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(2)

水分传感器

输出信号：ｏ～１．５ＶＤＣ工作电压：５～１２

ＶＤＣ

工作电流：３５ｍＡ左右

ＳＴｌ０土壤单位：℃

温度传感器

量程；一２０～５０

测量精度：土ｏ．５

图３传惑器节点

Ｆｉｇ．３

Ｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅ

（２）板载软件设计

无线传感器网络应用短距离无线通信技术，ＺｉｇＢｅｅ协议是由ＺｉｇＢｅｅ联盟制定的用于短距离无线通信技术标准之一。协议的物理层（ＰＨＹ）和媒体接人层（ＭＡＣ）采用ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议，网络／安全层实现ＰＡＮ（个人域网）的组网连接、数据管理和网络安全，应用层为实际应用提供框架模型。ＺｉｇＢｅｅ有３个工作频段，其中２．４

Ｈｚ

为全球通用免费的ＩＳＭ频段。ＺｉｇＢｅｅ协议主要用于低能耗、低成本设备的低速互连［Ｉ］。ＺｉｇＢｅｅ协议特点符合农田监测网络的应用要求。

为支持ＪＮ５１２１模块系列开发，Ｊｅｎｎｉｃ公司提供了专门的软件开发平台以及ＩＥＥＥ

８０２．１５．４

和ＺｉｇＢｅｅ网络堆栈。设计中采用了网状网拓扑结构，网关节点内嵌的ＪＮ５１２１模块作为ＺｉｇＢｅｅ协议监测网络的协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ），负责配置网络参数、启动网络并维持网络正常工作；在传感器节点中，为了满足网络覆盖，同时尽可能降低节点能耗和节约成本，将少量传感器节点充当路由器，完成传感器数据采集和路由其他设备数据到协调器的功能，而大部分传感器节点作为终端设备，只采集传感器数据并发送给附近的路由器或协调器。在程序设计中，用户只需根据设计目标，

万　

方数据调用ＺｉｇＢｅｅ协议栈的ＡＰＩ应用编程接口函数实现网络管理层的设备初始化、配置网络、启动加入网络、路由功能，其中消息传播和路由发现是自动完成的，用户无法干预。另外还需定义应用配置文件。图４为协调器和路由器初始化及通信的简化程序设计流程图。另外为满足应用需求，在设计过程中还涉及到时间同步、节点休眠与唤醒等算法的实现。

初始化

初始化

无线电通道、１６位短地址

无线电通道、１６位短地址

串行口

Ａ／Ｄ设备

ＺｉｇＢｅｅ协议栈、启动ＢＯＳ

ＺｉｇＢｅｅ协议栈、启动ＢＯＳ

＋

●

定义配置文件定义配置文件注册节点为协调器

注册节点为路由器

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叫Ｂｏｓ事件驱动处理

舶

Ｂｏｓ事件驱动处理接收数据．消息触发

定时器触发读取ＡＤ通道电压＋

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通过串口上传数据

通过无线电发送数据

：

圈４程序流程图

Ｆｉｇ．４

Ｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ

与传感器节点相比，网关节点要求较强的处片上资源的ＡＲＭ９微处理器￥３Ｃ２４１０为核心，根（１）无线传感器网络数据汇聚。通过异步串

！

ＲＳｌ３２

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电源输入

：

图５网关节点结构框图

Ｆｉｇ．５

ＧａｔｅｗａｙＢｏａｒｄＢｌｏｃｋ

Ｄｉａｇｒａｍ

２．２网关节点

理能力和运行速度，因此设计中选择了具有丰富据功能需求，扩展硬件通讯接口，网关节点的结构框图如图５所示，并针对功能设计，采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统完成定制开发。嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统支持有内存保护、多任务、多进程，并且具有源代码开放、支持大部分芯片、操作系统可裁剪、性能稳定、功能强大、易于移植和开发等优

点‘引。

温湿度 测量 采集

第３期

刘

卉，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

’６０７‘

行端口连接作为ＺｉｇＢｅｅ网络协调器的ＪＮ５１２１无线通信模块，网络协调器功能由ＪＮ５１２１板载程序自行完成，嵌入式Ｌｉｎｕｘ只需完成串口数据通信功能。

（２）ＧＰＲＳ远程数据转发。通过另一个异步串行端口连接ＧＰＲＳ通讯模块ＳｉｅｍｅｎｓＭＣ３５ｉ。实现ＧＰＲＳ远程数据通信需要自下而上完成驱动层、协议层和应用层设计。在配置嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核时选中支持串口设备实现对ＭＣ３５ｉ

模块的驱动；嵌入式Ｌｉｎｕｘ内核支持ＰＰＰ（Ｐｏｉｎｔ

ｔＯ

Ｐｏｉｎｔ

Ｐｒｏｔｏｃ０１）协议和ＴＣＰ／ＩＰ协议，在编译

Ｌｉｎｕｘ内核时选中支持这些选项；应用层在网络连接建立后，具体实现向远程数据中心转发数据的功能［“。

（３）传感器网络数据本地存储。采用了ＵＳＢ接口存储方式，具有容量大、可扩展、热插拔的优点。

（４）电源输入。供电部分仍采用太阳能电源，由于网关节点能耗较大，选择了功率为８Ｗ的太阳能电源组件，同时还需要进行硬件设计优化，以

降低能耗。

３远程数据中心的实现．

远程数据中心为一台具有固定公网ＩＰ地址的计算机，在其上运行的基站数据管理软件是设

计的核心。３．１开发环境

基站数据管理软件选择了Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

Ｖｉｓｕａｌ

ｃ＋＋６．０作为开发工具，采用数据库操作方式实现节点数据存储和读取。同时为了实现对分布在农田中的监测节点所采集的定点数据进行时空分析，集成地理信息系统功能，采用了ＥＳＲＩ公司

的ＡｒｃＯＩＳＥｎｇｉｎｅ嵌人式组件库。

ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ由ＡｒｃＯｂｊｅｃｔｓ核心包封装组成，可在各种编程接１２１中调用，并且无需安装ＡｒｃＧＩＳ桌面平台。与低端的地图控件相比，ＡｒｃＥｎｇｉｎｅｅ除了提供基本的制图、数据编辑和ＧＩＳ功能外，还支持空间分析和３Ｄ分析等高级操作功能口］。

３．２功能模块

基站数据管理软件主要实现数据的接收、存储和时空分析，根据功能需求，划分成如下模块：

（１）数据接收模块。网关节点与基站之间采用ｃ／ｓ客户端服务器工作模式，基于Ｓｏｃｋｅｔ编程技术，监听本地ＩＰ地址的绑定端口，在确认客户

万　

方数据端即网关节点的连接请求后，接收数据，并根据自定义数据包协议完成数据解析。

（２）数据库存储模块。根据数据的采集时间，采用时段划分的数据存储管理方式，将解析数据存储到数据库对应表格的对应属性字段中。

（３）监测量时间变化分析模块。从数据库表中读取监测量数据，以时间为横轴，绘制监测量随时间变化的曲线，分析监测量连续变化的特性。

（４）监测量空间变异分析模块。课题创新点之一是将ＧＩＳ管理分析功能融入到无线传感器网络应用设计中。与灾害预警应用不同，农田无线传感器网络监测旨在通过节点位置上的环境变量采样估计其他非节点位置上的数据，生成环境变量的空间分布图。目前在每个节点中嵌入ＧＰＳ模块，成本过 …… 此处隐藏：2090字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……