CN101951696A - 农田无线传感器网络及其数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于ZigBee的农田无线传感器网络。该网络包括ZigBee协调器、无线传感器节点和传感器，其中，协调器与传感器节点之间采用无线方式连接，传感器节点具有固定节点地址，协调器通过传感器节点控制启闭传感器电源的开关。本发明提供的农田无线传感器网络具有数据量小，简单灵活，稳定可靠的特点，并能在传感器电源一定的情况下，较长时间地维持其正常工作。

Description

农田无线传感器网络及其数据采集方法

技术领域

本发明属于无线传感技术领域，尤其涉及一种农田无线传感器网络及其数据采集方法。

背景技术

农田信息的实时监测是精细农业的基础，对农田管理有着非常重要的意义。随着农业信息化的发展，精准农田数据的实时感知和采集已经成为决定农业信息系统成败的关键。针对农田数据采集和处理的特殊性，将无线技术与传感技术相结合是较为理想的解决方案。目前，应用在农业中的多传感器数据信息采集仪器有PM111植物生理生态监测仪，能够检测作物信息和土壤水分、温度、环境温湿度等信息。但是每个传感器都有个专门的外壳，通过有线方式和电脑相连，比较庞大不利于携带。

一些研究机构和高校也开发了一些有针对性的无线传感器网络的研究，但只有很小一部分能够实现田间实时测量的要求。而即便这小部分可以在现场进行测量的检测仪器结构也较复杂，体积和重量都较大，通过固定在田间的信息汇聚点转发给上位机。由于传感器多采用定时休眠机制，所以不便于用户再次对异常点信息的按需实时采集。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种农田无线传感器网络及与适用于该网络的数据采集方法，其特征在于，所述网络包括集成于农田手持PDA中的ZigBee协调器、与ZigBee协调器通过无线方式连接的无线传感器节点以及与无线传感器节点相连的传感器；

所述无线传感器节点内的无线MCU模块和传感器接口部分通过不同的电源供电，所述无线MCU模块一直保持工作状态，仅当其接收到ZigBee协调器发送的数据信息采集请求时才开启传感器供电电源，否则传感器供电电源关闭。

所述网络为无线传感器节点分配固定节点地址。

所述无线传感器节点之间构成MESH型网络拓扑结构。

所述ZigBee协调器通过RS232串口与农田手持PDA 3的核心芯片相连。

所述传感器包括土壤水分传感器、土壤电导率传感器、土壤温度传感器以及环境温湿度传感器。

所述农田无线传感器网络的数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：ZigBee协调器发出数据采集命令；

步骤2：相应的无线传感器节点响应命令，开启传感器的电源，检测传感器的状态；进行传感器初始化，并准备采集数据；

步骤3：无线传感器节点进行数据采集；

步骤4：无线传感器节点将采集到的数据发送至ZigBee协调器；

步骤5：关闭传感器电源；

步骤6：ZigBee协调器接收数据。

所述步骤3及步骤4中无线传感器节点进行数据采集并发送至ZigBee协调器的过程进行多次循环。

本发明的无线传感器节点间采用ZigBee数据传输技术自组织为稳定可靠的网状网，适用于各种尺度农田的节点数据采集。通过自定义协调器和节点间的通信协议，能够将全部节点的准确数据采集上来，具有数据量小，简单灵活，稳定可靠的特点。此外，本发明采用技术手段固定节点地址，无论用户需要采集哪个节点的信息，都可以通过协调器向相应的准确节点发送命令，再次采集。本发明解决了传感器功耗问题，能够维持传感器正常工作较长时间。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为根据本发明实施例的农田无线传感器网络的结构；

图2为无线传感器节点的结构；

图3为无线传感器节点无线MCU模块供电电路图；

图4为DS18B20操作流程图；

图5a为环境温湿度传感器接口电路；

图5b为土壤电导率传感器接口电路；

图5c为土壤温度传感器接口电路；

图6为5V传感器供电电路图；

图7为3V传感器供电电路图；

图8为传输开始时序；

图9为环境温湿度传感器的状态转移图；

图10为复位和存在脉冲；

图11a为写时序图；

图11b为读时序图；

图12a土壤温度采集空闲状态时的流程图；

图12b土壤温度采集正在转化状态时的流程图；

图13为AD采集状态转移图；

图14为路由节点的操作流程。

附图标记：

1-无线传感器节点、2-ZigBee协调器、3-农田手持PDA；

4-土壤水分传感器、5-土壤电导率传感器、6-土壤温度传感器、

7-环境温湿度传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明所提的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，根据本发明实施例的农田无线传感器网络包含一个集成于农田手持PDA 3中的ZigBee协调器2，以及五个无线传感器节点1，其中ZigBee协调器2通过RS232串口与农田手持PDA 3的核心芯片相连。每个无线传感器节点1又各自连接四个传感器，分别是土壤水分传感器4、土壤电导率传感器5、土壤温度传感器6以及环境温湿度传感器7。

