（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络在农业环境监测中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现代农业的发展使农业种植的区域更加集中，规模更大，品种更多，一部 分野生农作物的培育还必须在野外。这给农业技术人员的种植培育增加了难度 和管理成本。在深入研究无线传感器网络( w s n ) 的基础上，结合当前农作物 种植的各项关键技术要求，设计并实现了基于无线传感器网络的农业环境监测 系统。利用无线传感器网络对农作物生长进行监测，采集它们在生长周期内的 光照、湿度、温度等数据，以便农业人员及时调整农作物的生长环境，从而在 较大程度上保证农作物具备适宜的生长环境，使农作物获得丰收，农民收入增 加。 通过对农作物生长环境的深入分析，结合无线传感器网络技术的特点和优 势，在分析系统功能基础上，提出了农业环境监测系统的总体方案，分析了农 业环境监测无线传感器网络的体系结构、硬件结构和软件结构；根据农业环境 的特点对农业环境监测节点进行了详细而深入的研究，提出并实现了基于低功 耗微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 和短距离r f 收发器芯片组r f w l 0 2 的节点硬件设计 和软件设计。根据应用需求，节点硬件电路增加了温度、湿度、光照传感器电 路，在节点的软件设计中，编写了数据采集模块、数据传输模块。为了进行采 集数据分析，开发了基于数据库的管理信息系统。 研究与设计中，对网络覆盖度和连通度进行了深入研究，利用启发式思想 和最短路径搜索( d i j k s t r a ) 思想提出了一种低复杂度的覆盖连通算法，并与 m a t l a b 仿真的整数规划算法作了比较；通过对已有无线传感器网络路由协议 的深入研究，从能量有效路由的角度提出了一种快速可靠的树状结构的层次路 由协议，同时考虑了路径的能量消耗最小化与网络的能量均衡性能，最后利用 软件仿真平台对其进行了性能仿真，并与定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 路由协 议作了比较；最后研制了以无线传感器网络为基础的农业环境监测系统。 关键词：传感器；环境监测；无线传感器网络；农业领域 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fm o d e ma g r i c u l t u r ep r o m o t e dt h ec r o pp l a n t a t i o nb e c o m i n gm o r ec o n c e n t r a t e d , l a r g e ri ns c a l ea n dm o r ed i v e r s i f i e di nb r e e d s o m ec u l t i v a t i o n so ft h ew i l dc r o ph a v et ob ec a r r i e d o u ti nt h eo p e na r e a , w h i c hb r i n gm o r eh a r d s h i pa n dm a n a g e m e n tc o s t st oa g r i c u l t u r a lt e c h n i c i a n s f o r t h ec u l t i v a t i o na n dp l a n t a t i o n b a s e do ni n t e n s i v es t u d yo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i n t e g r a t e dw i t he v e r yk e yf a c t o r so ft h ec r o pp l a n t a t i o nt e c h n o l o g y , w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dt h e a g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k u s ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt om o n i t o rt h eg r o w t ho fc r o p s ，t oc o l l e c tt h el i g h te x p o s u r e ，h u m i d i t y , t e m p e r a t u r ea n d o t h e ri n f o r m a t i o nt op r o v i d ec o n v e n i e n c ef o ra g r i c u l t u r a lt e c h n i c i a n st oa d j u s tt h ec r o pp l a n t a t i o n s g r o w i n gc o n d i t i o n s , i nt h i sw a y t og u a r a n t e et h eo p t i o n mg r o w i n ge n v i r o n m e n tf o rc r o pp l a n t a t i o n i na n y g r e a td e g r