设计了一种基于传感网络的果园实时监控管理系统，可对果园温度、ＣＯ２浓度、光照强度、土壤湿度进行动态监测。该系统利用无线传感器节点把采集的果园数据通过Ｚｉｇｂｅｅ技术传输到控制系统，然后进行数据分析与处理，最后将结果直观反映给管理者。还实现了基于远程监控的多传感器融合系统。硬件设计包括单片机（ＭＳＰ４３０Ｆ１４９）、传感器的设计及射频芯片（ＣＣ２４２０）组网实现远程通讯，试验证明该系统稳定，能够达到预期目的。该系统还能扩展更多参数指标，满足果园管理的需要。
关键词：果园环境；传感网络；Ｚｉｇｂｅｅ；实时监控
中图分类号：Ｓ１２６；ＴＰ２７７．２文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）21－4469-04
The Design of Real-time Monitoring System for Orchard Environment based on Wireless Sensor Networks
ＬＩＵ Ｙａｎ－ｄｅ，ＷＵ Ｔａｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｚｉｇｂｅｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｏｒｃｈａｒｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ， ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ｓｏｉｌ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅ ｄａｔａs ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｆｒｏｍ ｏｒｃｈａｒｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｓｙｓｔｅｍ Nｉａ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｚｉｇｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｒ ｏｆ ｏｒｃｈａｒｄ． Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｕｎｉｔ ｉｎｃｌｕｄed ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（MSP430F149）， ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ＲＦ ｃｈｉｐ（CC2420）， the experiments proved that the system was stable， could meet the expected purpose． Ｉｔ ａｌｓｏ ｃｏｕｌｄ ｅｘｐａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｎｄｅｘｅｓ ａｎｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｏｒｃｈａｒｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｒｃｈａｒｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ； sensor network； Ｚｉｇｂｅｅ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
随着现代信息技术、通讯技术、农业技术等一系列高新技术的高速发展，推进了农业物联网时代的来临。所谓农业物联网，即通过各种信息传感设备，采集各种农业生产需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。最终实现所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。无线传感网络是集信息采集、信息传递、信息处理于一体的综合智能信息系统［１］。
果园环境是直接影响果树产量的重要因素之一。只有在最佳的环境条件下，果树的品种优势才能充分发挥。随着规模化、智能化、精细化农业的发展，对果园参数实时监控日益显著。在果园中引入Ｚｉｇｂｅｅ技术后，以其灵活而强大的组网功能，可以实现对果树环境状况进行动态监控；达到满足果树的营养需求、节约用水、监测果树病虫害的目的，最终实现果树栽培中各项关键参数更精确的控制。
１总体设计
