摘  要： 基于WSN 的水稻生长环境远程监测系统，以ARM9为核心，结合ZigBee技术和3G技术，实现水稻田间多参数的实时与远程监控。该系统将传感器节点采集到的数据通过ZigBee无线网络发送到网关节点，通过3G技术建立协调器网关节点与远程监控中心的无线连接，监控中心PC连接了3G网络和MySQL数据库。用户可通过远程PC实时监测、查询水稻生长环境信息，从而提高水稻生产自动化管理水平。

　　关键词： WSN；3G；ARM9；水稻生长环境；远程监测

　　我国是水稻种植大国，水稻总产占世界之首。水稻是全球人口赖以生存的主要粮食之一，水稻产量对于维护国家稳定、社会安定和人民安居乐业有着重要意义。优良的水稻生长环境是保证水稻的质量和产量的重要前提，搭建水稻生长环境远程监测系统，实时准确地监测水稻田环境参数，如水稻生长过程中田间水位、空气温湿度、日光照强度等，对提高水稻质量和产量具有重要意义。

　　随着我国农业由传统向精准农业的转变，信息技术在农业生产领域得到广泛应用。基于ZigBee的WSN技术[1]，是一种近距离、低成本、低功耗、低复杂度、低数据传输速率的双向无线网络传输技术，该技术满足农田信息数据传输要求，是大面积水稻田间环境采集信息传输的最佳选择。近年来，3G网络技术[2]在中国的应用己逐渐成熟，3G网络技术作为一种先进的无线通信技术，比第一代通信技术、第二代GSM和GPRS技术有着明显的技术优势。其主要优点体现在网络数据的传输速率明显提升、带宽的明显增大、数据传输更加安全可靠、能够实现无网段间的通信。3G网络提供的高带宽和多媒体技术优势能够在一定程度上改变传统的环境监测情况，用户可以通过3G网络进行大量数据监测和数据处理，并可通过摄像头进行随时的视频监测。因此，将3G技术应用于农业生产领域，为实现农田管理的信息化、智能化起到重大的加速作用，能给精准农业[3]的发展带来巨大的影响。

1 系统总体设计方案

　　为了实现对水稻生长环境信息的远程监测和智能管理，系统采用了无线传感技术、移动通信技术和计算机网络技术等，基本实现了信息的多点自动采集、无线传输、远程监测及智能管理等功能。系统主要包括信息感知层、通信链路层和应用层3部分。系统总体架构如图1所示。

　　其中信息感知层由传感器节点（包括终端采集节点、路由节点）和协调器网关节点组成[4]。传感器节点连接温湿度传感器、水位传感器、水温传感器和光照传感器，用于采集稻田现场数据，数据经过路由节点，以多跳的方式，通过ZigBee无线传感技术传至网关节点。通信链路层实现ZigBee近距离、低功耗无线传感网络、3G远程无线通信网络以及因特网之间的互连。应用层包括连接了3G网络的数据库、PC用户和PDA用户，用户可以通过登录服务中心系统实现农田信息的实时监测。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 传感器节点

　　传感器节点分为终端采集节点和路由节点两部分，两种节点的硬件组成相同。本文传感器节点采用Jennic公司的JN5139芯片为无线控制模块[5]，外接传感器模块组成。其中JN5139芯片是一个适合于IEEE 802.15.4应用的低成本、低功耗的无线微控制器，芯片上集成了一个32 bit的RISC处理器、一个2.4 GHz频段符合IEEE 802.15.4规约的无线收发器，此外，芯片上还集成了192 KB的ROM、92 KB RAM及丰富的模数外设资源等。传感器节点示意框图如图2所示。

　　为了采集水稻田间环境参数，系统采用空气温湿度传感器、水位传感器、水温传感器和光照传感器，传感器器件参数如表1所示。

　　2.2 协调器网关节点

　　考虑到协调器网关节点需要处理大量数据，并实现与上位机间的无线数据交互，因此协调器网关要求具有较强的数据处理能力和较快运行速度。本系统协调器网关选用基于ARM 920T内核的S3C2440处理器、ZigBee无线收发模块及3G模块等组合而成[6]，如图3所示。

　　数据从协调器网关到应用层数据库的远程传输通过3G模块来实现。目前我国存在3种不同的3G标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，分别为联通、电信和移动三大电信运营商运营标准[7]。本文采用了广州致远电子有限公司生产的型号为ZWW-36A的3G DTU模块。该3G DTU是采用WCDMA网络标准的无线数据传输模块，具有提供可靠、便捷、透明数据通道和无线的嵌入式开发条件等优点。ZWW-36A中WCDMA模块的3G网络具有能达到7 Mb/s的下行链路速率理论值和5 Mb/s多的上行链路理论值，因此用户利用它能够进行大量、高速的网络数据传输。

3 系统软件设计

　　3.1 协调器组网流程

　　ZigBee无线网络有[8]星形（Star）、树形（Cluster Tree）和网状（Mesh）3种组网方式，本系统实现的是无线Mesh网络。该网络中ZigBee节点分为协调器、路由器和终端设备3种，ZigBee协调器管理整个网络，主要负责子节点的管理和实现与3G远程网络的通信，一个ZigBee无线网络只能有一个协调器。感知层节点组网流程如图4（a）所示。

