基于WSN的果园环境监测系统的节点设计

周仁东，郝万君，陈延强，潘 磊，徐 杨

（苏州科技学院 机电学院，江苏 苏州 215000）

果园内的土壤湿度、环境温湿度、叶面湿度等环境因素对果品的质量以及稳产、高产有很大的影响。果园通常在山地，占地面积很大，不同位置的环境参数差别很大，如何快速有效地获取果园内部各种环境参数，为种植过程的科学灌溉提供数据支持，进而提高水果产量，增加果园的经济收益，具有重大的意义。

为解决上述问题，目前现有的方法是人工巡查和有线数据采集两种。人工巡查方式有非常大的工作量，且难以保证数据的实时性与有效性。另有一种是以有线数据采集方式的监控系统，有复杂的布线，受物理线路和环境因素影响大，成本高，不适于扩展[1]。

针对果园网络布线困难，人力耗费大等问题，采用基于无线传感器网络的监控系统。无线传感器网络由低功耗的微小网络节点通过自组织方式构成无线通信网络，能够通过密集的节点布置，协作地实时感知、监测和采集网络分布区域内的各种环境信息（土壤湿度、环境温湿度、叶面湿度等），并对这些信息进行处理，从而获得详尽而准确的信息[2]。

1 系统结构

果园环境监测系统由3部分组成：无线传感器网络（WSN）、GPRS网络和远程数据中心。节点设计采用分层分布式结构，拓扑结构如图1所示。

图1 环境监测系统结构图Fig.1 Structural diagram of environment monitoring system

大量的传感器节点分别放置在果园的向阳面、背阴面及谷底等不同地方，每个传感器都会被分配到不同的簇。每个簇中的节点会进行数据交换，各个传感器节点负责对数据的感知与采集，数据以最短路径原则沿着其他传感器节点逐跳地进行传输。每个传感器节点的覆盖范围必须包含另外两个节点，以防传输线路中有节点出现故障时，数据的传输中断。在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，多跳到每个簇的汇聚节点，然后传到网关节点[3]。网关节点与远程数据中心通过GPRS网络进行通信，远程数据中心的管理员通过对收集到的数据进行分析处理，做出判断与决策。

2 网络节点设计

2.1 硬件设计

在自组织网络中，每个传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源构成。每个传感器负责对周围环境数据进行感知与采集。处理器对传感器采集的各种数据经过滤波、放大后发送给无线通信模块，并控制整个传感器节点的运行。无线通信模块不仅要满足数据传输，还要节省能量，而无线信号收发消耗的能量远远大于静止时消耗的能量，节省能量的关键在于减少无线数据的发送量，因此设计时加入数据存储、数据融合等功能，以减少数据发送量[4]。电源则对整个传感器节点的运行提供能源，保证节点正常运行。节点结构如图2所示。

图2 传感器节点结构图Fig.2 Structural diagram of sensor node

2.1.1 数据采集模块

数据采集模块主要由土壤湿度、环境温湿度、叶面湿度等传感器及模数转换器等部分组成。土壤湿度传感器用于监测水果种植区域的土壤水分，环境温湿度传感器和叶面湿度传感器分别用于监测水果生长环境中的温湿度和叶面水分蒸腾量，保证水果能在合适环境中生长。温、湿度传感器采用深圳飞比科技“感应兄弟”的温湿度传感板，以便同时实现环境参数中温度与湿度数据的采集。温度采集精度为±0.5℃，采集范围－40～125℃；湿度采集精度为±3.5%RH，这足以满足果园环境监测的需要。温湿度传感器将环境参数的物理量转换成电信号，接着进行放大处理，适合于A/D转换，经过转换后，传给处理器，也便于处理器的运算处理。

2.1.2 数据处理模块

处理模块是整个节点的中心，由处理器和存储器组成，处理器的性能决定整个节点的性能，故采用Ramtron公司的VRS51L2070的处理器。它结合了速度高达40MIPS的单周期8051内核、有众多的数字外设，是目前市场上最快的处理器之一。采用与8051兼容的指令系统，可以方便地实现程序移植。在相同的内核与相互兼容的指令系统的基础上，采用双向两线串行数据接口与CC2530_Zigbee模块进行通讯。利用其高速的处理能力，容纳大量的数据信息，以提高信息的实时性，并保持数据传输通畅。

2.1.3 无线通信模块

无线通信模块使用自身有业界标准的增强型8051MCU内核的处理器，并采用低功耗CMOS工艺生产的CC2530系统芯片，支持 2.4 GHz IEEE.802.15.4标准[5]，有多达 256 kB字节的闪存空间，享有8 kB的RAM空间，有串口及LED显示灯，结合一个完全集成的高性能的RF收发器，有优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性。它负责与其他传感器节点或汇聚节点进行通信，交换信息和收发采集数据，可以实现多点对多点的快速组网。LED显示灯可以显示与网络连接状态，通信采用标准的串口，数据通过串口传输。利用CC2530在不同工作模式间能够短暂转换的功能，以及较少的外设，进一步保证降低能量损耗。通信模块结构如图3所示。

图3 通信模块结构图Fig.3 Structural diagram of communication module

2.2 软件设计

在文献[6]的基础上进行如下设计。无线传感器网络节点的数据传输采用基于802.15.4标准的ZigBee无线传输协议，使用API操作模式。API操作模式通常应用于较复杂的网络传输，通过改变目标地址来实现点对多点的数据传输任务，传输结束后返回确认信息（或已发送成功，或发送失败）。接收数据时可以额外接收到发送端模块的发送信息，对节点进行远程参数配置后，实现整个网络信息系统的在线参数配置，分配系统资源。