e e ，a n dt h eh a r v e s t o ft h ec r o p , s ot h ei n c r e a s eo ft h ef a r m e r s e a r n i n g s a f t e ri n t e n s i v ea n a l y s i so nt h ec r o pg r o w i n ge n v i r o n m e n t , i n t e g r a t e dw i t ht h ea d v a n t a g e so f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fs y s t e mf u n c t i o n , w eh a v et h eg e n e r a l p l a n n i n go ft h ec r o pe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m , a n a l y z e do nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r e s t r u c t u r e ，a n ds o f t w a r es t r u c t u r eo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b a s e do nt h ea g r i c u l t u r a l e n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，i n t e n s i v es t u d yh a sm a d eo nt h ec r o pe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gn o d e s , a n dr e a l i z e dt h el o wp o w e rc o n s u m p t i o nm i c r o - p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f14 9a n dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nf o rt h en o d eo fs h o r td i s t a n c er ft r a n s c e i v e rc h i ps e to fi 心w10 2 b a s e do nt h e a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，t h ec i r c u i t so ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , i i g h ts e n s o rh a v eb e e na d d e dt ot h e n o d e sh a r d w a r ec i r c u i t d a t ac o l l e c t i o na n dd a t at r a n s m i t t i n gm o d e l sa r ep r o g r a m m e di nt h e s o f t w a r ed e s i g nf o rt h en o d e t h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e df o rt h ea n a l y s i so f t h ec o l l e c t e dd a t a i n t e n s i v e l ys t u d i e dt h en e t w o r kc o v e r a g ea n dc o n n e c t i v i t y , p u tf o r w a r dal o w - c o m p l e x i t y c o v e r a g ea n dc o n n e c t i v i t ya l g o r i t h mw i t ht h em i n do fe l i c i t a t i o na n ds h o r t e s tp a t hs e a r c h ( d i j k s t r a ) i nt h er e s e a r c ha n ds t u d y , a n dc o m p a r e dw i 吐lt h ee m u l a t i o n a li n t e g r a lp r o g r a m m i n ga l g o r i t h mf r o m 眦l a b d e e p l yr e s e a r c h e do nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c 0 1 f r o mt h ep o i n to f e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n g , 8 1 1e 伍c i e n ta n dc r e d i b l el a y e rm u t i n gp r o t o c o lo ft r e es t r u c t u r ew a s b r o u g h tf o r