù)據(jù)信息，再通過SIM300無線模塊串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。其中，SIM300內(nèi)置強(qiáng)大GPRS功能，支持TCP/IP協(xié)議，可以通過RS232串口通信方式接收來自微控制器的AT指令。上電后用戶不需要配置通信協(xié)議，可以直接建立GPRS網(wǎng)絡(luò)鏈接實(shí)時(shí)收發(fā)遠(yuǎn)端監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與傳輸。

2.3電源

系統(tǒng)總的電源是通過太陽能光伏電板和市電共同供電，節(jié)點(diǎn)電源的設(shè)計(jì)主要包括SIM300和nRF905芯片電源供電 2個(gè)部分[7]。其中，需要提供輸出電流為2 A，輸出為3.4～4.5 V 區(qū)間范圍的單電壓信號為SIM300模塊供電。為了匹配模塊供電電源，系統(tǒng)選用MIC29302穩(wěn)壓芯片提供4 V/3 A的電源參數(shù)，可以較好地滿足模塊工作的要求。另外，系統(tǒng)選用低壓差線性穩(wěn)壓芯片AMS1117為nRF905提供穩(wěn)定的 33 V 供電電壓，并具有過流、過熱保護(hù)，其電壓輸出精度在±1%內(nèi)。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1無線傳輸軟件設(shè)計(jì)

無線傳輸軟件設(shè)計(jì)主要包括節(jié)點(diǎn)間近距離數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)與GPRS遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分[8]。節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸主要是利用無線傳輸芯片nRF905來通信[9]。nRF905無線傳輸功能主要利用內(nèi)部集成的高速數(shù)據(jù)傳輸ShockBurst技術(shù)，由ShockBurst RX接收模式與ShockBurst TX發(fā)送模式構(gòu)成，其工作模式的選擇由上電控制引腳PWR_UP、芯片狀態(tài)標(biāo)志位引腳TRX_CE、模式設(shè)定引腳TX_EN 3個(gè)引腳決定。在ShockBurst TX模式中，首先設(shè)置TRX_CE=0、TX_EN=1 和PWR_UP=1，令其處于空閑模式，待有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過SPI總線將接收信息的微控制器地址和數(shù)據(jù)發(fā)送給nRF905，端口TRX_CE=1時(shí)，激活ShockBurstTX模式。此時(shí)，nRF905將校驗(yàn)信息與數(shù)據(jù)合并打包發(fā)送，通過引腳DR信息判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，如果發(fā)送成功，引腳TRX_CE置低，返回初始狀態(tài)。在ShockBurst RX模式中，先設(shè)定空閑等待模式，當(dāng)引腳TRX_CE=1，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式。延時(shí)650 μs后監(jiān)測總線載波信號，當(dāng)監(jiān)測到信號，載波監(jiān)測標(biāo)志位 CD置高。當(dāng)上傳信號地址匹配相同，開啟接收模式，此時(shí)引腳AM置為1。接收完畢時(shí)，進(jìn)行CRC位校驗(yàn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒引腳DR置高；判斷引腳TRX _CE狀態(tài)，置低進(jìn)入空閑模式等待下一次數(shù)據(jù)接收，置高繼續(xù)監(jiān)聽與接收總線數(shù)據(jù)。nRF905內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及引腳說明如圖3所示。

終端節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，先配置nRF905芯片中DR、AM、CD及MISO等引腳，狀態(tài)寄存器模式及CRC位校驗(yàn)信息，接著配置頻段為430 MHZ，輸出功率為10 dB，設(shè)定芯片接收與發(fā)送有效數(shù)據(jù)長度分別為4 bp和32 bp。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到向路由節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)指令時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)響應(yīng)讀取數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)的有效性。如果數(shù)據(jù)有效，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)組TX_RX_PLAYLOAD中打包發(fā)送，完成后將此時(shí)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)置為接收狀態(tài)，為下一次接收做準(zhǔn)備。

路由節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，先按照終端節(jié)點(diǎn)配置 nRF905芯片參數(shù)，接著配置SIM300模塊串口、定時(shí)器等引腳及寄存器參數(shù)[7]。當(dāng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，先進(jìn)行與模塊握手判斷，判斷是否收到模塊返回并顯示命令。接著，通過指令A(yù)T+CREG檢測是否注冊到服務(wù)商，成功后進(jìn)入鏈接狀態(tài)。為了防止之前節(jié)點(diǎn)工作未關(guān)閉服務(wù)器造成鏈接失敗，鏈接前先通過指令A(yù)T+CIPCLOSE與AT+CIPSHUT關(guān)閉先前的鏈接狀態(tài)。隨后，向模塊發(fā)送“AT+CLPORT=＼”TCP＼“，＼”2022＼“指令指定本地端口，并利用AT+ CIPHEAD=1指令添加數(shù)據(jù)IP頭“+IPD（數(shù)據(jù)長度）”。接著，查詢標(biāo)志位flg_DNS狀態(tài)判斷服務(wù)器鏈接。當(dāng)flg_DNS=1時(shí)，通過AT+CDNSORIP指令選擇域名連接服務(wù)器鏈接狀態(tài)，并通過AT+CIPSTART指令設(shè)定鏈接服務(wù)器域名及端口號；當(dāng)flg_DNS=0時(shí)，通過AT+CIPSTART指令設(shè)定IP服務(wù)器域名及端口號。如果鏈接成