选取几个典型果园环境参数进行远程监测，如CO2含量、温度、光照强度、土壤含水量。传感器采集的数据经过放大和Ａ／Ｄ转化被微处理器接收，微处理器与射频芯片进行通讯，最终通过可视化平台将信息传递给果园管理者，达到对果园数据远程监控的目的。本设计包括硬件设计与软件设计，从果树信息采集、信息处理、信息传输、信息反馈等步骤到精确、实时、直观地对果园数字化监测管理［２］。果园远程在线监测实现简图见图１。
２硬件设计
硬件设计由5个主要模块组成：数据采集模块、微处理器模块、无线通讯模块、太阳能供电模块、可视化软件平台。其中各种传感器及芯片的选用从低碳、节能、体积小、使用简单等角度考虑。硬件设计如图２。
２．１传感器
系统选用型号为ＢＭＧ－ＣＯ２－ＮＤＩＲ的传感器，该传感器适用于果园ＣＯ２浓度检测系统，具有性能稳定、精度高、寿命长、维护少及能抵抗高湿度的果园环境等特点。测量量程为０～２‰，监测分辨率为
±０．０１‰，工作电压为２４ Ｖ（ＤＣ），工作温度０~５０ ℃。接线方式１脚接２４ Ｖ（ＤＣ），２脚接ＧＮＤ，３脚接输出＋，４脚接输出－。
系统选用的ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器是美国ＤＡＬＬＡＳ半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。其具有独特的单线接线方式，支持多点组网以及不需要任何的外围元件。温度范围－５５~１２５ ℃，精度为±０．５ ℃。有ＧＮＤ引脚、ＶＤＤ引脚、ＤＱ数字信号输入与输出端［３］。
系统选用ＹＸ－ＧＺ光照传感器，该传感器采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对果园光照度的测量。其量程为２００~１００ ０００ lｘ，供电为２４ Ｖ（ＤＣ），输出信号为４~２０ ｍＡ，精度为±５％，接线方式１引脚接电源＋，２引脚接电源－，３引脚接信号输出。
系统选用的ＴＲ－５型土壤水分传感器，该传感器能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量，而且稳定性高，安装维护操作简便，密封性好，可长期埋入土壤中使用。采用标准的电流环传送技术使其具有抗干扰能力强，传送距离远，精度高，响应快，支持ＲＳ２３２／ＲＳ４８５串行网络通讯。量程０～１００％，精度为±２％，工作电压为１２Ｖ～２４ Ｖ（ＤＣ）。
２．２微处理芯片
ＭＳＰ４３０是具有超低功耗特点的１６位单片机，本系统选用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９，其功耗低，适合果园监控系统使用。它有１６位ＣＰＵ和高效的ＲＩＳＣ指令系统，无外扩的数据地址总线，在８ ＭＨｚ时可达到１２５ ｎｓ的指令周期，具有１６个快速响应中断，可以及时处理紧急事件。片内外围功能丰富，有１２位的Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ１２内包括采样／保持功能的ＡＤＣ内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路［４］。两路ＵＳＡＲＴ通信串口，可用于ＵＡＲＴ和ＳＰＩ模式；片内有精密硬件乘法器、两个ｌ６位定时器，６个并行口，４８条Ｉ／Ｏ口，具有６４ kＢ的闪存，用于存储采集数据［５］。
ＭＳＰ４３０Ｆ１４９接两个外部晶体振荡器：低速晶体振荡器和高速晶体振荡器［６］。低速晶体振荡器支持超低功耗，它在低频模式下使用一个３２．７６８ kＨｚ的晶体，该晶体直接连接在ＸＩＮ和ＸＯＵＴ管脚上。高速晶体振动器作为它的第二晶体振荡器，与低速晶体振荡器不同的是功耗较大且必须外接电容。系统可以根据不同的需要选择不同的晶体振荡器作为主时钟。一般情况下微处理器工作在低频，从而降低功耗，等需要采集参数时，立即切换到高频时钟上，马上进行光照强度、温度、土壤湿度及ＣＯ２浓度的采集、处理和数据的收发等操作。由于两个晶体振荡器的存在，在保证系统低功耗的同时也可以保证系统的快速响应。
２．３无线传输芯片