w a r d m e a n w h i l e ，p u tm i n i m u mp a t he n e r g yc o n s u m i n ga n de n e r g ye q u a l i z a t i o n p e r f o r m a n c ei n t oc o n s i d e r a t i o n p e r f o r m a n c es i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u to ns o f t w a r es i m u l a t i o n p l a t f o r i l l a n dc o m p a r e dw i n lt h ed i r e c t e dd i f f u s i o nr o u t i n gp r o t o c 0 1 f i n a l l yd e v e l o p e dt h e a g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 1w i r e l e s ss a a _ s o rn e t w o r k k e yw o r d s ：s e n s o r ；e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；a g r i c u l t u r e 江苏大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学 可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团 学位论文作者签名：杨诚 2 0 0 7 年1 2 月1 0 日 指导教师签名：陈祖爵 2 0 0 7 年1 2 月1 0 日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杨诚 日期：2 0 0 7 年1 2 月l o 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 由于现代农业的发展必须走规模化生产经营之路，这使农业种植的区域更加集中， 规模更大，品种更多，部分野生农作物的培育还必须在野外。这给农业技术人员的种植 培育增加了难度，提高了管理成本。为了使农作物获得增产丰收，必须使农作物长久生 长在适宜的环境里，这就要利用监测系统随时采集农作物生长期内的环境参数，与其正 常生长所需的环境参数作比对，及时调整环境条件。而传统的监测系统造价昂贵，体积 庞大，通常要在监测区域布线，在电源供给困难的区域不易部署，同时在一些人员不能 到达的区域也很难进行监测。而且部署一旦完毕就很难再根据新的监测需求灵活改变布 局。 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞 速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、农业和 宇航各个领域u3 。无线传感器网络是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体，集传 感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源( 计算、存储和能源) 受限的嵌 入式设备1 。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络 分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传给需要这些信息的用户n 3 。 传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大，节点分布密 集。传感器网络在军事侦察、环境监测和预报、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、 工业生产控制、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理、大型工业园区的安全监测 等领域有着广阔的应用前景h 。随着传感器网络的的深入研究和广泛应用，传感器网络 将逐渐深入到人类社会生活的各个领域。 无线传感器网络的研究起始于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 0 0 0 年起，国际上开始出 现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了传感 器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络 给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网 络研究项目澜。美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研 究工作。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大 的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。我国在传感器网络方面的研究工作虽然起步晚， 江苏大学硕士学位论文 但是近两年发展很快，国内一些高等院校与研究机构已纷纷开展无线传感器网络的相关 研究工作。