基于TinyOS无线传感器网络的农业环境监测系统设计
基于传感器网络的农业环境智能监测系统设计与实现
基于传感器网络的农业环境智能监测系统设计与实现一、概述随着科技的不断发展和普及，农业现代化成为社会经济发展的重要方向之一，而农业环境智能监测系统作为现代化农业的重要手段之一，正在受到越来越多的关注。
本文主要介绍基于传感器网络的农业环境智能监测系统设计与实现的相关技术和应用。
二、系统框架设计基于传感器网络的农业环境智能监测系统主要包括传感器节点、数据传输网络和数据处理中心三个层次，其中传感器节点层主要负责采集环境和农作物的数据，数据传输网络层主要负责数据的传输和传感器节点之间的通信，数据处理中心层则主要负责对传感器采集到的数据进行处理、分析和应用。
三、传感器节点的设计传感器节点由传感器、处理单元、存储单元、通信单元和能源单元组成。
（一）传感器传感器是系统的核心部分，主要负责采集环境温度、湿度、气压、光照、土壤温度、湿度等参数和农作物的生长状态等数据。
处理单元主要负责传感器节点内部数据的处理和控制任务，包括数据的采集、处理、存储和传输等。
（三）存储单元存储单元主要负责存储传感器采集到的数据，包括环境参数和农作物生长状态等数据，为后续的数据分析和应用提供支持。
（四）通信单元通信单元主要负责将传感器节点采集到的数据传输到数据处理中心，通信方式可以使用WIFI、蓝牙、ZigBee、LoRa等通信协议。
（五）能源单元能源单元是传感器节点中不可或缺的部分，其主要负责为传感器节点提供能源支持，可使用电池、太阳能等方式。
四、数据传输网络的设计数据传输网络是系统中数据传输的关键部分，主要由无线传输单元、传输协议和传输控制单元组成。
（一）无线传输单元无线传输单元主要负责将传感器节点采集到的数据传输到数据处理中心，包括无线传输模块的选型、射频电路的设计等。
传输协议是传感器节点和数据处理中心之间进行通信的重要标准，主要包括ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等通信协议。
（三）传输控制单元传输控制单元主要负责控制数据的传输速度、流量以及错误检测。
基于无线传感器网络的智慧农业监测系统设计
基于无线传感器网络的智慧农业监测系统设计随着新一代信息技术的飞速发展，无线传感器网络在农业领域的应用也越来越广泛。
基于无线传感器网络的智慧农业监测系统是当前农村现代化建设的重要组成部分，它能够实时监测农作物的生长状态及周边环境的变化，提高农业生产效率和资源利用率，减轻农民的劳动强度，实现智慧农业的可持续发展。
一、智慧农业监测系统的概念智慧农业监测系统是指通过传感器技术、通信技术、数据处理技术等手段，对农业生产过程中所涉及的物质、能量及信息的变化进行实时监测和控制的系统。
它能够对农作物的生长状态、土壤湿度、气温、光照等环境参数进行实时数据采集和传输，为农民提供科学决策和高效管理提供数据支撑，同时也能够实现远程监测和控制，提高农业生产质量和效益。
二、智慧农业监测系统的组成智慧农业监测系统主要由传感器节点、数据采集节点、通信节点和云端服务平台四个主要组成部分组成。
1.传感器节点传感器节点是智慧农业监测系统中最基础的组成部分，用于实现监测和采集农业生产中所涉及的参数信息。
传感器节点通常由一组测量、控制、通信等功能模块组成，每个节点都能够采集和处理一定范围内的数据，并将数据传输给数据采集节点。
2.数据采集节点数据采集节点是指将传感器节点采集到的数据进行汇总、统计、分析和存储，并将处理后的数据传输给上级数据中心的节点。
数据采集节点通常由嵌入式电子设备和一定的无线通信模块组成，可以实现灵活地配置和管理。
3.通信节点为了保证数据采集的实时性和准确性，智慧农业监测系统需要实现节点间的信息交互和数据传输。
通信节点通常采用无线传感器网络技术实现，其通信协议和传输速度都具有很高的实时性和可靠性，可以保证数据传输的安全性和稳定性。
4.云端服务平台云端服务平台是智慧农业监测系统的一个重要支撑平台，主要负责数据管理、数据分析和结果展示等工作。
云端服务平台通常包括大数据存储和处理模块、数据可视化分析模块、应用和服务模块等多个模块，可以为农业生产提供更多的支持和帮助。
