专利名称：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PMl 11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。
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Ila为写时序图；图lib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。
具体实施例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°C +85°C时精度为士0.4°C，供电范围为3-5.5V，量程 为-55°C +125°C。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SHTlO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SHTlO芯片，精度范围为相对湿度士4.5%，温度士0.5°C。如果想要更高的精
5度可以换用其它芯片，如SHT71，精度范围达到相对湿度士 1.8%，温度士0.3°C。供电范 围为2. 4V-5. 5V。温度量程为-40°C 123. 8°C，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IOkQ，将信号提拉至高电平。在VCC3V和地间应该接个0. 1 μ F的 滤波去耦电容。SCK、DATA分别和JN5139的DI09、DI010相连，其中DATA通过IOkQ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RHlinear =C1+c2· SOrh + C3 · SO2rh (%RH)q)式中，SOeh为传感器的输出，通过公式⑴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Sbit测量湿度，忽略SO^i，则相应的转化公式变 为RHlinear = -4. 0000+0. 6480 · SOeh (% 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RHlinear = (-8192+S0eh*1327) >> 11 (% RH)(3)若选用12bit测量湿度，相应的转化公式变为RHlinear = -4. 0000+0. 0405 · SOeh (% RH)(4)在JN5139编程时，将公式(4)变为RHlinear = (-8192+S0eh*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 · SOt(6)在JN5139编程时，公式(6)转成T = (_40550+41*S0T) >> 10(7)而在3V供电，14bit条件下，温度的转化公式为T = -39. 60+0. 01 · SOt(8)在JN5139编程时，公式(8)转成T = (_40550+10*S0T) >> 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DI014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DI014的高低电平控制传感器的电源通断。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号G01N33/24GK101951696SQ201010268978
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者李修华, 李民赞, 车艳双, 邓小蕾, 郑立华 申请人:中国农业大学