支持无线传感器网络的无线通信网络技术、超微型嵌入式实时操作系统等若 干关键技术的研究已经成为现在无线传感器网络应用的研究热点一。 近年来无线传感器网络在诸多领域已经有了一些典型的成功应用： 大鸭岛生物环境监测系统一3 ，大鸭岛位于美国缅因州以北1 5 k m 处，是一个动植物自 然保护区。美国加州大学伯克利分校的研究人员通过无线传感器网络对大鸭岛上海燕的 栖息情况进行监测，从而对海鸟活动与海岛微环境进行研究。 自动洒水系统博1 ，由d i g i t a ls u n 公司设计，是一套自动化无线传感器网络系统， 该系统在没有工作人员管理与控制的情形下，有效且全自动地管理家庭花园内洒水的工 作。该系统很好地解决了人工洒水不适合的洒水问题。 英特尔家庭护理系统一，由英特尔公司研发，用于帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病 患者以及残障人士的家庭生活利用无线通信技术将各传感器节点连网，可高效传递必 要的信息，从而方便护理。 s e n e r a 桥梁安全监测系统h 引，用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。对许 多老旧的桥梁，桥墩长期受到水流的冲刷，传感器可以放置在桥墩底部、用以感测桥墩 结构，也可放置在桥梁两侧或底部，搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程 度等，能减少断桥所造成的生命财产的损失。 s e n s i c a s ts y s t e m s 保安系统n ，是一套用于展览会场物品保护的无线传感器网络 系统，该系统由物件警告系统和环境管理系统组成。物件警告系统的传感器节点安装在 艺术品的底部或背面，通过监测灯光的亮度是否改变、是否遭受震动等因素，来确保展 览品的安全；环境管理系统的传感器节点安装在展览会场的墙角、天花板等地方，主要 用于监测展览室环境的温度、湿度是否超过安全值，以保证展览品的品质。 1 2 目的与意义 农作物的生长与其生长环境密切相关，而温度、湿度、光照等环境参数尤其重要。 动态调整这些环境以最适合农作物的生长要求，对于农作物的大面积丰收具有决定性作 用。传统的调整主要依靠人工来完成，即使配有温度计、湿度计及光照测量仪，也需要 管理人员定时查看统计。对于大面积的农作物种植，显然增加了人力成本，而且工作人 员不可能2 4 小时进行环境监测，实时性不强。这就在一定程度上影响了农作物的增产。 本课题旨在分析和研制适合农业环境监测的无线传感器网络系统，提高监测技术， 2 江苏大学硕士学位论文 利用无线传感器网络在环境监测中的优势，突破传统监测方法和思路，以新技术、低成 本提高科学监测水平，为监测提供可靠科学的监测数据。采用无线传感器网络，布线和 管理相比传统监测技术难度大大降低，投资大幅减少。由于无线传感器网络拓扑结构易 变化，具有自我组织能力，数据采集点可以广泛地分布在不同区域，可以灵活改变监测 布局，从而使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。 农作物生长环境监澳4 需要监测设备能够很长时间对目标环境进行影响很小的工作。 传感器网络节点体积小并只需要部署一次就可以长期搜集监测数据，同时传感器网络节 点数量大并具有一定的数据处理能力和通信能力，可以将大量监测数据发送到数据中心 进行处理。管理实时高效，手段灵活，成本低廉。该课题的实现及推广将对农作物产品 增收起到一定的促进作用。 1 3 研究的主要内容 通过对农作物生长环境的深入分析，提出基于无线传感器网络的农业环境监测应用 系统。实现对农作物生长环境主要参数的实时采集。并将数据提供给农业人员，以便他 们随时掌握农作物的生长环境状态，及时进行调整，使农作物长久生长在适宜的环境， 增加农作物的产量，提高农作物的质量。 由于农作物种植面积广阔，而无线传感器网络的节点能源又有限，所以一旦节点投 放就很难再更换电池，为了使无线传感器网络能使用更长时间，降低成本，减少投资， 在应用研究中节点的节能问题是考虑的关键。论文中的无线传感器网络的覆盖、连通、 路由设计，都围绕这一核心展开。 论文主要内容包括以下几部分：1 ) 通过分析实际需求提出系统的总体设计方案；2 ) 根据无线传感器网络性能指标，结合农业环境的特点进行无线传感器网络节点的设计； 3 ) 通过分析覆盖度、连通度及节点数目的关系，提出低复杂度的覆盖连通算法，并与 整数规划算法的仿真结果作比较，通过分析无线传感器网络已有的路由算法，针对能量 有限问题，提出一种快速可靠的路由协议算法一树状结构的层次路由协议算法，并与 定向扩散路由算法进行仿真对比；4 ) 针对数据统计的需求设计基于数据库的监控中心 管理信息系统；5 ) 对应用系统的主要部件进行性能测试，分析相关性能。 最后对论文进行了总结，指出论文的不足之处并对下一步工作做了简要规划。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 构建一个智能化的环境监测系统是当前无线传感器网络应用研究的一个重要方向， 特别是对于布线困难的区域、被污染的区域、环境遭到破坏的区域等，无线传感器网络 将具有不可替代的作用。随着我国农业科技化、自动化应用的深入，农作物生长环境监 测和干预已经成为农业领域科技应用的一个重点。 2 1 农业环境监测系统架构 农业环境监测系统设计的目的旨在利用无线传感器网络将农作物生长的各种环境 参数值收集到监控中心并进行分析处理，将结果显示在计算机屏幕上，以便于用户观察， 及时调整农作物生长的外界环境；如遇环境参数异常，计算机界面上会弹出提醒窗口， 同时用户可以通过人机交互界面设置和修改提醒阈值，以增加系统的灵活性和实用性。 