基于WSN的农业无线感知系统设计

陈 智

(兰州信息科技学院 电气与电子工程学院,甘肃 兰州 730000)

0 引言

智慧农业是农业与信息技术的高度融合,是以无线网络为基础、大数据为驱动力的新兴农业生产模式[1]。智慧农业主要应用集中在农业的可视化远程控制、远程诊断、灾变预警等。通过在现场布置的各种温度、湿度、光照、风速、视觉等传感器所构成的无线网络,实现对农作物全方位、全时间的远程监测。同时,利用大数据进行人工智能分析,可以直接实现生产自动化、种植精细化,还可预测市场发展动向,助力种植决策的制定等。

1 WSN应用分析

智慧农业首要任务是解决前端各种农业数据的采集问题,通过不同角度、不同层面的数据分析,进而实现智能化、精细化的现代农业生产。近年来,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的快速发展,为智慧农业数据采集提供一种新的思路[2]。WSN可在农业监测区域内部署大量的传感器节点,各个节点之间通过短距离无线通信技术构成无线传感器网络,将感知的农业数据通过无线方式发送给计算机系统进行智能分析与处理,WSN结构如图1所示。传感器节点通过电池独立供电,具备传感器和路由器的双重功能。汇聚节点是无线传感器网络的管理中心,负责汇总传感器节点发来的数据,实现传感器节点网络与其他网络的连接,完成通信协议的转换。传感器节点感知的数据沿着其他传感器节点无线传输,经过多跳路由后到达汇聚节点,再由汇聚节点通过互联网发送给上位机进行分析与处理。

图1 无线传感器网络结构

2 ZigBee技术分析

无线传感器网络数据传输量较小,要求无线数据传输系统成本低、功耗低、简单可靠,传统的移动通信网络成本太高,蓝牙技术组网规模小、成本高、功耗大、距离短,Wi-Fi技术同样存在成本高、功耗大、距离短的缺点,因此,IEEE制定了IEEE 802.15.4标准,该标准数据传输速率低,经济高效,工作于2.4 GHz、915 MHz和868 MHz频段。ZigBee正是基于IEEE 802.15.4标准的一种短距离无线通信技术,主要具备以下特点:(1)工作频率为2.4 GHz、915 MHz和868 MHz时,对应数据传输速率分别为250 kbps、40 kbps和20 kbps,满足数据传输速率低的要求;(2)通过简化通信协议和降低通信速率,使通信电路成本进一步降低;(3)不执行工作任务时处于休眠状态,从休眠状态转入工作状态仅需15 ms,节点接入网络仅需30 ms,响应速度极快,功耗极低,两节5号电池即可工作长达2年;(4)网络容量大,星形结构可达255个节点,网状结构可达65 000个节点;(5)节点间通信距离最高75 m,扩展后可增加至几千米,还可以与移动通信网、互联网等连接[1,3]。因此,对于WSN节点间的通信而言,不论成本还是功耗,ZigBee技术都明显优于移动通信、Wi-Fi和蓝牙技术。

3 系统方案设计

ZigBee作为一种短距离无线通信技术,具有功耗低、成本低、延时短、容量大、可靠性高的优点,通信距离也能满足农业监测需求。本设计采用ZigBee技术实现无线传感器网络,通过在农业监测现场布置多种类型的传感器,如空气湿度传感器、空气温度传感器、光照传感器、CO2传感器、风速传感器、土壤湿度传感器、土壤温度传感器、土壤pH值传感器等,实现对农作物全方位、全时间的远程监测,并且在远程终端显示数据。系统整体架构如图2所示,终端节点(传感器)负责感知农业环境数据,监测到环境参数变化时唤醒,对采集的数据做基本处理,然后通过路由器节点将数据传输到协调节点,协调节点接收到终端节点发送的数据后做进一步处理,并采用串口通信将数据发往信息处理中心。当终端节点与协调节点之间不存在数据传输时,终端节点处于休眠状态,以便降低功耗。信息处理中心由串口服务器和计算机系统组成,负责农业环境数据的存储、分析、处理以及农业生产的决策控制等。

