基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计

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1、基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计DesignofPrecisionAgricultureEnvironmentMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetwork吕立新1,2汪伟2卜天然2(1.安徽大学计算机科学与技术学院安徽合肥230039;2.安徽商贸职业技术学院电子信息工程系安徽芜湖241000)摘要：在充分研究现有农业环境监测系统的基础上，将基于ZigBee的无线传感器网络技术应用于精准农业环境监测领域，给出了农业环境监测系统的组网方案，重点设计了基于MSP4300和CC2420芯片的传感器节点硬件结构和软件流程，系统可以

2、对目标监测区内的温度、湿度、光照度等农业环境信息进行快速、可靠的远程采集和传输。解决了传统农业环境监测信息存储的有限性和移动测量的不便性等问题，为精准农业环境监测提供了一种有效的解决方案。关键词：无线传感器网络精准农业ZigBee环境监测1引言精准农业(PrecisionAgriculture)的基本涵义是根据作物生长的环境状况，调节对作物的投入，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境。准确实时的信息供给是精准农业的必须前提。精准农业的实现首先在于认识农田内农作物生长环境和生长情况的差异，而这必须依赖于各种先进的传感器，如大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射、

3、作物生长情况、作物产量等各种类型传感器。如何将这些传感器采集的信息及时准确地收集，为农业专家提供决策并制定农田变量作业处方的主要数据源和参数，一直是一个难题。近年来,出现了许多采用无线公共网络和无线网络等无线通讯方式进行农、林、牧业的远程监测的研究。这些无线通信技术的优势是传输速度快、信息量大、可远距离传输，但都存在功耗高、时延长、通信费用高等因素制约，使其很难广泛地应用到农业环境监测中。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，传感器节点具有数据采集处理，无线通信和自动组网的能力，协作完成大型或复杂的监测任务。无线传感器网络有监测精度高、低功耗、低成本

4、、实时性好、高容量、覆盖区域大等显著优点，非常适合于农业环境监控系统的实现。本文在对现有农业环境监测系统和无线传感器网络充分研究的基础上，应用ZigBee技术设计了一种基于的无线传感器网络的农业环境监测系统，系统可以对目标监测区内的温度、湿度、光照度，CO2浓度等农业环境信息进行快速、可靠的远程采集和传输。2系统总体设计2.1系统体系结构基于无线传感器网络的农业环境监测系统由无线传器节点、无线网关和监测中心服务器三部分组成。ZigBee明确定义了星形、簇状和网状3种拓扑结构。为减小能量损耗和数据包丢失，本文采用簇状网络拓扑结构和层次路由协议。具体做法是将监测目标区域中的所有传感

5、器节点分为若干个簇，每个簇相当于是一块较为固定的自组织网络。簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。根据传感器节点在网络中扮演的角色不同，又将它们分为底层普通节点、簇首以及网络协调器3种类型。其中底层普通节点将采集到的数据跳传至本簇的簇首，簇首主要完成数据融合和转寄数据包，可以将其所辖簇的底层普通节点采集的数据融合处理并发送给就近的网络协调器，同时还可以将网络协调器发送给其的数据包向其所辖的簇广播。簇首应位于所划分的簇的较为中心的位置，使得每个节点和它的传输距离大致相同，各个节点的功耗分布较为均匀，从而避免某些节点由于传输距离较远而造成能量的过多消耗。网络协调器主要负责建网以及设

6、备注册和访问控制等基本的网络管理功能。系统的体系结构如图1所示。2.2系统工作过程系统工作时首先由监测中心服务器发出对农田环境各项指标进行查询的请求命令，通过Internet和GPRS网络传到网关节点。网关节点根据请求命令的具体要求，选择对应的网络协调器，接着网络协调器根据命令选择所要查询的簇，当簇首节点收到控制命令以后，唤醒并激活本簇内的所有节点，进行数据采集和通信。节点及时采集数据，经过数模转换后发送给本簇的簇首节点，簇首节点对传来的数据进行融合，然后将融合后的数据发回到网关节点，继而通过外部网络传给监测中心服务器。监测中心对数据进行处理、分析，并存入环境信息数据库，为以后

7、的分析决策提供数据资源。3硬件系统设计3.1传感器节点硬件设计传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。本文中的传感器节点是由传感器模块、主处理模块、无线通讯模块和电源四部分组成。传感器模块负责采集温度、湿度、光照度等参数和数据的模数转换。主处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理从它自身采集来的数据以及其他节点发送来的二进制信息，无线通讯模块负责与其他的节点进行通讯，交换控制信息和收发数据。电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。其硬