Ｚｉｇｂｅｅ 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，Ｚｉｇｂｅｅ的基础是ＩＥＥＥ ８０２．１５．４，它具有功耗低、传输速率低、成本低、组网方便、安全性好等特点，是本系统中的首选无线传输技术。无线传输模块的射频芯片选用ＣＣ２４２０，该芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司开发的一款符合ＺｉｇＢｅｅ标准的射频芯片，其兼容２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的通讯协议［７］。该芯片体积小、功耗低，非常适合农业监控应用系统。具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、１６ ＭＨｚ晶振及非常少的外围电路就能在２．４ ＧＨｚ频段工作。ＣＣ２４２０只提供一个ＳＰＩ接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。许多单片机都集成了ＳＰＩ控制器，简单的外围电路和处理器接口，使用ＣＣ２４２０更加方便简单，ＣＣ２４２０的外围电路设计如图３。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达２５０ ｋｂｐｓ，可以实现多点对多点的快速组网［８］。
２．４太阳能供电系统
果园一般处在偏远郊区，有线供电传输供电成本大，利用光伏发电能够达到节能环保的目的，本系统采取太阳能供电。系统设计的光伏充电系统的主电路采用ＢＵＣＫ电路拓扑，主要由光伏电池、功率器件、滤波电感、电容、续流二极管、铅酸蓄电池组成，主电路拓扑图如图４。
控制电路核心是ＴＩ公司电压型ＰＷＭ芯片ＴＬ４９４，ＴＬ４９４的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。控制电路采用电流内环、电压外环的双闭环控制，实现充电系统的快速启动，对负载波动具有很好的抗扰作用，并可实现无静差调节［９］。
３软件设计
软件设计包括传感器软件设计和ＣＣ２４２０芯片通讯协议设计。传感器软件设计根据不同传感器的使用规则进行相应地初始化设计。ＣＣ２４２０是一款符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的射频芯片，其无线信道上传输的数据必须符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的规定［１０］，表１所示为ＣＣ２４２０物理层数据帧格式。
在ＣＣ２４２０中，前导序列长度和开始帧分隔符是可以配置的，默认值４字节和１字节符合ＩＥＥＥ８０２１５４协议［１１］。图５所示为ＣＣ２４２０发送和接收处理的程序设计流程图。
４小结
无线传感网络技术把空间上的各种信息融合到一起，进行智能化比较分析，在当今社会备受关注，成为多学科和高交叉的热点研究领域。本文采用Ｚｉｇｂｅｅ技术对传感器组网，以ＭＰＳ４３０单片机和ＣＣ２４２０芯片结合对果园的温度、ＣＯ２浓度、光照强度及土壤湿度等指标进行远程监测。无线传感网络的果园实时监控系统为建设高效、低能的果园环境，监测果树生长状况和水果增产起到了关键性作用。
参考文献：
［１］ 徐琰， 忠梅． ＬＭ３５１１３８与ＣＣ２４２０的无线传感器网络通信［Ｊ］． 单片机与嵌入式系统应用，２００９（１０）：１８－２０．
［２］ 朱能武，邓昌彦，熊进薯． 我国工厂化养猪环境工程技术研究应用现状及发展前景［Ｊ］． 湖北农业科学，２０００（６）：５６－５８．
［３］ 刘燕德． 无损智能检测技术及应用［Ｍ］． 武汉：华中科技大学出版社，２００７．
［４］ 吴新峰，杨瑞峰． 基于ＭＳＰ４３０与ＣＣ２４２０的无线传感器网络的硬件节点设计［Ｊ］． 电子设计应用，２００７（７）：１１７－１１８．
［５］ 沈建华，杨艳琴． ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机原理与实践［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００８．
［６］ 闫敏杰，夏宁， 侯春生． 基于无线传感器网络的鱼塘监控系统［Ｊ］． 中国农学通报，２０１０，２６（１６）：３８８－３９２．
［７］ 李文仲，段朝玉． ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术入门与实战［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２００７．
［８］ 王秀梅，刘乃安． 利用２．４ＧＨｚ射频芯片ＣＣ２４２０实现ＺｉｇＢｅｅ无线通信设计［Ｊ］． 国外电子元件，２００５（３）：５９－６２．
［９］ 张志福． ＴＩＡ９４在密封铅酸电池充电器中的应用［Ｊ］． 青海大学学报（自然科学版），２００５，２３（４）：２２－２４．
［１０］ 邓平． 基于ＣＣ２４２０的ＺＩＧＢＥＥ传感器网络技术研究［Ｄ］． 广州：广东工业大学，２００８．
［１１］ 张荣标，谷国良，冯友兵． 基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的温室无线监控系统的通信实现［Ｊ］． 农业机械学报，２００８，３９（８）：１１９－１２２， １２７．