传感器网络与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。传感器网络是集 成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由 于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑 结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的 能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是 提高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是 能源的高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一“副。 根据农业环境特点提出的监测系统的整体架构如图2 - 1 所示，整个架构包括分布式 传感器节点、网关节点、移动通信网络和互联网、监控中心。无线传感器网络中的节点 通过飞机撒播或人工部署等方式，密集部署在农作物内部及周围。这些处于监测区域的 节点通过自组织方式构建无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的 特定信息，实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。网络通过多跳中继的 方式将数据传到网关节点，进而通过卫星网络艮3 。传输给监控中心，在监控中心处进行集 中处理、统计分析。而分散在各地的移动查询终端可以通过g s m g p r s 网络n 铂口融或因特 网访问监控中心w e b 服务器，查询监测区域的实时数据和统计数据，并在授权方式下向 监控中心发出操作指令，进而由监控中心向节点传达指令。 4 江苏大学硕士学位论文 监控中心 图2 1 农业环境监测系统架构图 该架构具有覆盖区域广泛、检测精度高、可远程监控、可快速部署、可自组织和高 容错性能等优点，加上传感器节点数量庞大、节点分布更密集等特点，使得无线传感器 网络在数据采集的量和质上有很大的保证。 2 2 农业环境监测系统硬件结构 农业环境监测系统硬件由无线传感器网络节点、卫星通信系统以及监控中心服务器 组成。 无线传感器网络节点主要有普通节点和网关节点( 汇聚节点) “剐，普通节点主要完 成现场的数据感知和采集，并且通过路由协议定时将采集数据发送给汇聚节点，并且能 实时接收并响应监控中心发来的指令。其传感器子板上主要有温度传感器、湿度传感器、 光照传感器。汇聚节点通常不带有传感器子模板，它充当整个无线传感器网络的协调器， 主要负责网络的建立和向网络其它节点发布命令。将监测区域内采集到的数据通过卫星 传送到监控中心。 监控中心主要由管理信息系统服务器、w e b 服务器、管理终端组成，用于收集、分 析、监控和显示无线传感器节点数据，并支持信息查询终端的远程访问。 2 3 农业环境监测系统软件结构 农业环境监测系统软件包括节点软件部分和监控中心管理系统软件部分。其结构和 相互间关系如图2 - 2 所示。 5 江苏大学硕士学位论文 图2 _ 2 农业环境监测系统软件结构 节点软件模块主要功能如下： 数据采集模块：通过传感器节点硬件模块实时采集农作物生长环境的温度、湿 度、光照等数据； 数据处理模块：将采集到的原始信息数据进行规格化处理： - 数据转发模块：将普通节点数据传输给汇聚节点； 数据处理转发模块：通过无线传输硬件模块向监控中心发送经过处理的原始采 集数据，同时接收来自监控中心的参数设置命令。 监控中心管理信息系统软件模块主要功能如下： - 数据通信模块：通过无线传输硬件模块接收来自传感器节点采集的原始数据， 同时可向传感器节点发送参数设置命令； - 数据处理模块：把接收到的数据按照指定的格式要求进行转换； 数据存取模块：按要求在相应数据表中进行数据存取： 一 数据分析模块：根据用户要求对数据进行统计分析： 一 数据显示模块：根据用户的统计和查询要求将数据库信息进行相应处理，向用 户提交最终结果。 6 江苏大学硕士学位论文 第三章农业环境监测节点设计 传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用要求下需要配套不同的网络模型、 软件系统和硬件平台。传感器网络是在特定的应用背景下，以定的网络模型规划的一 组传感器节点的集合，传感器节点是为传感器网络特别设计的微型计算机系统。7 1 。 传感器节点是无线传感器网络的基本单元，节点的性能关系到整个系统的性能，因 此节点的设计非常重要。传感器节点的设计包括硬件设计和软件设计，硬件设计是指传 感电路设计、无线收发电路设计、传感器的选取h 剐；软件设计是指传感器节点数据采集 和与监控中心通信程序的设计。 3 1 农业环境监测节点设计要求 3 1 1 农业环境监测节点总体设计要求 农业环境监测节点的设计需要考虑以下几个方面： 1 微型化 农业环境监测节点在体积上尽量小，保证对目标系统本身的特性不会造成影响，或 者所造成的影响可忽略不计。在野外场合甚至需要目标系统能够小到不容易被人察觉的 程度，以减少人为的破坏。 在软件设计方面，所有的软件模块都尽量精简，没有冗余代码。对不同的应用系统 配套不同的软件代码。从操作系统到各种硬件设备的驱动模块，乃至到应用程序模块都 要仔细设计。这些限制都是由有限的硬件资源决定的。 