基于无线传感器网络的智能农业监测系统设计
基于无线传感器网络的智能农业监测系统设计近年来，随着科技的不断发展，智能农业监测系统已成为现代农业生产的重要组成部分，帮助农民实现无人值守的智能化管理和数据收集，提高农业生产的效率和质量。
本文将介绍一种基于无线传感器网络的智能农业监测系统设计，并探讨这种技术在现代农业生产中的应用前景和发展方向。
一、无线传感器网络在智能农业监测中的应用无线传感器网络（WSN）是一种由大量分布在空间中的传感器节点构成，通过互相通信并将所感知到的数据传送到基站或中心节点进行处理。
在农业领域中，通过在田间布设传感器节点，可以实现对温度、湿度、光照等环境参数进行实时监测和数据采集，进而控制灌溉、喷雾、施肥等农业生产过程中的关键参数，从而实现无人值守的智能化管理。
同时，通过将传感器网络与互联网相结合，还可以实现远程监测和数据分析，为农民提供更加智能化的服务。
二、智能农业监测系统的架构设计基于无线传感器网络的智能农业监测系统由传感器节点、数据处理节点、通信模块、云计算平台等多个组成部分构成。
其中，传感器节点负责采集环境数据，数据处理节点对采集到的数据进行处理和分析，通信模块用于将数据传输到远程服务器或云计算平台上，而云计算平台则用于存储和处理数据，并提供可视化界面和数据分析功能。
与传统农业生产相比，智能农业监测系统具有以下优势：1. 可以实现全自动化和无人值守的管理模式，提高生产效率和质量；2. 可以实现实时监测和数据采集，及时发现环境变化或病虫害等问题；3. 可以通过远程监测和数据分析提供精准的服务和建议，帮助农民更好地管理生产过程。
三、智能农业监测系统在实际生产中的应用目前，智能农业监测技术已经在中国、美国、日本等许多国家得到了广泛应用。
例如，在中国的一些大型现代化果园中，智能农业监测系统已经得到了广泛的应用。
通过在果树上布设传感器节点，采集果树的生长情况、气候变化、土壤水分等数据，并利用数据分析技术来提高果树的产量和品质，同时避免了过度施肥和浪费水资源等问题。
基于无线传感器网络的智能农业监测与控制系统设计与优化
基于无线传感器网络的智能农业监测与控制系统设计与优化智能农业监测与控制系统是基于无线传感器网络技术的一种先进技术应用，旨在提高农业生产效率、减少资源浪费，并实现农业生产的环境友好型发展。
本文将详细介绍智能农业监测与控制系统的设计与优化。
一、系统设计1. 硬件设备为实现智能农业监测与控制系统的功能，需要选用适用于农业环境的传感器设备。
常见的传感器包括温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器、气象传感器等。
这些传感器能够实时监测农作物生长环境的关键参数，提供数据支持给系统。
2. 网络架构智能农业监测与控制系统采用无线传感器网络进行数据传输与通信。
传感器节点通过无线通信模块与基站进行数据交互，实现监测数据的采集和传输。
采用分布式和多跳的网络架构能够提高系统的鲁棒性和可靠性。
3. 数据处理与分析智能农业监测与控制系统通过对传感器获取的数据进行处理和分析，为农民提供决策支持。
数据处理与分析的技术包括数据挖掘、机器学习等，通过对历史数据和实时数据的分析，识别土壤湿度、温度等关键参数的变化规律，为农民提供合理的决策建议。
4. 控制策略与执行智能农业监测与控制系统基于传感器数据的分析结果，制定相应的农业控制策略。
例如，根据土壤湿度数据，决定灌溉的时间和水量；利用光照传感器数据，控制温室内的灯光亮度。
同时，控制策略要能够与农业生产实际需求相结合，提高农业生产效率和产量。
二、系统优化1. 能耗优化智能农业监测与控制系统中的传感器节点通常采用电池供电，为了延长电池寿命，需要对能耗进行优化。
可以通过降低采样频率、优化功耗控制策略等方式实现能耗的降低。
2. 数据传输优化数据传输是无线传感器网络中的重要环节。
为了避免大量数据的传输和处理，可以采用压缩算法对数据进行压缩，减少传输量和处理复杂性。
同时，也可以通过碎片重传机制和路径优化策略来提高数据传输的可靠性和效率。
