外文翻译译文-无线传感器网络在精准林业中的使用

附件1：外文资料翻译译文无线传感器网络在精准林业中的使用张晴晖李俊秋荣建XuWeihengHeJinping计算机与信息科学系西南林业大学昆明，中国摘要：为了方便的访问森林的信息，一项新技术无线传感器网络，被应用在精准林业中。基于无线传感器网络技术的林业信息监控系统的提出，可以监控环境温度，土壤水分，光照强度，氮浓度和其他环境因素。网络传感器节点的管理是有一个中央节点完成的，这个中央节点可以收集数据和通过GPRS传输数据到远程主机。该系统的设计方法是基于ZigBee芯片CC2430和相应的系统硬件结构和软件流程。该系统有效的收集和传输林业环境因素中的数据，具有很高的使用价值。关键词：精准林业，无线传感器网络，zigbee，CC24301引言与快速发展的一系列高技术如信息技术，生物技术和工程技术相比，“精确林业”在90年代初引入，现在正变得越来越重要。精准林业是在林业生产过程中，利用高新技术例如视觉传感器，卫星定位等检测和分析工具来获取有关工作的质量，数量和时间的即时数据，通过分析环境因素的影响，采取技术上可行，经济上有效的控制措施，以实现利益最大化和最小的环境危害1。当前，精准林业的发展已经滞后与智能农业的发展。这是由于在林业生产中周期较长，干扰较多，变化更多和更复杂的条件因素造成的2。这些因素使得采集和传输一个精准林业的重要组成部分，环境因素在树的生长过程中变得非常困难。因此，一个低投入、低能量、低消耗、高产出、高智能、高信息和高防护的林业生态环境监测系统应该被发展。现在，一项新技术的出现，无线传感器网络，提供了一个合适的技术手段来实现这一目标。2无线传感器网络无线传感器网络，它集成了传感器技术、MEMS技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息管理技术，已在近几年迅速发展。由于广泛的应用前景，人们对它非常感兴趣。“商业周刊”曾经预测，在1999年，WSN的技术会成为21世纪最重要的技术之一3。ZigBee是一种用于监测和控制设备的低功耗无线通信技术。它通常被认为是最理想的无线通信协议，因为它完全满足WSN应用的要求，并拥有更高的可靠性，自组织网络，自我治愈的能力和大型网络容量等特性4。ZigBee的主要特点之一是它能够覆盖大面积路由器。此功能有助于区别于其他技术和ZigBee。网状网络结构扩大了网络的覆盖范围，同时自我调节功能增强了在节点故障的情况下的可靠性。3系统架构如图1所示，ZigBee无线网络系统采用网状拓扑。传感器节点采集实时数据，如温度、湿度、土壤水分和氮浓度，并传输到中心节点路由器。当传感器节点远离中心节点时，任意这个节点都可以作为路由器节点向中心节点传输数据。所有的这些数据传输到协调器，协调器把数据组合和打包，然后通过更快，更迅速和更有效的移动网络GPRS传输到主计算机。主计算机通过专家系统进行检测，计算，分析和评价。基于ZigBee和GPRS，ZigBee节点周期性的苏醒，这种设计方法，可以有效地降低每个ZigBee传感器节点的功耗和互相碰撞的概率。PC作为主机和以太网接口用于实现远程监控5。图1系统架构4硬件电路设计A、ZigBee芯片这个系统的硬件部分包括两部分：一个是负责采集数据的传感器节点；另一个是负责无线网络管理和数据传送的中心节点。两部分都是以无线收发和数据处理的CC2430作为核心。CC2430是一个真正的片上系统（SoC）解决方案，专为IEEE802.15.4和ZigBee量身打造。它结合了行业标准的增强型8051单片机、32/64/128闪存、8KBRAM、ADC时、几个定时器、AES安全协处理器、看门狗定时器、两个USART、以及许多其他强大的功能，是一个非常优秀的收发器核心6。由于需要很少的外部电路支持，CC2430的使用非常方便，并且在待机模式下的电流消耗小于0.6A的低功耗设计，是CC2430最显着的优势，非常适合电池供电的应用。B、ZigBee硬件电路节点传感器节点和中心节点的硬件框图如图2所示。如上所述，CC2430的内图2硬件框图部资源十分丰富，因此，核心硬件是很简单。除微控制器芯片，CC2430的整个传感器节点的硬件只是由三部分组成：传感器电路、电源供应器、晶体振荡器。同样，中心节点是由三部分组成：GPRS模块、电源供应器、晶体振荡器。因此，硬件的规模可以做得非常小。CC2430集成了一个14位具有多达八个输入的ADC，因此，一个节点可以收集各种数据。如果输入的数量超过8位或控制电路非常复杂，额外的MCU和ADC可添加到执行相应的功能。MCU可以通过RS232串行接口与CC2430的通信。中心节点周期性地唤醒传感器节点，并从这些节点收集数据。然后，中心节点按照预定义的格式打包这些数据，并把打包好的数据通过串口发送到GPRS模块。最后，电脑主机接收这些数据，经过专家系统的处理，最终以图形的形式显示这些数据。ZigBee通信工作在2.4G频段，天线用PCB上的微带线来实现。因此，在PCB设计中，必须严格参考手册来布局和布线，我们也应该注意模拟和数字信号的处理。5软件设计A、CC2430软件设计CC2430的软件是基于TI的Z-Stack，利用IAREmbeddedWorkbenchIDE平台开发。TI发布的Z-Stack协议栈是根据2006年与ZigBee规格。在Z-Stack的帮助下，我们编写的程序主要是在应用层。