摘 要： 基于WSN 的水稻生長環境遠程監測系統，以ARM9為核心，結合ZigBee技術和3G技術，實現水稻田間多參數的實時與遠程監控。該系統將傳感器節點采集到的數據通過ZigBee無線網絡發送到網關節點，通過3G技術建立協調器網關節點與遠程監控中心的無線連接，監控中心PC連接了3G網絡和MySQL數據庫。用戶可通過遠程PC實時監測、查詢水稻生長環境信息，從而提高水稻生產自動化管理水平。
關鍵詞： WSN；3G；ARM9；水稻生長環境；遠程監測
我國是水稻種植大國，水稻總產占世界之首。水稻是全球人口賴以生存的主要糧食之一，水稻產量對于維護國家穩定、社會安定和人民安居樂業有著重要意義。優良的水稻生長環境是保證水稻的質量和產量的重要前提，搭建水稻生長環境遠程監測系統，實時準確地監測水稻田環境參數，如水稻生長過程中田間水位、空氣溫濕度、日光照強度等，對提高水稻質量和產量具有重要意義。
隨著我國農業由傳統向精準農業的轉變，信息技術在農業生產領域得到廣泛應用。基于ZigBee的WSN技術[1]，是一種近距離、低成本、低功耗、低復雜度、低數據傳輸速率的雙向無線網絡傳輸技術，該技術滿足農田信息數據傳輸要求，是大面積水稻田間環境采集信息傳輸的最佳選擇。近年來，3G網絡技術[2]在中國的應用己逐漸成熟，3G網絡技術作為一種先進的無線通信技術，比第一代通信技術、第二代GSM和GPRS技術有著明顯的技術優勢。其主要優點體現在網絡數據的傳輸速率明顯提升、帶寬的明顯增大、數據傳輸更加安全可靠、能夠實現無網段間的通信。3G網絡提供的高帶寬和多媒體技術優勢能夠在一定程度上改變傳統的環境監測情況，用戶可以通過3G網絡進行大量數據監測和數據處理，并可通過攝像頭進行隨時的視頻監測。因此，將3G技術應用于農業生產領域，為實現農田管理的信息化、智能化起到重大的加速作用，能給精準農業[3]的發展帶來巨大的影響。
1 系統總體設計方案
為了實現對水稻生長環境信息的遠程監測和智能管理，系統采用了無線傳感技術、移動通信技術和計算機網絡技術等，基本實現了信息的多點自動采集、無線傳輸、遠程監測及智能管理等功能。系統主要包括信息感知層、通信鏈路層和應用層3部分。系統總體架構如圖1所示。
其中信息感知層由傳感器節點（包括終端采集節點、路由節點）和協調器網關節點組成[4]。傳感器節點連接溫濕度傳感器、水位傳感器、水溫傳感器和光照傳感器，用于采集稻田現場數據，數據經過路由節點，以多跳的方式，通過ZigBee無線傳感技術傳至網關節點。通信鏈路層實現ZigBee近距離、低功耗無線傳感網絡、3G遠程無線通信網絡以及因特網之間的互連。應用層包括連接了3G網絡的數據庫、PC用戶和PDA用戶，用戶可以通過登錄服務中心系統實現農田信息的實時監測。
2 系統硬件設計
2.1 傳感器節點
傳感器節點分為終端采集節點和路由節點兩部分，兩種節點的硬件組成相同。本文傳感器節點采用Jennic公司的JN5139芯片為無線控制模塊[5]，外接傳感器模塊組成。其中JN5139芯片是一個適合于IEEE 802.15.4應用的低成本、低功耗的無線微控制器，芯片上集成了一個32 bit的RISC處理器、一個2.4 GHz頻段符合IEEE 802.15.4規約的無線收發器，此外，芯片上還集成了192 KB的ROM、92 KB RAM及豐富的模數外設資源等。傳感器節點示意框圖如圖2所示。
為了采集水稻田間環境參數，系統采用空氣溫濕度傳感器、水位傳感器、水溫傳感器和光照傳感器，傳感器器件參數如表1所示。
2.2 協調器網關節點
考慮到協調器網關節點需要處理大量數據，并實現與上位機間的無線數據交互，因此協調器網關要求具有較強的數據處理能力和較快運行速度。本系統協調器網關選用基于ARM 920T內核的S3C2440處理器、ZigBee無線收發模塊及3G模塊等組合而成[6]，如圖3所示。
數據從協調器網關到應用層數據庫的遠程傳輸通過3G模塊來實現。目前我國存在3種不同的3G標準：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，分別為聯通、電信和移動三大電信運營商運營標準[7]。本文采用了廣州致遠電子有限公司生產的型號為ZWW-36A的3G DTU模塊。該3G DTU是采用WCDMA網絡標準的無線數據傳輸模塊，具有提供可靠、便捷、透明數據通道和無線的嵌入式開發條件等優點。ZWW-36A中WCDMA模塊的3G網絡具有能達到7 Mb/s的下行鏈路速率理論值和5 Mb/s多的上行鏈路理論值，因此用戶利用它能夠進行大量、高速的網絡數據傳輸。
