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1系統(tǒng)總體設計方案

檢測系統(tǒng)由數據采集端、嵌入式網關遠程發(fā)送端以及檢測管理中心三部分組成。首先，傳感器通過ZigBee協議發(fā)送所采集的植物生理參數信息到網關中的協調器節(jié)點，協調器將數據通過RS—232串口發(fā)送到基于ARM9的CDMADTU嵌入式模塊，CDMADTU模塊對數據進行處理后通過CDMA2000網絡和Internet網絡將數據發(fā)送到由PC構建的Web服務器，發(fā)送到服務器的優(yōu)點是數據易存儲易查詢。最后，檢測中心還能通過基于LabVIEW編寫的上位機軟件根據已知的數據分析出植物的生理生長狀況，并設計了一種根據蒸騰速率和葉綠素含量等參數的自動報警界面，從而可以更精確地判斷和控制植物的長勢和各項經濟指標。

2系統(tǒng)硬件設計

2．1數據采集節(jié)點硬件設計

數據采集節(jié)點組要負責采集植物的各項生理參數(莖稈與果實直徑、葉綠素含量、植物莖流等)和無線發(fā)送采集到的數據。無線收發(fā)芯片選用TI公司推出的CC2530作為ZigBee網絡的射頻收發(fā)送模塊。CC2530是應用于ZigBee網絡的真正片上系統(tǒng)(SOC)解決方案，包括一個高性能的2．4GHz射頻收發(fā)器，內含一個高性能、低功耗的增強型8051內核和一個8通道12位A/D轉換器。CC2530較以往常用的CC2430芯片具有靈敏度更高、功耗更小、通信距離更遠等優(yōu)點，因此，滿足無線傳感器及其網絡對高性能、低成本、低功耗的要求。本設計中需要測量的莖稈直徑采用基于LVDT的植物莖稈傳感器，葉綠素含量測量采用基于透射型活體葉綠素傳感器，植物莖流測量采用基于熱平衡法傳感器，這些傳感器的輸出均為模擬信號，在傳感器部分對輸出信號進行調理就能夠直接與CC2530芯片連接。

2．2嵌入式網關硬件設計

嵌入式網關主要負責對接收的數據進行處理與存儲，并實現ZigBee協議與TCP/IP協議之間的轉換，從而將數據發(fā)送到遠程檢測系統(tǒng)。嵌入式網關主要由協調器和基于AM9的CDMADTU模塊組成，CDMADTU模塊包括AM9微處理器和DTU發(fā)送模塊。本設計的CDMADTU選用CDMA2000通信模塊，該模塊采用AM9高性能工業(yè)級嵌入式處理器，供電范圍寬(5～32VDC)，數據傳輸速度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。在使用CDMADTU之前需要做兩步準備:一是因為本設計采用動態(tài)IP鏈接Internet網絡與Web服務器，因此，要申請域名，申請域名解析服務后可以通過域名自動建立通信。接入CDMA網絡前，需要向電信公司申請SIM卡，SIM卡可為CDMADTU提供鏈接Internet網絡服務。二是使用前需要用終端軟件或AT命令對參數設置，以決定進入網絡透明數據傳輸模式的工作方式。

2．3鋰電池供電模塊設計

植物生理檢測系統(tǒng)的實際應用環(huán)境很復雜，電源供給很難保障，因此，本設計中采用3．6V鋰電池供電。但植物生理檢測系統(tǒng)中傳感器模塊、CC2530等模塊需要不同的電源供給，因此，本設計采用DC-DC芯片NCP500SN33G獲得穩(wěn)定的3．3V，該電壓適用于SOC工作電壓。采用TPS61040將3．6V自舉到適用于各類傳感器工作的12V電壓。其電路圖分別如圖4、圖5所示。

3系統(tǒng)軟件設計

3．1數據采集節(jié)點軟件設計

采集端傳感器節(jié)點主要負責采集植物各項生理信息并組網將數據發(fā)送給嵌入式網關。本設計采用IAR集成開發(fā)環(huán)境自底向上構建ZigBee網絡。為了節(jié)省電量，采用的傳感器節(jié)點一般處于低功耗模式，直到收到上位機命令后才將對應的檢測數據上傳到網關。為了提高效率，上位機可設置每隔一段時間后對傳感器發(fā)送上傳數據命令。另外，還采用了中值平均濾波算法來消除個別傳感器系統(tǒng)內部的隨機干擾，提高了傳感器的測量精度。

3．2嵌入式網關軟件設計

嵌入式網關的軟件設計是建立在Linuxredhatlinux操作系統(tǒng)上的，該操作系統(tǒng)具有多任務操作進程、支持硬件廣泛、程序模塊化、源代碼公開等諸多優(yōu)點而被廣泛使用。使用IAR集成開發(fā)環(huán)境來建立嵌入式網關和遠程檢測管理中心的網絡連接。

3．3上位機軟件設計

系統(tǒng)采用LabVIEW平臺編寫上位機軟件，根據設計要求，將軟件分為數據顯示模塊、數據分析模塊、數據存儲三大模塊。數據顯示模塊主要是將接收到的數據和分析后的結果顯示在上位機的前面板上。數據分析模塊主要是根據所要檢測植物參數的不同選擇合適的分析和處理方法。本系統(tǒng)分析模塊實現的功能是:當測量數據在正常范圍內時指示燈顯示綠色，表示植物長勢正常。當某一參數超出或者低于正常范圍時，其對應的指示燈顯示紅色報警。數據存儲模塊主要是將數據存儲到數據庫中，由于LabVIEW不能直接訪問數據庫，因此，采用SQL語言來完成對數據庫的訪問。

4實驗結果與分析

為了對設計的系統(tǒng)性能各方面進行驗證，在29℃的溫室環(huán)境下選擇了4株番茄做為測試對象，4株番茄均勻分布于250mm×250mm的測試區(qū)域，將協調器放置在溫室的中心區(qū)域從而組建星型網絡結構。每株番茄同時采集莖流、葉綠素含量、番茄果實的直徑等生理參數并將參數發(fā)送到上位機顯示界面，采集間隔為2h，總檢測時間為24h。

5結論

本文設計并實現了基于WSNs遠程農作物生理參數檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化結構，結合嵌入式和ZigBee技術，實現了對農作物的各項生理參數定時的動態(tài)采集、無線傳輸和遠程的實時監(jiān)測，在精準農業(yè)生產應用中具有重要的意義。實驗證實本系統(tǒng)性能優(yōu)越，數據傳輸穩(wěn)定，具有很好的推廣應用價值。

作者:韓浩俞阿龍施賽杰王袁單位:寧夏大學淮陰師范學院