无线传感器节点1的结构如图2所示。无线传感器节点1主要包括无线MCU模块、传感器接口(土壤水分传感器，土壤温度传感器，土壤电导率传感器，环境温湿度传感器)以及传感器供电电源模块。优选地，本实施例中采用英国JENNIC公司生产的内含32bits处理器的JN5139-M01，该无线MCU模块具有强大的组网能力，可以构成星型、树型和MESH型网络拓扑结构，网络节点容量理论上能够达到65535个。

无线MCU模块和传感器接口部分通过不同的电源供电，无线MCU模块一直处于工作状态，以保证其能实时接收ZigBee协调器2传来的命令，而传感器供电电源则只在无线MCU模块接收到ZigBee协调器2发送来的数据信息采集请求时才开启，否则传感器供电电源关闭。

农田手持PDA3安装Windows Mobile 6.0操作系统。采集到的数据可以文本文档的形式存储到PDA的NAND FLASH中或者SD卡中。

ZigBee协调器2负责建立网络，与多个无线传感器节点1进行无线连接，并对接收到的每个无线传感器节点的数据进行处理、显示、存储。

无线传感器节点1的主要功能是响应ZigBee协调器2的命令，负责对土壤温度、土壤水分、土壤电导率、环境温度、环境湿度进行采集和发送，同时对节点工作进行智能化管理。无线传感器节点1和ZigBee协调器2的电路除了传感器接口部分不同之外，其他大致相同。

无线MCU模块采用3.7V/1320mAh的锂电池供电，因此需要采用LDO芯片SP6201-3.0进行降压，其供电电路如图3所示。

传感器接口

优选地，土壤水分传感器采用中国农业大学信息与电气工程学院精细农业中心自主研发的FD传感器。其输出信号为模拟量，经过信号调理后由JN5139无线模块自带的AD进行转换，再经过标定可以得到相应的土壤体积含水率。该传感器的输入电压范围为5-12V，输出电压范围为0-1.5V。

优选地，土壤电导率传感器采用中国农业大学信息与电气工程学院精细农业中心自主研发的基于电压电流四端法原理的传感器。其输出信号为模拟量，经过信号调理后由JN5139无线模块自带的AD进行转换，再经过标定可以得到相应的土壤电导率值。

优选地，土壤温度传感器采用DS18B20为核心芯片的传感器，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，JN5139无线模块只需一根端口线就能与DS 18B20通信，无需标定。其测量范围为-10℃～+85℃时精度为±0.4℃，供电范围为3-5.5V，量程为-55℃～+125℃。

DS18B20数字传感器数据的读取，根据相应的手册，通过codeblocks软件对JN5139无线模块编程实现模拟通信协议。DS18B20的操作流程图如图4所示。

优选地，环境温湿度传感器采用瑞士盛世瑞恩公司的SHT10芯片，通过二线串行数字接口和JN5139进行通信，无需标定。在软件设计中，需要用DIO口模拟通信协议。因为选用的是SHT10芯片，精度范围为：相对湿度±4.5％，温度±0.5℃。如果想要更高的精度可以换用其它芯片，如SHT71，精度范围达到：相对湿度±1.8％，温度±0.3℃。供电范围为2.4V-5.5V。温度量程为：-40℃～123.8℃，相对湿度量程为0～100％RH。更换更高精度的SHTxx系列的芯片，其电路和程序可以通用。

芯片SCK端用于JN5139与环境温湿度传感器之间的通讯同步，DATA三态门用于数据的读取。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。DATA数据线上传输的数据只有在SCK为高电平时有效，此时DATA数据线上的电平保持不变。串行数据线需要一个外部的上拉电阻10kΩ，将信号提拉至高电平。在VCC3V和地间应该接个0.1μF的滤波去耦电容。SCK、DATA分别和JN5139的DIO9、DIO10相连，其中DATA通过10kΩ上拉电阻连至3V。

根据相应的手册，通过codeblocks软件对JN5139编程实现传感器数据采集。

相对湿度的转换公式为

${\mathrm{RH}}_{\mathrm{linear}}=c_1+c_2\·{\mathrm{SO}}_{\mathrm{RH}}+c_3\·{\mathrm{SO}}_{\mathrm{RH}}^2(\%\mathrm{RH})---\left(1\right)$

式中，SO_RH为传感器的输出，通过公式(1)可以将传感器输出转换成真实的相对湿度值。根据V3版本的温度转化系数，选用8bit测量湿度，忽略则相应的转化公式变为：

RH_linear＝-4.0000+0.6480·SO_RH(％RH)                 (2)