3. 系统安全与隐私保护智能农业监测与控制系统中涉及到农业生产数据，保护系统的安全和隐私是至关重要的。
基于无线传感器网络的智慧农业系统设计与实现
基于无线传感器网络的智慧农业系统设计与实现智慧农业近年来成为农业领域的热门话题，在农业生产中，利用信息技术和无线传感器网络技术，可以实现农业生产过程的智能化监控和精准管理，提高农业生产效益。
本文将介绍基于无线传感器网络的智慧农业系统的设计与实现。
一、引言随着人口的增加和农业生产模式的改变，传统的农业生产方式已经无法满足社会的需求。
传统的农业生产方式通常依赖于经验和人工管理，效率低下且容易受到外界环境的影响。
基于无线传感器网络的智慧农业系统的出现，为农业生产带来了新的可能性。
无线传感器网络可以实时收集农田的温度、湿度、光照等环境信息，通过数据分析和智能控制算法，实现对农田的精确管理和优化农作物的生长环境。
二、无线传感器网络在智慧农业中的应用无线传感器网络是由大量分布在农田中的节点组成，这些节点通过无线通信协议相互连接，能够实时采集农田中的环境信息，并将数据传输到中心控制系统。
基于这些数据，农民可以根据作物的需求合理调节灌溉、施肥和生长环境等因素，提高农作物的产量和质量。
1. 环境监测无线传感器节点可以测量农田的温度、湿度、光照和土壤湿度等环境参数，通过这些数据，农民可以实时掌握农田的环境状况，并进行相应的调整。
比如，在温度过高的时候，可以自动开启喷水系统降温，保护农作物的生长。
2. 灌溉控制传统的灌溉方式往往浪费大量的水资源，并且不利于提高农作物的生长效率。
基于无线传感器网络的智慧农业系统可以通过实时监测土壤湿度和作物需水量，合理控制灌溉的时机和量，避免浪费水资源，并且提高农作物的生长效率。
3. 病虫害监测农作物的病虫害对农业生产造成了很大的威胁，及时监测和处理病虫害是保障农作物健康生长的重要环节。
基于无线传感器网络的智慧农业系统可以安装病虫害检测模块，实时监测农田的病虫情况，并及时报警，方便农民采取相应的措施进行防治。
三、智慧农业系统的设计与实现基于无线传感器网络的智慧农业系统的设计和实现过程需要考虑以下几个方面：1. 传感器节点的部署与管理在农田中合理部署传感器节点是系统设计的关键。
基于传感器网络的农业生长环境监测与控制系统设计
基于传感器网络的农业生长环境监测与控制系统设计农业是人类社会中最基本的生产活动之一，而农业生长环境对于作物的生长和产出起着至关重要的影响。
为了提高农业生产效益，减少资源浪费和环境污染，科学家们提出了基于传感器网络的农业生长环境监测与控制系统的设计。
本文将就该系统的设计原理、实施方案以及应用前景进行探讨。
基于传感器网络的农业生长环境监测与控制系统是一种利用现代传感器技术和无线通信技术来实现对农业生长环境参数进行实时监测和控制的系统。
该系统主要由传感器节点、通信设备、数据中心和决策控制中心四个主要组成部分构成。
传感器节点是系统的基础组件，通过实时采集和监测土壤温度、湿度、光照强度、空气温湿度等环境参数，将数据通过无线通信设备传输到数据中心，并根据需要进行相应的控制操作。
这些传感器节点通常采用低功耗的无线传感器节点，其具有小巧、低功耗、价格便宜等特点，可以方便地安装在农田中的作物上。
通信设备主要负责传感器节点与数据中心之间的数据传输，通常采用无线通信技术如Wi-Fi、ZigBee或LoRa等。
这些无线通信技术具有传输距离远、传输速率快、抗干扰能力强等优点，可实现传感器节点与数据中心之间的远程通信。
数据中心是系统的核心组成部分，负责接收和存储传感器节点采集到的数据，并通过数据处理算法对这些数据进行分析和处理，最终生成农业生长环境监测报告和分析结果。
同时，数据中心也提供了用户接口，用户可以通过该界面远程查看和控制农业生长环境，从而实现农业生长环境的精准管理。
决策控制中心是系统的决策与执行单元，根据数据中心的分析和处理结果，制定相应的决策和控制策略，并通过数据中心向传感器节点发送相应的控制指令。
决策控制中心可以根据实时监测的农业生长环境参数，自动调整灌溉、施肥、遮阳等控制参数，实现对农业生长环境的智能化管理和控制。
基于传感器网络的农业生长环境监测与控制系统设计具有诸多优势。
