摘要：农田信息的及时精确获取是精准农业施行的根底。依据当时无线传感器网络在农田信息搜集中的运用现状，提出了规划体积小、本钱低、低功耗、作业继续时刻长的农田信息搜集无线传感器网络节点的必要性。体系选用Atmel公司的低功耗处理器芯片ATmega1281和AT86RF23 1射频芯片，终究完结了低功耗、低本钱、低复杂度的检测体系，经过对温湿度等环境因子的检测，能够到达对作物栽培环境进行实时监测的要求。
关键词：无线传感器网络；农田信息搜集；低功耗；实时监测；节点
精准农业已成为我国农业开展的趋势，农田信息的及时精确获取是精准农业施行的根底。传统农业首要运用孤立的、没有通讯才能的机械设备和传感设备，首要依托人力监测作物的成长情况。不光要消耗很多的人力，而且不能够做到实时监控，假如选用有线测控体系，则需求铺设光纤或许电缆，这样不光增加了本钱，而且下降了体系的灵活性和可扩展性。跟着传感器技能、无线通讯技能及嵌入式技能的开展，孕育出了一种新的信息获取、传输、处理的智能网络——无线传感器网络。无线传感器网络能够实时监测、感知和搜集监控区域的信息，并将搜集到的数据经处理后发送给终端用户。现在，国内外科研人员已有将无线传感器网络运用于农业范畴，本文首要针对当时环境监测中面对的网络布线困难、本钱高及实时性差等问题，提出了依据无线传感器网络农田信息自动检测体系的规划，该体系具有低功耗、体积小、作业时刻长、本钱低的特色，一起可完结风险区域的低本钱无人接连在线监测。
1 体系结构规划
无线传感器网络的节点布置在监控范畴，对感兴趣的数据进行搜集、处理、交融，并经过主节点路由到基站，用户能够经过因特网进行检查、操控。其体系结构如图1所示。其间，网关(基站)担任对各节点传感器数据的搜集、处理及与外网的通讯；传感器节点担任搜集周围的信息，如温度、湿度等，一起还要兼具有路由功用，经过路由协议直接或许经过“多跳”的办法将数据传给网关，再凭借暂时树立的sink链路把整个区域内的数据传输到监控中心；监控中心首要担任将搜集的数据进行归纳核算得到所需的信息，并对各传感器节点进行办理。一起开发了客户端界面，便运用户对服务器的数据进行查询和操控，并能以图形的办法直观地显示出用户所需求的信息。
2 体系硬件规划
无线传感器网络节点整体架构由传感器模块、数据处理器模块、无线通讯模块和电源模块4个部分组成。传感器模块担任环境信息的搜集和数据转化，本体系首要是担任搜集土壤温湿度传感器，传感器模块上还预留了数字和模仿接口，能够便利地扩展传感器的品种；数据处理模块担任操控整个传感器节点的存储和处理自身搜集的数据和其它节点发来的数据，还要担任节点组网和数据路由挑选以及体系功耗的操控等。数据处理模块的中心是高性能的ATmega1281处理器；无线通讯模块担任与其它传感器节点进行无线通讯，交流操控音讯和收发搜集数据；电源模块为传感器节点供给运转所需的一切电源。
2．1 传感器模块
传感器模块是节点的数据搜集部分，依据实践需求，确认适宜的传感器，体系选用温湿度传感器，并留有通用传感器扩展接口，传感器模块为独立电路板，经过51PIN衔接器与主控模块电路板衔接。
本体系选用的温湿度传感器为瑞士Sensirion公司出产的SHT10温湿度一体传感器。该传感器的特色是体积细小、功耗极低，两线数字输出，湿度丈量规模：0～100％RH，湿度的丈量精度为±4.5％RH，温度丈量规模：-40～-+123．8℃，在25℃时，温度的丈量精度为±0.5℃，呼应时刻：8 s，可彻底浸没。SHT10选用两条串行线(SCK，DATA)与处理器进行数据通讯。SCK用于处理器、SHT10之间的通讯同步，串行数据(DATA)用于数据的读取，在SCK时钟下降沿之后改动情况，并仅在SCK时钟上升沿有用。SHT10完好的丈量时序由发动传输时序、发布指令、等候丈量完结、读回数据这四个部分组成。处理器用一组“发动传输”时序来建议一个通讯进程。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平。在DATA为低电平期间，SCK变为低电平，再翻转为高电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。在“发动传输”时序之后，微操控器能够向SHT10发送指令。微操控器在发布一组湿度或许温度丈量指令后，需求等候丈量的完毕，SHT10经过将DATA线拉低表明丈量的完结。重新发动时钟线SCK读取丈量成果时，2个字节的丈量数据和1个字节的CRC校验将被传送。为节能VDD接在处理器1281的PC0口，需搜集数据时传感器上电，搜集完数据传感器断电。