在JN5139编程时，由于JN5139不支持小数，因此需要进行数据处理才能得到实际精度的测量值。本发明中将公式(2)变为：

RH_linear＝(-8192+SO_RH*1327)＞＞11(％RH)              (3)

若选用12bit测量湿度，相应的转化公式变为：

RH_linear＝-4.0000+0.0405·SO_RH(％RH)                 (4)

在JN5139编程时，将公式(4)变为：

RH_linear＝(-8192+SO_RH*83)＞＞11(％RH)                (5)

而温度可以选用12bit或14bit，不同供电条件下的温度转化系数不同。

在3V供电，12bit条件下，温度的转化公式为：

T＝-39.60+0.04·SO_T                                  (6)

在JN5139编程时，公式(6)转成：

T＝(-40550+41*SO_T)＞＞10                             (7)

而在3V供电，14bit条件下，温度的转化公式为：

T＝-39.60+0.01·SO_T                                  (8)

在JN5139编程时，公式(8)转成：

T＝(-40550+10*SO_T)＞＞10                             (9)

为了适应在高速和低功率场合的应用，选择3V供电，8bit测量湿度，12bit测量温度。各传感器的接口电路分别如图5a～c所示。

传感器包括3V供电的数字传感器和5V供电的模拟传感器。由8.4V镍氢电池通过LM2596开关电源芯片降压成5V供给土壤水分传感器和土壤电导率传感器使用。5V传感器的供电电路如图6所示。

5V传感器电源使能端与JN5139的DIO14相连，当JN5139不传送传感器信息给协调器时，通过控制与JN5139相连的DIO14的高低电平控制传感器的电源通断。

5V降压成3V的电源芯片选用低压差LDO芯片SP6201-3.0。其供电电路如图7所示。

无线传感器节点控制程序

-环境温湿度传感器采集程序设计

环境温湿度传感器测量时序如表1所示。

表1

先发出传输开始命令，紧接着是由三位地址位(000)和五位命令位组成的后续命令，然后等待数据读取完成，接着读取高字节数据，然后是低字节数据，低位在后。最后是CRC校验，可省略。

TS(Transmission Start)传输开始时序如图8所示。通电后传感器需要11ms进行休眠，在此之前不允许发送命令。

后续命令由三位地址位(000)和五位命令位组成。命令清单如表2所示。

表2  SHT10命令清单

                                                       

命令                                      代码

                                                       

保留                                      0000x

测量温度                                  00011

测量相对湿度                              00101

读状态寄存器                              00111

写状态寄存                                00110

保留                                      0101x-1110x

软件复位，复位接口，清除状态寄存器到默    11110

认值，在下一命令前等至少11ms

                                                       

SHT1X会在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平(ACK位)。在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA(恢复高电平)来表示已接收正确的命令。

图9为环境温湿度传感器的状态转移图。

-土壤温度传感器采集程序设计

土壤温度传感器的复位和存在脉冲设计如图10所示。复位脉冲，即为JN5139拉低总线480μs-960μs，存在脉冲是土壤温度传感器(DS18B20)拉低总线60-240μs产生的。

读/写时间片如图11所示。通过使用时间片来读出、写入DS18B20的数据。时间片用来处理数据位和指定进行何种操作的命令字。如图11a所示，写“0”时，JN5139拉低总线60～120μs，写“1”时，电阻上拉15～40μs。JN5139读“0”或“1”时，先拉低总线15μs，再采样，读完后释放总线，由上拉电阻上拉至VCC。如图11b所示，在采样时，如果总线为高电平，则读出“1”，低电平，则读出“0”。因为与JN5139的连接采用外部电源方式，而不是寄生电源方式，所以相应的上拉时间可以不用考虑。

相应的采集土壤温度可分为三个状态：空闲、正在转化、转化完成。其中空闲和正在转化状态下执行程序的流程框图如图12所示，图12a为空闲状态时执行的流程，图12b为正在转化状态下执行的流程。

-模拟传感器采集程序设计

JN5139的ADC为12-bit，输入范围是0至参考电压或两倍参考电压。在供电电压范围为2.2～3.6V，参考电压为1.2V时，输入电压范围为0～1.2V或0～2.4V。当输入电压范围调至输入参考电压的两倍时，内部电压通过一个电压因子0.666降压降至ADC输入电压范围内。因为输入电压为0～2.4V，所以1bit的变化近似于2.4V/2¹²＝2.4V/4096＝586uV。而内部电压由于乘以分压因子0.666才变成ADC通道输入电压范围内的电压，所以通过ADC读取的电压应该乘以1.5，才是内部电压值。即：