2 、扩展性和灵活性 无线传感器节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件时可以 在现有的节点上直接添加，而不需要开发新的节点。同时，节点可以按照功能拆分成多 个组件，组件之间通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下，选择不同的组件自由 配置系统，这样就不必为每个应用开发一套全新的硬件系统。当然，部件的扩展性和灵 活性应该以保证系统的稳定性为前提，必须考虑连接器件的性能。 软件的扩展性体现在节点上的软件不需要额外的设备就可以自动升级，最简单的方 法就是通过无线接口直接进行软件的下载和升级。无线信息的广播特性可以实现多节点 的同步升级，为节点软件的远程升级提供了便利条件n 蚍。软件模块同样要做到组件化和 可配置。所有的软件模块独立并且有标准的模块接口，这样不同的应用系统可以根据自 7 江苏大学硕士学位论文 身的需要配置满足要求的最小系统。 3 、稳定性和安全性 硬件的稳定性要求节点的各个部件都能够在给定的外部环境变化范围内正常工作。 在给定的温度、湿度、光照等外部条件下，传感器节点的处理器、无线通信模块、电源 模块要保证正常的功能，同时，传感器部件要保证工作在各自正常的工作范围之内。另 外，节点硬件在恶劣环境下要能够稳定工作，一方面系统在各种恶劣的气候条件下不会 损坏另一方面所有测量探头都能够尽量接近监测环境以获得最真实的参数信息。 节点的稳定性还需要在软件上得到保证一方面，软件模块要保证其逻辑上的正确 性和完整性，即本身不存在缺陷；另一方面在硬件出现问题的时候能够及时感知并采取 积极的措施，如系统重新启动或者对采集的数据进行非线性校准等。另外，对于敏感数 据要以密文形式存储和传送，并要有数据完整性保护，以防止外界因素造成的数据修改。 4 、低成本 低成本是传感器节点的基本要求。只有低成本，才能大量地布置在目标区域中，表 现出传感器网络的各种优点。低成本对传感器各个部件提出了苛刻的要求。首先，供电 模块不能使用复杂而昂贵的方案；其次，能源有限的限制又要求所有的器件都必须是低 功耗的；最后，传感器不能使用精度太高、性能很好的部件，这样会造成传感器模块成 本过高。 3 1 2 农业环境监测节点核心部件设计要求 无线传感器节点的体系结构由应用背景模块、传感器模块、无线收发模块和能量供 应模块四部分组成。作为一个完整的微型计算机系统，要求其组成部分的性能必须是协 调和高效的，各个模块实现技术的选择需要根据实际的应用系统要求而进行权衡和取 舍。应用背景对传感器的种类、精度和采样频率提出要求，同时对无线通信使用的频段、 传输距离、数据收发速率提出要求；传感器网络的能源技术则对传感器技术和通信技术 的能耗作出具体的约束，同时要求处理器本身必须是超低功耗的，并且支持休眠模式： 对传感器的选取、应用背景要求的采样频率以及通信技术的数据收发速率对处理器的处 理能力、数据采样速度和精度以及通用i o 控制端口的数量也提出了具体要求；处理器 的选择则由所有这些技术要求所制约。 3 2 农业环境监测节点硬件电路设计 无线传感器网络系统中，每个传感器节点都具有无线通信功能，各个监测点的传感 8 江苏大学硕士学位论文 器单元对此处的参数进行测量，并组成一个无线网络，将测量数据通过该网络以无线方 式传送到监控中心。无线传感器网络系统与传统的有线传感器网络相比，具有耗资小、 安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适合用于对布线困难的区域、人员不能到达 的区域和一些对临时场合的状况进行远程监测。无线传感器节点分布于需要监测的区 域内，执行数据采集、处理和无线通信等工作，网络控制节点接收各传感器的数据并通 过卫星系统将数据传送给监控中心的计算机。 因此传感器节点的基本功能是：能准确地采集环境参数的值并进行初步的处理；接 收监控中心的数据请求命令，将采集的数据发往监控中心；接收监控中心的阈值修改命 令，提取阈值作为执行的判断依据。 3 2 1 农业环境监测节点硬件组成 典型的无线传感器网络节点由数据采集、处理、传输和电源四个主要部分组成业。 传感探测单元负责对监测区域内待测对象的信息采集；微控制单元实现数据的分析、处 理和存储等功能；无线传输单元负责低功耗短距离节点间通信；供电单元选取小型化、 高容量的电池，以确保节点的长寿命和微型化。本方案的具体部件由微功耗微处理器、 微功耗射频收发器、采集部分( 各种传感器) 组成。节点结构示意图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 无线传感器网络节点硬件结构 3 2 2 农业环境监测节点原理图设计 l 、微控制单元 微处理器采用t i 公司i d s p 4 3 0 的f 1 4 9 单片机。t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一种 超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大 9 江苏大学硕士学位论文 的处理能力和丰富的片内外设；带f l a s h 存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿 真和编程。川。m s p 4 3 0 家族分为m s p 4 3 0 x l x x 、m s p 4 3 0 x 3 x x 、m s p 4 3 0 x 4 x x 三个系列。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是m s p 4 3 0 x i x x 系列中的功能最强的单片机。