2．2 数据处理模块和无线通讯模块
数据处理模块选用Atmel公司的低功耗ATmega1281芯片，该芯片具有片内256 kB的Flash存储器、8 kB的SRAM数据存储器(可外接扩展到64 kB)和4 kB的EPROM存储器。该芯片还有8／16通道的10位ADC，2个8位和4个16位硬件守时／计数器，4个8位PWM通道、可编程看门狗守时器和片上振荡器、片上模仿比较器，2／4个可编程串行USART、51／86个可编程I／O口线。SPI、I2C总线接口；能够选用JTAG编程和ISP编程两种办法。除正常作业形式外，ATmega1281还具有6种睡觉形式：闲暇形式、ADC噪声按捺形式、省电形式、掉电形式、Standby形式以及扩展的Standby形式。因而ATmega1281十分适合于低能耗的运用场合。
无线通讯模块选用AT86RF231芯片，该芯片是一款低功耗、低电压，SH接口，支撑2.4GHZ IEEE802.15.4规范的无线收发芯片。AT86RF231经过SPI接口与处理器ATmega1281衔接，经过串行输出(MOSI)和串行输入(MISO)进行数据读写操作，由串行时钟(SCK)操控读写操作。
数据处理模块、无线通讯模块及外围设备的硬件衔接如图2所示。传感器节点上规划528kB的串行FLASH存储器AT45DB041来完结信息在本节点的辅佐存储功用。处理器经过UART接口与AT45DB041衔接。经过TXD1和RXD1进行数据读写操作，由时钟(XCK1)操控读写操作。处理器经过3根通用I／O引脚与温湿度传感器SHT10衔接。软件操控I／O引脚的电平来完结对SHT10的操作。处理器还预留了ADC模仿输入通道、I／O接口、I2C接口到传感器扩展接口，对体系扩展其它传感器供给硬件支撑。处理器ADC的PF0与体系电池电压检测电路衔接，供给对体系电池剩下能量的检测。
2．3 电源模块
节点的能量供应是节点作业的重要条件，假如供电缺乏，将会导致整个体系瘫痪。为延伸节点的运用寿数，多种下降功耗的办法现已被提出，如：数据压缩技能和低功耗路由技能等，但任何下降功耗的办法都不能彻底处理节点寿数有限的问题。可再生动力的运用，如：太阳能、振荡、潮汐和风能等的运用，被认为是处理上述问题的可行计划。关于室外体系，太阳能具有技能相对老练，能量密度较大等优势，被认为是为节点供给额定动力的可行办法。图3是电源电路框图。分压器将3．3 V的稳压器输出电压降至2．75 V。比较器比较此值于电池的电压值。当阳光充足而且电池的电压低于2．75 V时，比较器翻开开关，对电池充电。不然，当电池的电压等于或大于2．75 V时，开关封闭阻挠充电进程。二极管用来阻挠电流由电池流入太阳能电池板。
3 体系软件规划
3．1 体系软件结构图
无线传感器网络搜集监测区域内的数据，经过传输网络将各种传感数据传输到后台办理软件，后台办理软件对这些数据进行剖析、处理、存储，以便取得相关信息，并对无线传感器网络的运转和监测区域内的环境情况进行监控。别的，后台办理软件也能够建议使命并经过传输网络奉告WSN，以便完结特定的使命。这些功用首要是在运用程序服务器上完结，其结构如图4所示。
体系经过串口接收到的温湿度数据如图5所示。无线传感器网络节点运转的是TinyOS操作体系，体系传递信息数据包帧格局如图6所示。每一帧用同步字节SYNC_BYTE(0x7E)包装。其间的负载数据TOS_mag是传感网络数据链路层所运用的数据包格局。信息中包括了意图节点地址、信息类型、信息长度、信息组别以及数据载荷等。其间，数据载荷Data是供给给用户的有用音讯载体，包括为完结多跳路由功用而设置的源地址、数据搜集节点地址及电压、湿度、温度等高层运用信息。依据上述数据包的帧格局，处理后的数据如图7所示。
4 完毕语
文中依据当时无线传感器网络在农田信息搜会集的运用现状，提出了体积小、本钱低、低功耗、作业继续时刻长的农田信息搜集无线传感器网络节点的必要性。该体系运用无线收发设备传输数据，无需专门架线，体系结构简略，节省了人力物力，经过监控中心可完结对农田温湿度的监控等功用，完结真实意义上的无人值守，与一般无线技能比较，还具有低功耗、低本钱和网络容量大等特色，为完结大规模农田监控的信息化、自动化、进步作业效率具有很高的实践运用价值。