首先，通过实时监测农业生长环境的参数，提供精确的农业生长信息，帮助农民科学管理农田，最大限度地提高作物的产量。
基于无线传感器网络的智能农业监测与控制系统设计
基于无线传感器网络的智能农业监测与控制系统设计随着科学技术的发展和社会经济的进步，人们对农业生产的要求也越来越高。
为提高农业生产的效率和经济效益，减少对环境的影响，智能农业监测与控制系统应运而生。
该系统可以实现对土壤、气象、水质等农业生产环境的无线监测，并通过控制器对灌溉、施肥等农业生产行为进行智能调控，从而提高农业生产的效率和质量，减少能源消耗和环境污染。
一、系统架构无线传感器网络是智能农业监测与控制系统的核心技术。
其基本组成部件为传感器节点、无线通信模块、控制器和人机交互界面等。
传感器节点采用多种传感器进行环境数据监测，如土壤水分、温度、光照等。
传感器通过无线通信模块与控制器进行数据传输，控制器进行数据分析和处理，并通过人机交互界面向用户发送相关信息。
二、传感器选择无线传感器网络的传感器选择十分重要，不同的应用环境需要不同类型的传感器。
比如，在农业生产领域，土壤水分、温度和光照等因素对作物的生长发育有着重要的影响。
因此，选用土壤水分传感器、温度传感器、光照传感器等传感器节点进行监测。
三、数据通信技术无线传感器网络中的传感器节点需要实现与控制器之间的无线通信，所以需要使用相应的无线通信技术。
常见的无线通信技术包括ZigBee、LoRa、NB-IoT等，其中，ZigBee是一种低功耗、短距离、高速率的无线通信技术，适合于在小范围内进行传感器的信息传输，而NB-IoT则适用于覆盖面积广、观测频率低、传输量大的应用场景。
四、控制器设计在智能农业监测与控制系统中，控制器是整个系统的核心，其主要功能是进行数据分析和处理，并根据分析结果对农业生产行为进行智能调控。
控制器需要实现对传感器节点的数据采集、数据处理和决策控制等多项功能。
五、应用案例随着智能农业监测与控制系统的不断完善，越来越多的应用案例也浮出水面。
比如，在某粮油作物生产基地，利用智能农业监测与控制系统，农民可以随时查询农作物的生长状况，无论是土壤水分、气温、光照、二氧化碳、土壤pH值、作物生长状况等等。
基于无线传感器网络的智能农业监测系统设计与实现
基于无线传感器网络的智能农业监测系统设计与实现随着科技的进步和农业发展的需要，智能农业监测系统的设计与实现变得越来越重要。
基于无线传感器网络的智能农业监测系统，采用先进的传感器技术和数据处理算法，能够实时监测农田环境和作物生长状况，提供精确的数据支持决策，有效提高农业生产效益。
一、系统需求分析1. 农田环境监测：系统需要监测农田的温度、湿度、光照强度等环境参数，帮助农民了解农田的实时状态，及时采取相应的措施。
2. 作物生长监测：系统需要监测作物的生长状况，包括生长高度、叶片颜色、土壤湿度等指标，以便农民能够及时掌握作物的生长情况，并调整种植管理策略。
3. 灌溉控制：系统需要根据农田环境和作物的需要，自动控制灌溉设备的开启和关闭，以节约用水资源，并确保作物得到适当的灌溉。
4. 肥料施用控制：系统需要根据作物的需要，智能判断施肥时机和肥料种类，并控制相应的施肥设备，以提高肥料利用率，减少环境污染。
5. 数据显示与报警：系统需要将监测到的数据进行处理和分析，实时显示在农民的终端设备上，并在需要时发送报警信息，帮助农民快速发现问题并采取措施。
二、系统设计与实现1. 硬件设计：系统的硬件设计包括无线传感器节点、数据采集模块、控制模块和用户终端设备。
无线传感器节点通过无线通信将环境参数和作物生长数据传输至数据采集模块。
控制模块根据数据分析结果，控制灌溉设备和施肥设备的工作。
用户终端设备可以通过手机APP或电脑网页等方式，实时查看数据、进行控制和接收报警信息。
2. 通信技术选择：系统采用无线传感器网络进行数据的传输与通信。
传感器节点通过无线通信协议，将采集到的数据传输至数据采集模块。
数据采集模块将数据通过局域网或互联网传输至用户终端设备。
3. 数据处理与分析：系统通过数据处理与分析算法，对传感器采集的数据进行处理，并根据一定的规则和模型，提供相应的决策依据。