U_内部＝U_ADC*1.5＝U_ADC+U_ADC＞＞1

因为JN5139不支持小数，同时其ADC1-ADC4通道则没有分压，因此程序中对数据进行了移位处理程序。

在ADC转化期间，选择的通道以一个固定周期采样并保持，这里采样时钟设为2MHZ，采样周期设为两个时钟周期，则转化速率为(采样间隔*2)+(时钟周期*14)＝(2*2)+14＝18个时钟周期＝18*0.5μs＝9μs。AD采集流程状态转移如图13所示。

节点的软件设计

网络中的节点负责实时与协调器对话和应答，因而采用路由设计。同时它还负责采集土壤水分传感器、土壤电导率传感器、土壤温度传感器、环境温湿度传感器、3V和5V传感器供电电压、JN5139模块供电电压等信息，并将其传送到协调器。节点上电时，首先进行初始化操作，包括ZigBee堆栈的初始化及硬件外设的初始化；接着进行信道查询，选择合适的网络等待加入；然后向该网络的协调器发送加入请求；最后，在收到允许加入的确认之后加入网络，读取传感器数据，发送十次到协调器后，自动关闭传感器供电电源，直至接收到由PDA经协调器发送的再次采集命令，才重新打开相应的传感器供电电源。图14为无线传感器节点的流程图。

在实际工作过程中，集成在手持农田PDA中的协调器通过自定义通讯协议，向无线传感器节点发送数据采集命令，完成各种传感器的信息采集，并最终将数据保存到PDA中，也可将PDA中的数据上传至PC机上，完成大量数据的处理、存档、分析和农田决策。以采集某个特定节点数据的过程为例对无线传感节点工作过程进一步说明。

①协调器发出命令。在农田PDA应用系统相关界面中输入287b01，该命令即由协调器传送至相应节点。其中，287b为节点短地址，01为当前网络标志。节点短地址固化在每个节点的ROM中，以保证网络中每个节点每次启动时都是确定的而且是可识别的；网络标志有效地防备了邻近网络的干扰，使得该网络中的每个节点都能够正确地找到管理网络的中枢——协调器。

②无线网络节点响应命令。短地址为287b的无线网络节点在检测到数据请求信号，开启各传感器的电源，检测各传感器的状态；各传感器作初始化，准备采集数据。

③节点数据采集。节点无线模块读取各个传感器的数据，针对不同的传感器作延时处理，以保证数据的稳定性和真实性。采集数据按照定制的方式进行，依次采集该节点的各个传感器及其工作状态信息。

④节点数据传送。节点将采集到的数据发送至协调器后，重复步骤③→④，这样循环10次发送数据后，本次采集数据动作完毕。

⑤关闭传感器电源。节点确认数据发送完成后即关闭该节点上所有传感器的电源，以节省能量，保证传感器尽可能长地正常工作。路由节点继续工作。无线传感器路由节点继续监测来自协调器的数据采集命令，以备实时响应。同时，它也为其他节点的数据采集搭建传输通道，保障整个无线传感器网络的顺利工作。

⑥协调器接收数据。协调器接收来自特定节点的相关信息，将其上传至农田PDA应用系统中显示，或者保存为*.txt文件。表3为农田PDA接收到的模块信息。

表3  农田PDA接收到的模块信息

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.农田无线传感器网络，其特征在于，包括集成于农田手持PDA中的ZigBee协调器、与ZigBee协调器通过无线方式连接的无线传感器节点以及与无线传感器节点相连的传感器；

所述无线传感器节点内的无线MCU模块和传感器接口部分通过不同的电源供电，所述无线MCU模块一直保持工作状态，仅当其接收到ZigBee协调器发送的数据信息采集请求时才开启传感器供电电源，否则传感器供电电源关闭。

2.如权利要求1所述的网络，其特征在于，所述网络为无线传感器节点分配固定节点地址。

3.如权利要求1或2所述的网络，其特征在于，所述无线传感器节点之间构成MESH型网络拓扑结构。

4.如权利要求1所述的网络，其特征在于，所述ZigBee协调器通过RS232串口与农田手持PDA 3的核心芯片相连。

5.如权利要求1所述的网络，其特征在于，所述传感器包括土壤水分传感器、土壤电导率传感器、土壤温度传感器以及环境温湿度传感器。

6.农田无线传感器网络的数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：ZigBee协调器发出数据采集命令；

步骤2：相应的无线传感器节点响应命令，开启传感器的电源，检测传感器的状态；进行传感器初始化，并准备采集数据；

步骤3：无线传感器节点进行数据采集；

步骤4：无线传感器节点将采集到的数据发送至ZigBee协调器；

步骤5：关闭传感器电源；

步骤6：ZigBee协调器接收数据。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3及步骤4中无线传感器节点进行数据采集并发送至ZigBee协调器的过程进行多次循环。

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