精準農業已成為我國農業發展的趨勢，農田信息的及時準確獲取是精準農業實施的基礎。傳統農業主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設備和傳感設備，主要依靠人力監測作物的生長狀況。不但要耗費大量的人力，而且不能夠做到實時監控，如果采用有線測控系統，則需要鋪設光纖或者電纜，這樣不但增加了成本，而且降低了系統的靈活性和可擴展性。隨著傳感器技術、無線通信技術及嵌入式技術的發展，孕育出了一種新的信息獲取、傳輸、處理的智能網絡——無線傳感器網絡。無線傳感器網絡可以實時監測、感知和采集監控區域的信息，并將采集到的數據經處理后發送給終端用戶。目前，國內外科研人員已有將無線傳感器網絡應用于農業領域，本文主要針對當前環境監測中面臨的網絡布線困難、成本高及實時性差等問題，提出了基于無線傳感器網絡農田信息自動檢測系統的設計，該系統具有低功耗、體積小、工作時間長、成本低的特點，同時可實現危險區域的低成本無人連續在線監測。

1 系統結構設計

無線傳感器網絡的節點部署在監控領域，對感興趣的數據進行采集、處理、融合，并通過主節點路由到基站，用戶可以通過因特網進行查看、控制。其系統結構如圖1所示。其中，網關（基站）負責對各節點傳感器數據的收集、處理及與外網的通信;傳感器節點負責采集周圍的信息，如溫度、濕度等，同時還要兼具有路由功能，通過路由協議直接或者通過“多跳”的方式將數據傳給網關，再借助臨時建立的sink鏈路把整個區域內的數據傳輸到監控中心;監控中心主要負責將采集的數據進行綜合計算得到所需的信息，并對各傳感器節點進行管理。同時開發了客戶端界面，方便用戶對服務器的數據進行查詢和控制，并能以圖形的方式直觀地顯示出用戶所需要的信息。

2 系統硬件設計

無線傳感器網絡節點總體架構由傳感器模塊、數據處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊4個部分組成。傳感器模塊負責環境信息的采集和數據轉換，本系統主要是負責采集土壤溫濕度傳感器，傳感器模塊上還預留了數字和模擬接口，可以方便地擴展傳感器的種類;數據處理模塊負責控制整個傳感器節點的存儲和處理本身采集的數據和其它節點發來的數據，還要負責節點組網和數據路由選擇以及系統功耗的控制等。數據處理模塊的核心是高性能的ATmega1281處理器;無線通信模塊負責與其它傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據;電源模塊為傳感器節點提供運行所需的所有電源。

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊是節點的數據采集部分，根據實際需求，確定合適的傳感器，系統采用溫濕度傳感器，并留有通用傳感器擴展接口，傳感器模塊為獨立電路板，通過51PIN連接器與主控模塊電路板連接。

本系統采用的溫濕度傳感器為瑞士Sensirion公司生產的SHT10溫濕度一體傳感器。該傳感器的特點是體積微小、功耗極低，兩線數字輸出，濕度測量范圍：0～100%RH，濕度的測量精度為±4.5%RH，溫度測量范圍：-40～-+123.8℃，在25℃時，溫度的測量精度為±0.5℃，響應時間：8 s，可完全浸沒。SHT10采用兩條串行線（SCK，DATA）與處理器進行數據通信。SCK用于處理器、SHT10之間的通訊同步，串行數據（DATA）用于數據的讀取，在SCK時鐘下降沿之后改變狀態，并僅在SCK時鐘上升沿有效。SHT10完整的測量時序由啟動傳輸時序、發布命令、等待測量完成、讀回數據這四個部分組成。處理器用一組“啟動傳輸”時序來發起一個通信過程。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為低電平。在DATA為低電平期間，SCK變為低電平，再翻轉為高電平，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。在“啟動傳輸”時序之后，微控制器可以向SHT10發送命令。微控制器在發布一組濕度或者溫度測量命令后，需要等待測量的結束，SHT10通過將DATA線拉低表示測量的完成。重新啟動時鐘線SCK讀取測量結果時，2個字節的測量數據和1個字節的CRC校驗將被傳送。為節能VDD接在處理器1281的PC0口，需采集數據時傳感器上電，采集完數據傳感器斷電。