功，模塊可以檢測到“CONNECT OK”，單片機(jī)便可以通過AT+CIPSEND指令進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于Microsoft Winsock Control控件實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)顯示等功能。其中，網(wǎng)絡(luò)鏈接與監(jiān)聽前，為了保證當(dāng)前數(shù)據(jù)獲取的有效性，避免運(yùn)行錯誤，需要對其之前的鏈接及監(jiān)聽狀態(tài)進(jìn)行關(guān)閉。然后，對本地計(jì)算機(jī)名、IP地址及端口號初始化，并開啟端口監(jiān)聽模式。當(dāng)接收到下位機(jī)鏈接請求時(shí)，觸發(fā)Winsock的Connection Request事件，利用Accept屬性建立通信連接。鏈接成功后，數(shù)據(jù)上傳觸發(fā)Winsock的Data Arrival事件，利用Get Data屬性獲取數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性并顯示。

當(dāng)系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)鏈接成功后，系統(tǒng)會顯示遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的IP地址和端口號，通信進(jìn)入鏈接狀態(tài)，上位機(jī)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)控制按鍵開始測量數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可以連續(xù)測量也可以等間隔定時(shí)測量，并可以通過命令發(fā)送區(qū)向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對測量環(huán)境的調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)操作控制流程圖如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)鏈接成功示意圖如圖5所示。

4測試及結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與可靠性，選擇在開闊地與有障礙環(huán)境下對系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包傳輸進(jìn)行測試。無障礙環(huán)境系統(tǒng)測試選擇山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 150 m×50 m的小麥試驗(yàn)田作為試驗(yàn)場地，節(jié)點(diǎn)設(shè)置高度為1.5 m，其中，設(shè)定傳輸數(shù)據(jù)包為300幀數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)工作在最大發(fā)射接收功率，選擇10 m 作為起始測試點(diǎn)，每間隔10 m測試1次。重復(fù)上述過程選擇在室內(nèi)有障礙物環(huán)境下進(jìn)行測試。測試結(jié)果為：無障礙環(huán)境下測試時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)距離路由節(jié)點(diǎn)為130 m處時(shí)，接收數(shù)據(jù)包為276幀，丟包率為8%；在150 m處數(shù)據(jù)接收不穩(wěn)定，接收率小于90%。在有障礙環(huán)境下測試時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)距離路由節(jié)點(diǎn)為80 m處接收數(shù)據(jù)為269幀，丟包率為10%；終

端節(jié)點(diǎn)距離路由節(jié)點(diǎn)距離為90 m處時(shí)，接收到259幀數(shù)據(jù)包，丟包率為13.7%。接收數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖6所示。

對系統(tǒng)在田間實(shí)地測試，2015年10月26—28日（均為晴天）全天測試，室外溫度最高分別為9、14、17 ℃，抽取間隔30 min采集結(jié)果。圖7給出其時(shí)間段土壤溫度及水分的測量

結(jié)果。結(jié)果表明，隨著時(shí)間變化，不同溫度對測試結(jié)果影響與理論分析結(jié)果一致。特別指出的是，由于10月25日是小雨天氣，在土壤溫度與水分測試過程中對此現(xiàn)象有較好的體現(xiàn)。對2015年10月23—25日（其中，23日為晴天，24日與25日為小雨天氣）全天測試，室外溫度最高分別為18、15、10 ℃，同樣抽取間隔30 min采集結(jié)果。圖8給出其時(shí)間段土壤溫度及水分的測量結(jié)果。結(jié)果表明，在復(fù)雜環(huán)境下對環(huán)境的測試符合實(shí)際情況，伴隨著雨量的增加，其土壤溫度與水分含量與分析結(jié)果一致，也較好地體現(xiàn)了系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性。

5總結(jié)

以田間農(nóng)作物環(huán)境為研究對象，針對有線數(shù)據(jù)傳輸方式成本高、不利于耕種等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于近距離與遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，主要通過終端節(jié)點(diǎn)獲取田

間土壤溫濕度、室外溫濕度及風(fēng)向等影響農(nóng)作物生長信息，利用路由節(jié)點(diǎn)中的SIM300模塊與上位機(jī)建立遠(yuǎn)距離無線通信，最終實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)監(jiān)測。測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度低、成本不高、便于安裝、穩(wěn)定可靠，能被廣泛應(yīng)用并為開發(fā)更精準(zhǔn)的田間監(jiān)測設(shè)備提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支持。

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