在我们的系统中，ZigBee协调器发起传感器节点和ZigBee路由器。协调器是整个网络的中心，它的主要工程包括网络的建立，维护和管理，分配网络地址。协调器的软件流程图如图3所示。硬件启动物理层启动是否新节点信号设置PANID设置信道监测RF分配ID图3协调器的软件流程图开始，软件初始化时钟电路，UART和IO端口、物理层、MAC层、设置PANID、通道和地址，建立一个网络。初始化完成之后，协调器检测RF信号，分配网络号给新的节点。同时中心节点发起内部时间。计时器溢出时，中断服务子程序唤醒传感器节点。中心节点等待节点的数据接收中断，当数据传输完成后，中心节点把这些数据通过RS232串口发给GPRS模块，GPRS模块实时的传输数据到主计算机上面。传感器节点的软件流程图如图4所示。传感器节点的硬件初始化类似于中心硬件加入网络进入睡眠模式是否唤醒发送数据测试通道全部信道是图4传感器节点的软件流程图节点。加入该网络后，传感器节点进入睡眠模式，等待唤醒命令。接收到唤醒命令后，尽快唤醒射频信号，传感器节点采样信号和数据传送到中心节点，然后再返回到睡眠模式。数据在中心节点和传感器节点之间,或中心节点和主计算机之间传输的数据格式如表1所示。表1数据格式数据头节点号传输节点号功能号数据校验位8bit8bit8bit8bit8bit8bit传感器节点周期性地获得环境数据并将这些数据打包，然后把打包的数据传送到中心节点，中心节点把这些数据传送到电脑主机。电脑主机接收到这些数据就开始分析，把分析结果用图形显示出来。下面的源代码片段是传感器节点的发送代码，它被中心节点周期性的唤醒。如果传感器节点接收到发送命令，节点就根据表1的数据格式打包收集到的数据，把数据发送到通过无线形式把数据发送到中心节点的物理层。voidWirelessSendData(BYTEframe).switch(frame).casePacket_Send:SendData1=0xff;SendData2=0xff;SendData3=macInfo.longAddr0;SendData4=macInfo.longAddr1;SendData5=8;/datalengthis8for(i=0;i=5;i+)cs+=SendDatai;SendData6=cs;/checksumSendData7=(Paket.Head);SendData8=(Paket.Node);SendData9=(Paket.ForwardNode);SendData10=(Paket.SensorNum);SendData11=(Paket.HighData);SendData12=(Paket.LowData);SendData13=(Paket.End);MACPutArray(SendData,14);MACFlush();break;case.B、电脑主机的软件设计主机电脑的软件是用LabWindowsCVI开发的，这样很容易地收集数据和用图形说明7。软件的流程图如图5所示，记录，分析和比较收集到的数据，并以图形方式显示在屏幕上。开始初始化CVI调用面板是否检测传感器节点打开时钟打开串口时间溢出重置时钟和图5主机软件流程图电脑主机的主要图形用户界面如图6所示。放在左边的面板上有几个按钮，用户可以按一下按钮，以图形化的方式观察和比较不同的传感器节点相同的环境参数。图7所示是温度在12小时内的四个传感器节点的波形。图6主用户界面图74个节点的温度波形此外，用户可以按一下圆形按钮得到一个特定节点的所有环境参数，并且用数字编号标记在地图上。图8所示的是节点2的温度、湿度、光照和二氧化碳浓度。图8节点2的波形6总结以ZigBee无线传感器网络的优势，这是低成本、低功耗、智能化、易维护、低环境污染，实现在林业领域的环境参数监测系统。此外，只需通过添加适当的传感器，系统预计将实现更多的功能，可以很容易延长远程控制和自动控制。无线传感器网络的技术使它成为林业中的理想应用。将无线传感器技术和3S（遥感技术(Remotesensing，RS)、地理信息系统(Geographyinformationsystems，GIS)和全球定位系统(Globalpositioningsystems，GPS)）技术结合在一起，它势必为精准林业从理论到实践提供优良的技术支持。参考文献1ZHANGHCH,ZHOUHP,ZHENGJQ.DevelopmentandapplicationprospectsofprecisionforestryJ.WorldForestryResearch,2004,17(5):13-16.2NIEYZ,MAXJ,FENGZHK,WHL.DesignandpracticeinthesystemofprecisionforestryJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2002,24(3):89-93.3ZHANGYZH,XUEDY,WUCHD,etal.DesignandimplementationofawirelesssensornetworknodeC.Proceedingsof2008IEEEInternationalConferenceonWiCOM,2008:1-4.4LIJQ,ZHANGQH,RONGJ,etal.ApplicationofZigBeeTechnologyinPrecisi