2.2 數據處理模塊和無線通信模塊

數據處理模塊采用Atmel公司的低功耗ATmega1281芯片，該芯片具有片內256 kB的Flash存儲器、8 kB的SRAM數據存儲器（可外接擴展到64 kB）和4 kB的EPROM存儲器。該芯片還有8/16通道的10位ADC，2個8位和4個16位硬件定時/計數器，4個8位PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器，2/4個可編程串行USART、51/86個可編程I/O口線。SPI、I2C總線接口;可以采用JTAG編程和ISP編程兩種方式。除正常工作模式外，ATmega1281還具有6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式。因此ATmega1281非常適合于低能耗的應用場合。

無線通信模塊采用AT86RF231芯片，該芯片是一款低功耗、低電壓，SH接口，支持2.4GHZ IEEE802.15.4標準的無線收發芯片。AT86RF231通過SPI接口與處理器ATmega1281連接，通過串行輸出（MOSI）和串行輸入（MISO）進行數據讀寫操作，由串行時鐘（SCK）控制讀寫操作。

數據處理模塊、無線通信模塊及外圍設備的硬件連接如圖2所示。傳感器節點上設計528kB的串行FLASH存儲器AT45DB041來完成信息在本節點的輔助存儲功能。處理器通過UART接口與AT45DB041連接。通過TXD1和RXD1進行數據讀寫操作，由時鐘（XCK1）控制讀寫操作。處理器通過3根通用I/O引腳與溫濕度傳感器SHT10連接。軟件控制I/O引腳的電平來完成對SHT10的操作。處理器還預留了ADC模擬輸入通道、I/O接口、I2C接口到傳感器擴展接口，對系統擴展其它傳感器提供硬件支持。處理器ADC的PF0與系統電池電壓檢測電路連接，提供對系統電池剩余能量的檢測。

2.3 電源模塊

節點的能量供應是節點工作的重要前提，如果供電不足，將會導致整個系統癱瘓。為延長節點的使用壽命，多種降低功耗的方法已經被提出，如：數據壓縮技術和低功耗路由技術等，但任何降低功耗的方法都不能徹底解決節點壽命有限的問題。可再生能源的利用，如：太陽能、振動、潮汐和風能等的利用，被認為是解決上述問題的可行方案。對于室外系統，太陽能具有技術相對成熟，能量密度較大等優勢，被認為是為節點提供額外能源的可行方法。圖3是電源電路框圖。分壓器將3.3 V的穩壓器輸出電壓降至2.75 V。比較器比較此值于電池的電壓值。當陽光充足并且電池的電壓低于2.75 V時，比較器打開開關，對電池充電。否則，當電池的電壓等于或大于2.75 V時，開關關閉阻止充電過程。二極管用來阻止電流由電池流入太陽能電池板。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件結構圖

無線傳感器網絡采集監測區域內的數據，通過傳輸網絡將各種傳感數據傳輸到后臺管理軟件，后臺管理軟件對這些數據進行分析、處理、存儲，以便獲得相關信息，并對無線傳感器網絡的運行和監測區域內的環境狀況進行監控。另外，后臺管理軟件也可以發起任務并通過傳輸網絡告知WSN，以便完成特定的任務。這些功能主要是在應用程序服務器上實現，其結構如圖4所示。

系統通過串口接收到的溫濕度數據如圖5所示。無線傳感器網絡節點運行的是TinyOS操作系統，系統傳遞信息數據包幀格式如圖6所示。每一幀用同步字節SYNC_BYTE（0x7E）包裝。其中的負載數據TOS_mag是傳感網絡數據鏈路層所使用的數據包格式。信息中包括了目的節點地址、信息類型、信息長度、信息組別以及數據載荷等。其中，數據載荷Data是提供給用戶的有效消息載體，包含為實現多跳路由功能而設置的源地址、數據采集節點地址及電壓、濕度、溫度等高層應用信息。根據上述數據包的幀格式，處理后的數據如圖7所示。

4 結束語

文中基于當前無線傳感器網絡在農田信息采集中的應用現狀，提出了體積小、成本低、低功耗、工作持續時間長的農田信息采集無線傳感器網絡節點的必要性。該系統利用無線收發設備傳輸數據，無需專門架線，系統結構簡單，節省了人力物力，通過監控中心可實現對農田溫濕度的監控等功能，實現真正意義上的無人值守，與普通無線技術相比，還具有低功耗、低成本和網絡容量大等特點，為實現大規模農田監控的信息化、自動化、提高工作效率具有很高的實際應用價值。