3 系統軟件設計
3.1 協調器組網流程
ZigBee無線網絡有[8]星形（Star）、樹形（Cluster Tree）和網狀（Mesh）3種組網方式，本系統實現的是無線Mesh網絡。該網絡中ZigBee節點分為協調器、路由器和終端設備3種，ZigBee協調器管理整個網絡，主要負責子節點的管理和實現與3G遠程網絡的通信，一個ZigBee無線網絡只能有一個協調器。感知層節點組網流程如圖4（a）所示。
首先節點上電，網絡進行初始化操作；接著協調器執行信道掃描，包括能量掃描與主動掃描兩個過程，能量掃描會獲得每一個信道的能量值，然后將這些能量值由小到大進行排列，超出允許范圍能量值的信道棄用，主動掃描對允許范圍內的信道進行掃描，從而找到可以組建網絡的信道；當掃描到合適的信道，協調器就配置網絡參數，并設置網絡的PAN ID，運行網絡同時等待其他節點設備加入網絡；當傳感器節點加入網絡，它將采集到的數據發送到協調器網關節點，之后協調器節點串口控制3G網絡將數據轉發至遠程應用層數據監控中心，為數據智能管理和科學決策提供基礎信息庫，用戶可通過訪問信息庫跟蹤、查詢和分析水稻田間環境信息。
3.2 傳感器節點程序設計
傳感器節點分為終端采集節點和路由節點兩種，ZigBee路由器主要負責網絡路徑發現和路由維護，Mesh網絡中可以有多個路由器設備節點。ZigBee終端采集節點負責數據的實時采集與發送，本系統中的終端采集節點主要負責數據采集和數據傳輸的工作，Mesh網絡中可以有多個終端采集設備節點。加入網絡流程如圖4（b）所示。
傳感器節點上電后，首先進行系統初始化，包括ZigBee協議棧的初始化和硬件外設的初始化[9]；接著執行信道掃描來發現信道中存在的網絡，并選擇一個合適的網絡準備加入，入網前設備先向協調器發送請求入網，當收到協調器允許加入的確認后，路由器節點和終端設備節點加入網絡，網絡組建完成讀取終端采集節點數據，傳送到協調器。
3.3 上位機數據控制中心
應用層上位機數據接收程序運行在遠程數據中心的MySQL數據庫服務器上，采用C++語言、Windows XP操作系統、Microsoft Visual C++6.0開發工具和MySQL數據庫[10]。該應用程序采用C/S結構模型，數據訪問采用配置ODBC數據源連接數據庫，實現應用程序與數據庫之間的交互，用戶可以通過用戶交互界面管理對上傳的數據信息進行實時監測、動態分析和歷史查詢，同時還能進行WSN節點信息管理、用戶信息管理等。上位機監測系統功能設計如圖5所示。
4 試驗與分析
為了檢驗系統的可行性和穩定性，首先在實驗室進行了組裝測試，系統安裝了空氣溫濕度、光照強度、水溫和水位傳感器，數據采集時間間隔設置為20 min，圖像采集時間間隔設置為10 min，測試成功后在實驗室正常運行一段時間。然后將系統安裝到實際試驗基地進行現場測試，傳感器終端節點采集現場環境數據以多跳的方式傳送至協調器網關節點，再由3G無線通信網絡上傳至數據庫服務器，為數據智能處理和科學決策提供基礎信息庫。用戶通過操作上位機監控軟件可實時監測田間環境狀態，實現對水稻生長更精細的管理，查詢基礎數據庫（如圖6所示）可了解某地塊農作物的歷史生長環境信息，從而為來年水稻的選種、播種等作出有效判斷。
本文將ZigBee技術和3G技術應用在水稻生長環境遠程監測系統中，充分發揮ZigBee技術組網速度快、功耗低、成本低和3G業務高帶寬、具備多媒體技術等特點，能夠很好地解決有線傳輸技術的布線復雜、成本高、難以維護等問題，有利于不同區域地塊的智能化管理。
系統通過現場環境測試，試驗結果證明，基于WSN的水稻生長環境遠程監測系統運行穩定，具有較為友好的人機界面，易于維護和擴展，方便地實現了水稻生長環境參數的實時遠程傳輸與監控，為進一步分析農業環境參數變化趨勢提供了十分重要的數據支持，對指導農業精準化管理具有重要意義。
參考文獻
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