例如，可以通过土壤湿度数据和天气预报数据，智能判断是否需要进行灌溉，并控制灌溉设备的开启和关闭。
基于无线传感器网络的农田环境监测与数据采集系统设计
基于无线传感器网络的农田环境监测与数据采集系统设计摘要：无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）技术在农田环境监测与数据采集方面具有巨大潜力。
本文旨在设计一种基于无线传感器网络的农田环境监测与数据采集系统，为农田管理提供实时环境信息并支持决策制定。
引言：随着农业现代化的推进，农田环境监测与数据采集越来越受到重视。
传统的手工监测方式效率低下，且无法获取实时数据。
而基于无线传感器网络的农田环境监测与数据采集系统可以实时、准确地监测农田各项环境参数，为农田管理者提供大量有用的数据。
本文将介绍该系统的设计思路、主要功能和关键技术，并探讨其在农田环境管理中的应用前景。
一、设计思路：1. 系统目标：- 实现农田环境参数的实时监测与数据采集；- 提供数据可视化分析和远程访问功能；- 支持决策制定和农田管理优化。
2. 系统结构：- 传感器节点：负责感知农田环境参数；- 网关节点：负责无线数据传输和网络管理；- 数据处理节点：负责数据处理与存储；- 用户界面：提供数据可视化分析和远程访问功能。
3. 关键技术：- 无线传感器网络技术；- 数据采集与传输技术；- 数据处理与存储技术；- 可视化分析技术。
二、主要功能：1. 环境参数监测：- 温度、湿度、光照强度等环境参数的实时监测；- 土壤湿度、土壤酸碱度等土壤参数的实时监测；- 植物生长状态的监测。
2. 数据采集：- 传感器节点采集环境参数数据，并通过无线传输与网关节点通信；- 网关节点负责将传感器节点采集到的数据传输到数据处理节点。
3. 数据处理与存储：- 数据处理节点负责接收、处理和存储传感器节点采集到的数据；- 数据处理节点可以根据用户需求进行数据分析和预测。
4. 数据可视化分析：- 提供数据可视化界面，将农田环境参数以直观的图表形式展示；- 支持用户对数据进行查询和统计分析。
5. 远程访问：- 用户可以通过互联网远程访问系统，查看农田环境数据；- 支持手机、平板电脑等移动设备接入。
基于无线传感网络的智能农业监测与控制系统设计
基于无线传感网络的智能农业监测与控制系统设计智能农业监测与控制系统是一种基于无线传感网络的创新技术，旨在提高农业生产的效率和质量，实现农田的高效管理和精确控制。
本文将介绍基于无线传感网络的智能农业监测与控制系统的设计原理、功能和实施方案，并探讨其在现代农业中的应用前景。
一、智能农业监测与控制系统的设计原理智能农业监测与控制系统的设计原理主要基于无线传感网络技术和信息化技术。
无线传感网络由多个传感器节点和一个监测控制中心组成，传感器节点通过无线通信实现数据的采集和传输。
监测控制中心负责数据的接收、处理和控制指令的发送。
通过搭建这样的系统，可以实时监测农田的温度、湿度、光照等环境参数，并根据需求，对作物的生长环境进行精确调节和控制。
二、智能农业监测与控制系统的功能1. 环境监测功能：智能农业监测与控制系统能够实时监测农田的温度、湿度、光照等环境参数，并生成相应的环境数据报告。
通过对环境参数变化的分析，农民可以了解作物的生长状况，及时调整管理措施。
2. 水肥控制功能：系统可以实现对灌溉和施肥的自动控制。
根据作物的需水需肥量以及土壤的湿度、养分含量等指标，系统能够自动调整灌溉和施肥设备的工作状态，实现精确的水肥管理。
3. 病虫害监测功能：系统可以监测作物的病虫害情况，并提供实时报警。
通过及时采取控制措施，可以防止病虫害的蔓延，减少损失。
4. 数据分析和决策支持功能：系统可以对大量的农田环境数据进行分析和挖掘，帮助农民了解作物生长的规律和变化趋势，提供科学决策的依据。
三、智能农业监测与控制系统的实施方案1. 无线传感节点的部署：根据农田的实际情况和需求，合理部署无线传感节点。
选取适用于农业环境的传感器，包括温湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器等，并将它们安装在合适的位置，实现全面监测。