其芯片引脚如图3 - 2 所示。 o v c c p 6 3 ，a 3 p 6 4 a 4 p 6 5 ，a 5 p 6 8 ，a e p 6 7 i a 7 v r e f * l n x o u t v e r e f v r e f j v e r e f p 1 0 ，t a c l k p 1 1 丌a 0 p 1 2 ，t a l p 1 3 ，t a 2 p 1 4 ，s m c l k p 5 4 m c l k p 5 3 ，u c l k l p 5 2 ，s o m p 5 1 ，s i m 0 1 p 5 0 s t e1 p 4 7 厂f b c l k p 4 6 ，t b 6 p 4 5 ，t b 5 p 4 a n l 3 4 p 4 捌t b 3 p 4 力一r b 2 p 4 1 丌b 1 p 4 o ，t b o p 3 7 u r d p 3 彤u t 0 1 p 3 s ，u r x d 0 图3 - 2i s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片引脚图 m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片的基本模块为： ( 1 ) 基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c o ) 和2 个晶体振荡器； ( 2 ) 看门狗定时器w a t c h d o gt i m e r ，可用作通用定时器； ( 3 ) 带有3 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r _ a ； ( 4 ) 带有7 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r _ b ； ( 5 ) 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p 1 与p 2 ； ( 6 ) 4 个8 位并行端口：p 3 、p 4 、p 5 与p 6 ； ( 7 ) 模拟比较器c o m p a r a t o ra = ( 8 ) 1 2 位a i d 转换器； ( 9 ) 2 通道串行通信接口( 软件选择u a r t s p i 模式) ； ( 1 0 ) 1 个硬件乘法器； ( 1 1 ) 6 0 k b + 2 5 6 字节f l a s h ，2 k br a m 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 1 4 9 丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功耗和体 积。m s p 4 3 0 系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1 8 - - 3 6 v 电压、1 m h z 的 时钟条件下运行，耗电电流在0 1 - - 4 0 0 m h 之间，i 础在节电模式耗电为0 1 m h ，等待模 式下仅为0 7 m h 。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电，所以c p u 采 用m s p 4 3 0 f 1 4 9 是保持无线传感器网络持久工作的可靠保证。m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用1 6 位r i s c 结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度( 8 m 晶体驱动，指令周期 1 2 5 n s ) 、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。另外，m s p 4 3 0 f 1 4 9 的运行环境温度范围为一4 0 + 8 5 ，可以适应各种恶劣的环境“驯。 2 、无线传输单元 传感器网络的数据通信协议包括物理层、链路层、网络层和应用层。其中与硬件模 块有密切联系的是物理层协议。物理层协议需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频 段等问题。 编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发功率等一系列技术参数。比较常 见的编码调制技术包括开关键控、幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术，如 跳频、直接序列扩频等啦! 3 。不同的无线应用技术往往会选择几种作为其基本支持的调制 方法。 一般传感器网络定义为低功耗、低数据量传输、长期工作的无线网络，所以本身对 于数据传输速率的要求并不高。不过提高速率可以减少数据收发的时间，对于节能有一 定好处，只是需要同时考虑提高网络速度对收发功率的影响。一般用单个字节的收发能 耗来定义数据传输对能量的效率，单字节能耗越小越好。 无线频谱是一种不可再生的资源。为了有效利用无线频谱资源，各个国家和地区都 对无线电设备使用的频段、特定应用环境下的发射功率等作了严格的规定。所以在传感 器网络使用频段上，也需要慎重考虑。2 4 g h z 频段在大多数国家都无需申请许可证，是 传感器网络上优先选择的传输手段汹3 另外，通信模块消耗的能量在传感器节点中占主要部分，所以考虑通信模块的工作 模式和收发能耗很关键。