无线传感器网络节点的工作过程如图4所示。节点的初始化主要包括振荡器初始化、I/O口初始化、串口初始化（UART0，UART1和USB初始化）和定时器初始化。接着节点会侦听网络，并请求加入，获得分配地址。传感器网络节点平时处于休眠状态，此时整个节点消耗能量相对较少。 当传感器设备要采集数据时，节点被唤醒，开始采集数据，确认采集到后，将数据进行简单的处理、储存，并在设定的时间内，尝试把数据发送出去，当成功发送后，则处于空闲，又回到休眠状态。

图4 节点工作过程流程图Fig.4 Flow chart diagram of sensor node working

数据采集与处理流程如图5所示。当要开始进行数据采集时，节点会上电启动，初始化各端口、串口，然后CC2530芯片进行初始化，信道参数会被设置好，当为接收模式时，传感器就进行数据的采集，采集信息完成后，将有关的数据提炼出来，储存着，等待其他数据。设为发送模式后，则将数据发送。

图5 数据采集与处理流程图Fig.5 Flow chart of data acquisition and sending

当无线传感器网络比较复杂时，每个节点需要担负额外的数据转发和数据处理等任务。这时，VRS51L2070的处理器与CC2530芯片以高速的运算处理能力，通过兼容的指令系统，可以达到完美的配合。转接的数据转发、处理任务能够得到快速解决，不至于引发数据转发滞缓或局部网络瘫痪的现象，可以较好地保证实时性，提高信息可靠性。

3 网关节点设计

网关节点的主要任务是处理并发送采集的数据。网关节点的处理能力、存储能力和通信能力必须比较强，它一方面通过CC2530芯片与传感器网络相连接，另一方面通过GPRS通信模块与Internet外部网络连接。实现两种协议直接的转换，发布远程数据中心的监测任务，也要把收集到的数据发送到与Internet网络相连的远程数据中心。GPRS与Internet网络的无缝连接，可以达到数据连续传输的目的。

网关节点主要由芯片模块、处理器模块、GPRS通信模块、电池4部分组成，其结构如图6所示。其中处理器模块和芯片模块都与传感器节点的设计布局相同，GPRS通信采用西门子公司的MC55 GPRS模块，它是当今市场上尺寸最小的三频GPRS模块之一，完美地支持语音通信和短消息方式通信的功能，可以用于实现实时通信与手机信息交互的功能，以便及时地处理情况，更好地照料果园。同时CC2530也可以通过串口将数据上传到计算机，采用MAX3232对RS232电平和TTL电平进行转换，上传数据时，TTL电平转换为RS232电平，远程数据中心下发命令时，RS232电平转换为TTL电平。

图6 网关节点模块结构图Fig.6 Diagram of the gateway node module design

MC55内嵌的TCP/IP协议与Internet网络的协议相同，易与Internet网络相连，实现从网关到远程数据中心的通信。传感器网络监测到的数据，经过处理后，编辑为短消息格式，能够直接发送到监控人员的手机上，这样监控人员在任意时间、地点都可了解果园的情况，增强了监控人员的灵活性，大大提高了处理突发事件的效率。

4 GPRS技术

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，在GSM协议构架的基础上增加支持分组交换的协议，实现分组无线通信。GPRS远程数据的转发，通过另一个异步串行端口连接GPRS通讯模块。实现GPRS远程数据通信，自下而上完成驱动层、协议层和应用层的设计。应用层在网络连接建立后，能够实现向远程数据中心转发数据的功能[7]，与之同时连接的SIM卡也能将数据发送到手机上。

5 实验结果

表1 实验数据Tab.1 Experiment results

为了测试节点功能，在小树林里进行实验。选用5个飞比温湿度传感器节点，一个扩展板汇聚节点，一个网关节点和笔记本电脑形成监测平台。实验数据通过串口传到上位机，在上位机上可以实时看到数据，实验显示，在树林里传输距离能够达到80 m，可以满足果园环境监测的需要。实验时，收集到的数据如表1所示。

6 结束语

文中针对果园提高产量及质量的需求，设计了基于无线传感器网络的环境监测系统，用于果园环境参数的实时监测。着重介绍了，无线传感器网络的体系结构、节点的软硬件设计以及通过GPRS技术远程传输。无线传感器网络利用节点功耗低、工作时间长、成本低等特点，实现在线监测，为果园科学的种植提供科学依据。

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[4]尹令，刘财兴，洪添胜，等.基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计[J].农业工程学报，2010，26（3）:203-208.YIN Ling，LIU Cai-xing，HONG Tian-sheng，et al.Design of system for monitoring dairy cattle’s behavioral features based on wireless sensor networks[J].Transactions of the CSAE，2010，26（3）:203-208.

[5]章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点 [J].计算机系统应用，2011，20（7）:184-187.ZHANG Wei-cong，YU Xin-wu，LI Zhong-cheng.Wireless network sensor node design based on CC2530 and ZigBee protocol stack[J].Computer System Applied，2011，20（7）:184-187.

[6]沈君黎，朱华，姚明海，等.面向应急环境监测的无线传感器网络节点设计[J].机电工程，2010，27（11）:65-70.SHEN Jun-li，ZHU Hua，YAO Ming-hai，et al.Design of wireless sensor network node for emergency environmental monitoring[J].Journal of Mechanical&Electrical Engineering，2010，27（11）:65-70.

[7]刘卉，汪懋华，王跃宣，等.基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发 [J].吉林大学学报，2008，38（3）:604-608.LIU Hui，WANG Mao-hua，WANG Yue-xuan，et al.Development of farmland soil moisture and temperature monitoring system based on wireless sensor network[J].Journal of Jilin University，2008，38（3）:604-608.