基于GPRS的土壤溫濕度采集系統(tǒng)

摘要 設(shè)計了一種基于GPRS的土壤溫濕度實時采集系統(tǒng)，給出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機分布的傳感器節(jié)點，通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集處理、無線通信和自動組網(wǎng)能力。文中利用Telosb節(jié)點平臺設(shè)計了傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)，并在TinyOS操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成了節(jié)點的軟件設(shè)計。該系統(tǒng)可以對目標監(jiān)測區(qū)內(nèi)多點的溫濕度進行實時采集，實現(xiàn)單跳和多跳的數(shù)據(jù)傳輸，同時利用GPRS進行高效可靠的遠程傳輸，實現(xiàn)長期動態(tài)監(jiān)測。
關(guān)鍵詞 GPRS；實時采集；telosb；TinyOS

對于農(nóng)林作物而言，土壤溫濕度是其發(fā)育、生長的重要條件。在古代中國農(nóng)業(yè)中，將濕潤的土壤稱為“墑”，并有豐富的關(guān)于保墑、散墑等調(diào)節(jié)土壤水分狀況的技術(shù)和作業(yè)。土壤溫濕度是反應土壤狀況的重要物理參數(shù)，決定著植物生長狀況的好壞，它對于研究植物水分利用、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)系統(tǒng)的變化等具有重要意義。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，能否對土壤溫濕度進行有效測量與控制，是實現(xiàn)“精細農(nóng)林業(yè)”與“精細灌溉”的關(guān)鍵，同時在水文、氣象和生態(tài)科學中，土壤溫濕度的測量也具有重要意義。尋求一種快捷、經(jīng)濟、精度高、可靠性強、適合實時測量的土壤溫濕度測量技術(shù)是科學決策的依據(jù)。

1 系統(tǒng)框架
設(shè)計的土壤溫濕度采集系統(tǒng)可以實時準確地獲取監(jiān)測區(qū)域的溫濕度。系統(tǒng)由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS網(wǎng)關(guān)，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊由多個從節(jié)點與一個主節(jié)點組成，形成一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。它將各個從節(jié)點采集到的土壤溫濕度信息，發(fā)送給主節(jié)點；GPRS網(wǎng)關(guān)由單片機與GPRS模塊構(gòu)成，它負責將主節(jié)點的信息發(fā)送給監(jiān)控主機。

2 數(shù)據(jù)采集模塊
模塊包含兩部分：采集(從)節(jié)點、主節(jié)點。采集節(jié)點由TI MSP430F1611單片機、時鐘、存儲、LED顯示、CC2420通信模塊、土壤溫濕度傳感器5TM等組成，如圖2所示。它負責實時采集監(jiān)測點的土壤溫濕度信息，并發(fā)往主節(jié)點；主節(jié)點無土壤溫濕度傳感器模塊，其他部分與采集節(jié)點相同。它負責接收采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送至串口。即通過主節(jié)點Telosb平臺的UART0將數(shù)據(jù)傳送給GPRS網(wǎng)關(guān)。采集節(jié)點的軟件平臺基于TinyOS2．1．1操作系統(tǒng)開發(fā)，使用TinyOS-2．1．1操作系統(tǒng)內(nèi)核，各模塊及應用程序由nesC語言編程實現(xiàn)。

2．1 節(jié)點平臺
節(jié)點采用Crossbow公司的TelosB，TelosB具有低功耗和快速蘇醒功能，可保證更長的電池壽命。主要功能及部件有IEE802．15．4協(xié)議、250 kbit·s-1高傳輸速率射頻器、TI MSP430F1611單片機、10 kB RAM微處理器、集成板載天線。可通過USB接口獲取數(shù)據(jù)和編程，開源操作系統(tǒng)，集成了光照及空氣溫度、濕度傳感器，兩個擴展接口和板載跳線可以通過配置控制模擬傳感器以及電子外圍設(shè)備等。
2．2 TinyOS操作系統(tǒng)
TinyOS是由加州大學伯克利分校開發(fā)的專門用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輕量級、低功耗的開源嵌入式操作系統(tǒng)，它以通信為中心的設(shè)計和模塊式軟件模型，使得TinyOS符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限、功耗低和操作魯棒性的需求。它所引入的事件(event)驅(qū)動執(zhí)行模式和基于組件(component)的軟件設(shè)計，在使用少量ROM的情況下支持高度并行處理、復雜協(xié)議和算法，提高了系統(tǒng)的性能，使得TinyOS能有效地運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。TinyOS運行在每個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，是上層應用和協(xié)議運行的前提。TinyOS提供一系列可重用的組件，一個應用程序可以通過連接配置文件將各種組件連接，以完成所需的功能。基于TinyOS的開發(fā)者可以選擇所需要的組件，組件庫包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感驅(qū)動器和數(shù)據(jù)采集工具，這些組件都可以作為進一步開發(fā)的基礎(chǔ)。