2. 无线通信网络的搭建：通过搭建无线通信网络，实现传感器节点和监测控制中心的无线数据传输。
选择合适的无线通信技术，如物联网技术、LoRa技术等，并进行合理配置和布线，确保数据的稳定传输。
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基于TinyOS无线传感器网络的农业环境监测系统设计
卜天然，吕立新，汪伟（安徽商贸职业技术学院电子信息工程系，安徽芜湖241000）
摘要：针对传统农业环境监测系统的局限性，设计了一种基于无线传感器网络的农业环境监测系统，给出了农业环境监测系统的体系结构，重点设计了使用MSP4300和CC2420芯片的传感器节点硬件结构和基于TinyOS操作系统构架的软件流程，系统可以对目标监测区内的温度、湿度、光照度等农业环境信息进行实时监测、可靠传输。解决了传统农业环境监测中存在的问题，为无线传感器网络应用于农业环境监测做出探索性研究。关键词：无线传感器网络；TinyOS；精准农业；环境监测中图分类号：S126文献标识码：B文章编码：1672－6251（2009）02－0023－04
DesignofagricultureenvironmentmonitoringsystembasedonTinyOSwirelesssensornetworkBUTian-ran，LVLi-xin，WANGWei(DepartmentofElectronicInformationEngineering，AnhuiBusinessCollegeofVocationalTechnology，Wuhu241000，China)
Abstract:Accordingtolimitationsoftraditionalagricultureenvironmentmonitoringsystem,anewagricultureenvironmentmonitoringsystembasedonwirelesssensornetworktechniqueisdesigned.Thearchitectureofprecisionagricultureenvironmentmonitoringsystemwasdescribedalso.Andthehardwarearchitectureofnetworks’nodewasdesignedbasedonthechipofMSP4300andCC2420,thesoftwareflowsofnetworks’nodebasedonTinyOSwasdesignedtoo.Someagricultureenvironmentparameterssuchastemperature,humidity,etc.inthetargetregioncanbemoitoredreal-timelyandtranferedsafety.Thisdesignsolvedtheproblemsoflimitationofinformationstorageandinconvenienceofmovingthedevicecausedbytraditionalagricultureenvironmentmonitoringsystem.Anexploratoryresearchofwirelesssenornetworksusinginagricultureenvironmentmonitoringwasmadeinthispaper.Keywords:Wirelesssenornetwork;TinyOS;Precisionagriculture;Environmentmonitoring