图2 系统整体架构

4 ZigBee网络节点硬件设计

基于ZigBee的WSN中节点分为3种类型:协调节点、路由节点、终端节点。协调节点是整个网络的控制中心,负责建立网络、设置参数、管理节点等。路由节点负责路由发现、数据转发、数据采集等。终端节点负责采集数据、发送数据等,只能加入已建立好的网络。IEEE802.15.4标准定义了两种节点设备,分别是全功能设备(Full Function Device,FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device,RFD),协调节点、路由节点、终端节点均可采用FFD,而RFD只能实现终端节点。此外,FFD通信对象既可以是FFD,也可以是RFD,但RFD只能与FFD进行通信[3-4]。

节点硬件结构设计如图3所示,终端节点/路由节点由传感器、微控制器和ZigBee发射模块组成,协调节点由ZigBee接收模块、微控制器和串口转换电路组成。工作过程:微控制器控制ZigBee发射模块将传感器感知的数据传送至ZigBee接收模块,然后通过串口转换电路传送至服务器和计算机系统进行分析与处理,节点采用太阳能电池供电。

图3 节点硬件结构

节点微控制器采用STM32F103C8T6芯片,它是一款基于 Cortex-M3 内核的32位处理器,具有性能高、功耗低的优点,用于控制传感器和ZigBee发射模块。ZigBee发射和接收模块采用CC2530F256芯片,该芯片是适用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee的片上系统,集成了2.4 GHz DSSS射频收发器、8051单片机内核、256 KB存储器及多种外设(如USART、ADC等),不但功能强大,而且能够满足2.4 GHz ZigBee频段应用对低成本、低功耗的要求,串口电平转换电路用MAX3232实现。为了方便进行系统功能测试,本设计实际测试平台搭建时,采用的传感器分别是空气温度传感器和土壤湿度传感器。空气温度传感器采用型号为DS18B20,测量范围为-55 ℃～+125 ℃。土壤湿度传感器采用型号为YL-69,测量范围为0～100%。系统硬件电路原理如图4—7所示。

图4 STM32F103C8T6最小系统

图5 ZigBee模块连接电路

图6 土壤湿度传感器模块连接电路

图7 空气温度传感器模块连接电路

5 ZigBee网络组建软件设计

ZigBee组网方式主要有3种,分别为星状网、树形网和网状网[5]。星状网采用一个网络协调器,负责网络建立和网络管理,网络结构相对简单,网络组建相对容易,星状网拓扑结构如图8所示,其中黑点为FFD,白点为RFD。

图8 星状网拓扑结构

ZigBee网络组建软件设计:首先,初始化硬件和MAC层;其次,终端节点和路由节点发出入网请求,网络协调器收到请求后负责分配节点地址,并发送地址确认信息,如果收到地址确认信息,则成功加入网络,同时记录节点信息,组建流程如图9所示。在星状网中,节点通过网络协调器加入ZigBee网络,形成父子关系,也称主从关系,父节点会为加入网络的每个子节点分配一个唯一的16 bit地址。ZigBee网络路由(ZRB)采用基于Cluster-Tree与简化的按需距离矢量路由(AODVjr)相结合的路由算法,以便进一步降低成本和功耗[3,6]。

图9 网络组建软件设计

图10 实时数据采集记录

ZigBee网络组建完成后,开始通过传感器进行农业环境数据监测,同时将数据发给协调节点,协调节点通过串口转换电路将数据传送至服务器和计算机系统进行分析与处理。

6 系统功能测试

实际测试时,终端节点采用12 V锂电池供电,并利用DC电源转换器输出3～5 V直流电压,测试距离在50～100 m。为了便于记录数据,在终端节点侧人为干预温度和湿度。根据上位机数据监测平台显示的实时数据采集结果,可以看出本系统能够实现农业环境下空气温度和土壤湿度的实时监控。

7 结语

智慧农业首要任务是解决前端各种农业数据的采集问题,通过不同角度、不同层面的数据分析,进而实现智能化、精细化的现代农业生产。本文针对上述问题,提出了一种基于WSN的农业无线感知系统设计方法,采用ZigBee技术组建无线传感器网络,通过在农业监测现场布置多种功能不同、性能不同的传感器,实现对农作物全方位、全时间的远程监测。