基于GPRS的土壤溫濕度采集系統(tǒng)

摘要 設(shè)計(jì)了一種基于GPRS的土壤溫濕度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，給出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集處理、無(wú)線通信和自動(dòng)組網(wǎng)能力。文中利用Telosb節(jié)點(diǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，并在TinyOS操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成了節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)多點(diǎn)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)單跳和多跳的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)利用GPRS進(jìn)行高效可靠的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞 GPRS；實(shí)時(shí)采集；telosb；TinyOS

對(duì)于農(nóng)林作物而言，土壤溫濕度是其發(fā)育、生長(zhǎng)的重要條件。在古代中國(guó)農(nóng)業(yè)中，將濕潤(rùn)的土壤稱為“墑”，并有豐富的關(guān)于保墑、散墑等調(diào)節(jié)土壤水分狀況的技術(shù)和作業(yè)。土壤溫濕度是反應(yīng)土壤狀況的重要物理參數(shù)，決定著植物生長(zhǎng)狀況的好壞，它對(duì)于研究植物水分利用、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)系統(tǒng)的變化等具有重要意義。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，能否對(duì)土壤溫濕度進(jìn)行有效測(cè)量與控制，是實(shí)現(xiàn)“精細(xì)農(nóng)林業(yè)”與“精細(xì)灌溉”的關(guān)鍵，同時(shí)在水文、氣象和生態(tài)科學(xué)中，土壤溫濕度的測(cè)量也具有重要意義。尋求一種快捷、經(jīng)濟(jì)、精度高、可靠性強(qiáng)、適合實(shí)時(shí)測(cè)量的土壤溫濕度測(cè)量技術(shù)是科學(xué)決策的依據(jù)。

1 系統(tǒng)框架
設(shè)計(jì)的土壤溫濕度采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫濕度。系統(tǒng)由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS網(wǎng)關(guān)，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊由多個(gè)從節(jié)點(diǎn)與一個(gè)主節(jié)點(diǎn)組成，形成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。它將各個(gè)從節(jié)點(diǎn)采集到的土壤溫濕度信息，發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)；GPRS網(wǎng)關(guān)由單片機(jī)與GPRS模塊構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將主節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)。

2 數(shù)據(jù)采集模塊
模塊包含兩部分：采集(從)節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)由TI MSP430F1611單片機(jī)、時(shí)鐘、存儲(chǔ)、LED顯示、CC2420通信模塊、土壤溫濕度傳感器5TM等組成，如圖2所示。它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤溫濕度信息，并發(fā)往主節(jié)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)無(wú)土壤溫濕度傳感器模塊，其他部分與采集節(jié)點(diǎn)相同。它負(fù)責(zé)接收采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送至串口。即通過(guò)主節(jié)點(diǎn)Telosb平臺(tái)的UART0將數(shù)據(jù)傳送給GPRS網(wǎng)關(guān)。采集節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)基于TinyOS2．1．1操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，使用TinyOS-2．1．1操作系統(tǒng)內(nèi)核，各模塊及應(yīng)用程序由nesC語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。

2．1 節(jié)點(diǎn)平臺(tái)
節(jié)點(diǎn)采用Crossbow公司的TelosB，TelosB具有低功耗和快速蘇醒功能，可保證更長(zhǎng)的電池壽命。主要功能及部件有IEE802．15．4協(xié)議、250 kbit·s-1高傳輸速率射頻器、TI MSP430F1611單片機(jī)、10 kB RAM微處理器、集成板載天線?？赏ㄟ^(guò)USB接口獲取數(shù)據(jù)和編程，開(kāi)源操作系統(tǒng)，集成了光照及空氣溫度、濕度傳感器，兩個(gè)擴(kuò)展接口和板載跳線可以通過(guò)配置控制模擬傳感器以及電子外圍設(shè)備等。
2．2 TinyOS操作系統(tǒng)
TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的專門用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輕量級(jí)、低功耗的開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)，它以通信為中心的設(shè)計(jì)和模塊式軟件模型，使得TinyOS符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限、功耗低和操作魯棒性的需求。它所引入的事件(event)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模式和基于組件(component)的軟件設(shè)計(jì)，在使用少量ROM的情況下支持高度并行處理、復(fù)雜協(xié)議和算法，提高了系統(tǒng)的性能，使得TinyOS能有效地運(yùn)行在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。TinyOS運(yùn)行在每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，是上層應(yīng)用和協(xié)議運(yùn)行的前提。TinyOS提供一系列可重用的組件，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過(guò)連接配置文件將各種組件連接，以完成所需的功能?；赥inyOS的開(kāi)發(fā)者可以選擇所需要的組件，組件庫(kù)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)采集工具，這些組件都可以作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。