准确实时的信息供给是精准农业的必须前提，精准农业的实现首先在于认识农田内农作物生长环境和生长情况的差异，而这必须依赖于各种先进的传感器，如大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射、作物生长情况、作物产量等各种类型传感器。如何将这些传感器采集的信息及时准确地收集，为农业专家提供决策并制定农田变量作业处方的主要数据源和参数，一直是一个难题。近年来,出现了许多采用无线公共网络和无线网络等无线通讯方式进行农、林、牧业的远程监测的研究。这些无线通信技术的优势是传输速度快、信息量大、可远距离传输，但都存在功耗高、时延长、通信费用高等因素制约，使其很难广泛地应用到农业环境监测中。近年来随着微电子技术、计算机技术和无线通信技术的不断进步，无线传感网络被广泛地应用于各个领域。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，传感器节点具有数据采集处理、无线通信和自动组网的能力，协作完成大型或复杂的监测任务。无线传感器网络有监测精度高、低功耗、低成本、实时性好、高容量、覆盖区域大等显著优点，非常适合于农业环境监控系统的实现。本文在对现有农业环境监测系统和无线传感器网络充分研究的基础上，给出了一种基于无线传感器网络的农业环境监测系统方案，设计了传感器节点的硬结构，并在TinyOS操作系统的基础上，完成了节点的软件设计。该系统可以对目标监测区内的温度、湿度、光
收稿日期：2008－11－26作者简介：卜天然（1981-），男，硕士研究生，网络工程师，研究方向：计算机网络。
《农业网络信息》2009年第2期研究与开发23——照度，CO2浓度等农业环境信息进行实时监测和可靠的远程采集。1TinyOS操作系统简介TinyOS是由加州大学伯克利分校开发的专门用于无线传感器网络的轻量级、低功耗的开源嵌入式操作系统，它在无线传感器网络的广泛领域中已被世界范围内的开发者应用到多个平台上。以通信为中心的设计和模块式软件模型，使得TinyOS符合无线传感器网络资源受限、功耗低和操作鲁棒性的需求。它所引入的事件（event）驱动执行模式和基于组件（compo-nent）的软件设计，在使用少量ROM的情况下支持高度并发处理、复杂协议和算法，提高了系统的性能，使得TinyOS能很有效地运行在无线传感器网络环境中。TinyOS运行在每个传感器网络节点上，是上层应用和协议运行的前提。TinyOS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。基于TinyOS的开发者可以选择所需要的组件，组件库包括网络协议、分布式服务、传感驱动器和数据采集工具，这些组件都可以作为进一步开发的基础。2系统总体设计2.1系统体系结构基于无线传感器网络的农业环境监测系统由无线传器节点、无线网关和监测中心服务器三部分组成。根据传感器节点在网络中扮演的角色不同，可将它们分为传感器节点和网关节点二种类型。其中传感器节点的作用是通过传感器采集目标监测区域周边环境数据，并进行相应的存储及处理，然后通过短距离无线通信把消息发送到网关节点，同时，每个传感器节点都是一个路由器，具有自组网的能力。网关节点的作用是接收传感器节点传送来的数据，对数据进行融合处理后，通过其它外部网络将数据传送到监测中心服务器。系统的体系结构如图1所示。图1农业环境监测系统体系结构图2.2系统工作过程系统工作时首先由监测中心服务器发出对农田环境各项指标进行查询的请求命令，通过Internet和GPRS网络传到网关节点。网关节点根据请求命令的
具体要求，将命令数据以广播的形式向传感器节点发送，当传感器节点收到控制命令，首先根据命令指定的ID号判断是否为本结点的数据采集指令，如果不是将继续保持低功耗模式，否则从低功耗模式激活，驱动传感器对数据进行采集。数据采集完成后，查找路由表，将数据传送给邻近节点，最后数据到达网关，再由网关通过外部网络将数据传送给监测中心服务器。监测中心对数据进行处理、分析，并存入环境信息数据库，为以后的分析决策提供数据资源。3传感器节点的硬件设计传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。本文中的传感器节点是由传感器模块、微控制器模块、无线通讯模块和电源四部分组成。传感器模块由不同类型的传感芯片组成，负责采集温度、湿度、光照度等参数和数据的模数转换。主处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理从它自身采集来的数据以及其他节点发送来的二进制信息，无线通讯模块负责与其他的节点进行通讯，交换控制信息和收发数据。电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。其硬件结构如图2所示。