　　首先节点上电，网络进行初始化操作；接着协调器执行信道扫描，包括能量扫描与主动扫描两个过程，能量扫描会获得每一个信道的能量值，然后将这些能量值由小到大进行排列，超出允许范围能量值的信道弃用，主动扫描对允许范围内的信道进行扫描，从而找到可以组建网络的信道；当扫描到合适的信道，协调器就配置网络参数，并设置网络的PAN ID，运行网络同时等待其他节点设备加入网络；当传感器节点加入网络，它将采集到的数据发送到协调器网关节点，之后协调器节点串口控制3G网络将数据转发至远程应用层数据监控中心，为数据智能管理和科学决策提供基础信息库，用户可通过访问信息库跟踪、查询和分析水稻田间环境信息。

　　3.2 传感器节点程序设计

　　传感器节点分为终端采集节点和路由节点两种，ZigBee路由器主要负责网络路径发现和路由维护，Mesh网络中可以有多个路由器设备节点。ZigBee终端采集节点负责数据的实时采集与发送，本系统中的终端采集节点主要负责数据采集和数据传输的工作，Mesh网络中可以有多个终端采集设备节点。加入网络流程如图4（b）所示。

　　传感器节点上电后，首先进行系统初始化，包括ZigBee协议栈的初始化和硬件外设的初始化[9]；接着执行信道扫描来发现信道中存在的网络，并选择一个合适的网络准备加入，入网前设备先向协调器发送请求入网，当收到协调器允许加入的确认后，路由器节点和终端设备节点加入网络，网络组建完成读取终端采集节点数据，传送到协调器。

　　3.3 上位机数据控制中心

　　应用层上位机数据接收程序运行在远程数据中心的MySQL数据库服务器上，采用C++语言、Windows XP操作系统、Microsoft Visual C++6.0开发工具和MySQL数据库[10]。该应用程序采用C/S结构模型，数据访问采用配置ODBC数据源连接数据库，实现应用程序与数据库之间的交互，用户可以通过用户交互界面管理对上传的数据信息进行实时监测、动态分析和历史查询，同时还能进行WSN节点信息管理、用户信息管理等。上位机监测系统功能设计如图5所示。

4 试验与分析

　　为了检验系统的可行性和稳定性，首先在实验室进行了组装测试，系统安装了空气温湿度、光照强度、水温和水位传感器，数据采集时间间隔设置为20 min，图像采集时间间隔设置为10 min，测试成功后在实验室正常运行一段时间。然后将系统安装到实际试验基地进行现场测试，传感器终端节点采集现场环境数据以多跳的方式传送至协调器网关节点，再由3G无线通信网络上传至数据库服务器，为数据智能处理和科学决策提供基础信息库。用户通过操作上位机监控软件可实时监测田间环境状态，实现对水稻生长更精细的管理，查询基础数据库（如图6所示）可了解某地块农作物的历史生长环境信息，从而为来年水稻的选种、播种等作出有效判断。

　　本文将ZigBee技术和3G技术应用在水稻生长环境远程监测系统中，充分发挥ZigBee技术组网速度快、功耗低、成本低和3G业务高带宽、具备多媒体技术等特点，能够很好地解决有线传输技术的布线复杂、成本高、难以维护等问题，有利于不同区域地块的智能化管理。

　　系统通过现场环境测试，试验结果证明，基于WSN的水稻生长环境远程监测系统运行稳定，具有较为友好的人机界面，易于维护和扩展，方便地实现了水稻生长环境参数的实时远程传输与监控，为进一步分析农业环境参数变化趋势提供了十分重要的数据支持，对指导农业精准化管理具有重要意义。

参考文献

　　[1] 张帆，刘刚，刘春红.基于WEB和GPRS的温室远程监测与管理系统设计[C].北京：中国农业工程学会学术年会论文集，2011.

　　[2] 杨玮，李民赞.基于ZigBee、3G网络的温室远程监测系统[C].北京：中国农业工程学会学术年会论文集，2011.

　　[3] SHI BUBU SAWA S. Approach to precision farming in Japan[C]. The Fifty-eighth Society of Agricultural Machinery in Saga University， 1999：509-510.

　　[4] PARK D H， PARK J W. Wireless sensor network-based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J]. Sensors， 2011，11（4）： 3640-3651.

　　[5] YANG S， DAI F， CARDEI M， et al. On connected multiple point coverage in wireless sensor networks[J]. International Journal of Wireless Information Networks， 2006， 13（4）：289-301.

　　[6] Zhang Jie， Li Aicheng， Li Jian long， et al. Research of real-time image acquisition system based on ARM 7 for agricultural environmental monitoring[J]. IEEE Transactions on PE， 2011：6216-6220.

　　[7] ZigBee Alliance. ZigBee Specification Version 1.0[S]. ZigBee Standards Organization， 2004.

　　[8] LI H X， XIAO C， KE Y， et a1. A monitoring system for vegetable greenhouses based on a wireless sensor network[J]. Sensors， 2010，10（10）：8963-8980.

　　[9] HWANG J， SHIN C S， YOE H. Study on an agricultural environment monitoring server system using wireless sensor networks[J]. Sensors， 2010， 10（12）：11189-11211.

　　[10] FORTA B. MySQl Crash Course[M]. Posts & Tele Press， 2013.