与手机、p d a 等使用电池方式工作的设备一样，无线传感器节 点的通信模块必须是能量可控的，并且收发数据的功耗要非常低。 目前，短程r f 通信技术是一种热门技术。该通信技术的标准有i e e e 8 0 2 1 l a 、 h i p e r l h n 2 、蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 、h o m e r f 及i e e e 8 0 2 1l b ( w i - f i ) 等。支持这些标准 江苏大学硕士学位论文 的器件一般功耗都比较大，结构复杂，价格较高，因而不适合低端产品。以色列的r f w a v e s 公司针对现有的市场发展推出了面向低端的用于短程r f 通信的r f w l 0 2 无线收发芯片 组。该芯片组符合美国联邦通信委员会( f c c ) 和欧洲电信标准协会( e t s i ) 的技术规范。 所以，本方案射频模块采用r f w a v e s 公司生产的短距离r f 收发器芯片组r f w l 0 2 。 r f w l 0 2 是一个物理层r f 收发器，工作在2 4 g h z ，包含一个印在印制板上的天线， 无需外部天线。r f w l 0 2 采用d s s s 直接序列扩频技术；工作电压很宽2 7 3 6 v ，适合 不同的电池供电；功耗低：待机电流仅1ua ，唤醒时间2 0 n s 。模块提供一个扩频脉冲 管作通信用，速率达到1 m b p s 。它l h - - 个芯片组成，同时具有简单的全数字系列i o 接 口。它的典型输出功率为2 d b m ，最高传输速率为1 m b s ，r f w l 0 2 的成本比蓝牙低，通信 距离室内可达2 0 米，室外可达8 0 - 1 0 0 米。r f w l 0 2 的主要性能参数如下： 输出功率：一5 + 5 d b m ； - 接收受灵敏度：一8 0 d b m ； 工作电压：2 7 - 一3 6 v ： _ 最大传输速率：1 m b s ； - 工作电流：2 1 m a ( 1 m b s ) ，2 8 ua ( 1 k b s ) ； - 工作温度：一1 0 7 0 ； 唤醒时间：2 0 n s ； 同步时间：1i is ； r f w l 0 2 无线收发芯片组包括r f w 2 4 、r f w 4 8 8 c 和r f w 4 8 8 r 三个芯片。由于该芯片组 已经将这三个芯片通过合理连接后组成了一个芯片组并封装在一起，所以外接管脚很 少。该芯片组的示意图如图3 - 3 所示。 当r f w l 0 2 芯片组工作时，4 8 8 m h z s a w 振荡器将信号送到r f w 2 4 的频率产生器，并产 生4 8 8 m t l z 和1 9 5 2 m h z 的频率信号供芯片使用。在发送模式，输入数据经脉冲产生器编 码后被送到非差分功率放大器，然后再经匹配网络送到r f 的前端，最后再经放大并将 4 8 8 m h z i f 信号变换成2 4 4 0 m h z 的射频信号经天线发送出去。而在接收模式，接收信号送 到低噪声放大器放大并被解调后经s a w 相关器送到峰值检测器，一个是为保证高动态带 宽的对数峰值检测器( “快 芯片组峰值检测器) ，它的输出带宽为1 0 m h z ；另一个为“慢一 峰值检测器，其输出带宽由接到c a p 脚的电容c l 的值来决定，其电容值一般为几个到 几十个n f 。 1 2 江苏大学硕士学位论文 r f w l 0 2 芯片组只有5 个管脚，各管脚的功能譬“如表3 - 1 所示。 表3 - 1r f w l 0 2 芯片组管脚功能 管脚功能 v c c 提供i c 工作电压 g n d 接地 t x r x模式选择( 接收或发送) a c t 实现待机模式 t x r x 输入、输出脚模式选择：t x 模式时为数据输入脚，r x 模式时为数据输出脚 图3 - 3r f w l 0 2 组成示慈图 射频模块与微处理器的连接采用与r f w l 0 2 配套的产品r f w - d 1 0 0 。该产品主要用来 为发射机和m c u ( 微处理单元) 提供通用接口。它可为m c u 和r f w - 1 0 2 提供透明的并行同 步接口和存储器接口，以及适合执行无线通信协议的其它性能。同时，也可以将输入数 据转换成适合m c u 运行的8 比特字段。此外，r f w d 1 0 0 还具有特别设计的节能结构和多 种工作模式，而且功耗也很低。使用无线数据传输数据后端r f w - d i0 0 进行产品开发有 江苏大学硕士学位论文 以下优点：更短的开发时间，更短的上市时间，为其它方面的应用节省c p u 能量和资源， 是一个简单的、标准的、完整的解决方案，开发工作仅限于外围元器件的调整。 r f w - d 1 0 0 是为r f w l 0 2 r f w 3 0 2 芯片组提供的一个数字后端，它为m c u 提供了一个并 行接口，使之连到r f w l 0 2 。在r f 应用中，m c u 负责m a c 层的协议。r f w - d 1 0 0 减少m c u 处理m a c 层协议的实时要求，使m c u 通过一个并行口连接到r f w l 0 2 ，类似于存储器寻址， 它将快速的串行输入转换成8 位的字节，使8 位的m c u 更容易处理。此外，r f w - d 1 0 0 仅使用一个低速率的振荡器，通过1 个1 6 字节的f i f o 来缓冲输入输出，使m c u 与 r f w - d 1 0 0 之间的寻址率更高，m c u 不是每次中断读写1 个字节，而是每1 6 个字节，相 比于每字节的输入都引起