图2传感器节点硬件结构图3.1微控制器模块由于传器结点使用电池供电而且必须长期在野外工作，所以在选择微处理器时低功耗是一个非常重要的技术指标。经过资料收集和反复比较，最终选择了TI公司的MSP430F149单片机。MSP430F149是TI公
司的一款超低功耗混合信号控制器，能够在低电压下以多种低功耗模式工作，具有强大的处理能力和丰富的片内外设同时支持C语言编程。MSP430最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8V~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电在0.1μA~400μA之间，
《农业网络信息》2009年第2期研究与开发24——RAM在节电模式耗电0.1u。这些特点使得其非常适
合于无线传感网络结点的设计。3.2无线通信模块设计无线通信模块中，选用了Chipcon公司的CC2420射频收发器，它符合IEEE802.15.4标准，能实现Zig-Bee协议的物理层（PHY）及媒体访问控制器（MAC）层，同时具有低耗电、250kbps传输速率、快速唤醒时间（＜30nm）、CSMA-CA通道状态侦测等特性。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路以及微控制器接口电路和微处理器之间使用4线SPI连接。3.3传感器模块设计温度、湿度的测量采用瑞士Sensirion公司推出的新一代基于CMOSensTM技术的数字式温、湿度露点传感器SHT11，可实现数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换功能。CMOSensTM技术不仅将温、湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内，SHT11的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机。在测量太阳光辐照度部分，选用TI的TSL230B芯片。它主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS电流频率集成转换器构成。芯片把一定的光谱的光转换成电流，再由电流/频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出方波或者三角波的频率完全由光照幅度决定，分辨率极高，可以直接与微控制器连接。为了使系统具有很好的扩展性、灵活性，系统在设计时增加了通用模拟、数字接口，可扩展其它传感器对CO2浓度、土壤的PH值、EC值和作物的生理参数进行测量。模拟接口能够处理0~5V、1~10V、0~10mA、4~20mA标准模拟信号，模拟信号经过低通巴特沃思型滤波器及低功耗运算放大器LMV324实现阻抗匹配进入单片机的12位A/D转换，提高系统的测量精度。3.4电源模块及硅序列号接口设计传感器结点采用两节5号电池供电，能耗是无线传感器最重要的资源，电池能够提供2.2Ah的能量，经过升压DC/DC芯片NCP1402转换到3.3V和5V，电池使用效率可达85%。根据需要切换高低频率、单片机的低功耗模式、可改变工作电压，同时采用模拟开关ISL43111来控制各个传感器的供电，在不需要采集数据时关闭电源以进一步降低功耗。由于本设计中的传感器网络通过广播的方式进行通信，因此每个节点需要一个唯一的序列号即ID来表明自己与其它节点的区别。从硬件上考虑，这就需要一个能够提供唯一序列码的芯片。而结合无线传感器网络的特点，该芯片应该具有低功耗、小成本且控制简单的特点。综合各种因素，设计的传感器节点采用Dallas公司生产的DS240lP芯片。该芯片内含一个工厂刻入的64位ROM，其中包括：48位唯一序列码、8位CRC校验码和8位家族码。它采用DallasSemieonductorl-Wire通讯协议，与微处理器仅通过一