基于GPRS的土壤温湿度采集系统

摘要 设计了一种基于GPRS的土壤温湿度实时采集系统，给出了一种基于无线传感器网络的环境监测方案。无线传感器网络是由大量随机分布的传感器节点，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能力。文中利用Telosb节点平台设计了传感器节点的硬件结构，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多点的温湿度进行实时采集，实现单跳和多跳的数据传输，同时利用GPRS进行高效可靠的远程传输，实现长期动态监测。
关键词 GPRS；实时采集；telosb；TinyOS

    对于农林作物而言，土壤温湿度是其发育、生长的重要条件。在古代中国农业中，将湿润的土壤称为“墒”，并有丰富的关于保墒、散墒等调节土壤水分状况的技术和作业。土壤温湿度是反应土壤状况的重要物理参数，决定着植物生长状况的好坏，它对于研究植物水分利用、农业灌溉及生态系统的变化等具有重要意义。在现代农业中，能否对土壤温湿度进行有效测量与控制，是实现“精细农林业”与“精细灌溉”的关键，同时在水文、气象和生态科学中，土壤温湿度的测量也具有重要意义。寻求一种快捷、经济、精度高、可靠性强、适合实时测量的土壤温湿度测量技术是科学决策的依据。

1 系统框架
    设计的土壤温湿度采集系统可以实时准确地获取监测区域的温湿度。系统由两部分组成：数据采集模块和GPRS网关，如图1所示。数据采集模块由多个从节点与一个主节点组成，形成一个监控网络。它将各个从节点采集到的土壤温湿度信息，发送给主节点；GPRS网关由单片机与GPRS模块构成，它负责将主节点的信息发送给监控主机。

2 数据采集模块
    模块包含两部分：采集(从)节点、主节点。采集节点由TI MSP430F1611单片机、时钟、存储、LED显示、CC2420通信模块、土壤温湿度传感器5TM等组成，如图2所示。它负责实时采集监测点的土壤温湿度信息，并发往主节点；主节点无土壤温湿度传感器模块，其他部分与采集节点相同。它负责接收采集节点的数据，并将数据处理后，发送至串口。即通过主节点Telosb平台的UART0将数据传送给GPRS网关。采集节点的软件平台基于TinyOS2．1．1操作系统开发，使用TinyOS-2．1．1操作系统内核，各模块及应用程序由nesC语言编程实现。

2．1 节点平台
    节点采用Crossbow公司的TelosB，TelosB具有低功耗和快速苏醒功能，可保证更长的电池寿命。主要功能及部件有IEE802．15．4协议、250 kbit·s-1高传输速率射频器、TI MSP430F1611单片机、10 kB RAM微处理器、集成板载天线。可通过USB接口获取数据和编程，开源操作系统，集成了光照及空气温度、湿度传感器，两个扩展接口和板载跳线可以通过配置控制模拟传感器以及电子外围设备等。
2．2 TinyOS操作系统
    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(component)的软件设计，在使用少量ROM的情况下支持高度并行处理、复杂协议和算法，提高了系统的性能，使得TinyOS能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，以完成所需的功能。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。
2．3 采集节点软件结构
    采集节点的软件结构分为嵌入式OS内核和API两层，嵌入式OS内核提供任务调度模块、功耗管理模块和通信协议模块，内核底层还提供了对节点上所有硬件设备的驱动。API层提供传感器采集模块和射频通信模块。采集节点软件体系结构如图3所示。

    采集节点流程如图4所示，通电后首先对单片机进行初始化，然后初始化TinyOS操作系统并加载SPI驱动来初始化无线通信模块CC2420。由于采集节点采用电池供电，必须要保证终端节点的低功耗，因此设计采集节点定时采集数据，主节点采用被动唤醒的方式连接网关模块，其他时间则转入低功耗模式。处于低功耗状态的节点关闭传感模块以及部分电路，只保留单片机内部定时器、中断以及无线通信模块。

    当主节点无线通信模块收到采集节点发来的广播数据时唤醒节点，由于每一个节点有一个事先分配的唯一ID，当节点接收到一个数据包时，先取出该数据包包头的ID与自己的ID比较，如果一致则接收，否则就丢弃。接收数据后，主节点将数据处理后，传给GPRS模块。
2．4 土壤温湿度传感器
    采集系统采用美国Decagon公司的土壤温湿度传感器5TM。5TM温度传感器为热电阻。湿度传感器属于频域反射法(FDR)，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中的传播频率来测试土壤的表观介电常数的变化，将这些变化转变为与土壤体积含水量成比例的mV信号来计算土壤体积含水量。其基本原理：FDR的探针主要由一对电极组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电容和振荡器组成一个调谐电路，振荡器频率F与土壤电容C呈非线性反比关系F=12πL×C+1Cb×15。式中，L为振荡器的电感；Cb为与仪器有关的电容。由于土壤电容C随土壤含水率的增加而增加，于是振荡器频率F与土壤含水率的关系被建立。
    5TM是此类传感器中唯一对土壤盐度和温度效应敏感度相对较低的一种，而且耗电较少，从而更容易实现长期监测。该传感器测量相对湿度的范围是0％～100％，分辨力达到0．08％RH，最高精度为±2％RH，测量温度的范围-40～50℃，供电电压3．7～12 V，输出TTL的异步串口信号，异步串口的波特率为1 200 baud。由于该传感器的测量是在加电的瞬间完成，所以每次获得数据后都要断开传感器的电源，以便下次测量。为此用晶体管BC847及1 kΩ电阻组成一开关电路，如图5所示，应用采集节点上MSP430单片机的P6.6／DAC0控制NPN三级管的基极，来控制土壤温湿度传感器5TM接地一端的通断。P3.4／UTXD0接到5TM的数字输出口，传感器断电后，由P3.4口读出传感器数据，通过无线发送至主节点。

    对于5TM，需要对测量的原始值进行校正：(1)介电常数校正。若介电常数的测量值为εRaw，校正后的土壤介电常数εa=εRaw／50。对于盆栽土，土壤湿度0．247。(2)温度校正。若温度测量值TRaw≤900，则TRaw2=TRaw；若温度测量值TRaw>900；则TRaw2=900+5(TRaw-900)，由此计算温度值T=(TRaw2-400)／10℃。

3 GPRS网关
    GPRS网关模块由控制模块和GPRS通信模块组成，其中GPRS通信是采集控制系统和监控主机连接的扭带，GPRS通信的质量直接影响系统的稳定。系统采用西门子公司的MC52i设计GPRS通信电路。MC52i具有体积小、电压要求低、开机成功率高等优点，而且内嵌了TCP／IP协议。MS P430F149与MC52i之间的通信是基于RS232协议的串口通信，MSP430F149的P3.6和P3.7(UART1)分别与MC52i的RX和TX相连。MC52i在发射数据时会有一个瞬时的尖峰电流产生，为使系统不受尖峰电流的影响，采用3个470μF的胆电容并联进行滤波，图6为网关框图。网关类似一个具有IP地址的“计算机”，可以与远程服务器进行基于TCP／IP的网络通信，流程图如图7所示。

4 系统测试
    采集系统由1个主节点及3个从节点构成。采集的数据汇聚到主节点，并通过GPRS模块，传送到监控主机。监控主机的主要功能是把数据帧进行解析，然后存进数据库并显示在控制界面上。在监控主机上，根据各节点地址及时间等信息查询历史数据和当前数据，采集系统主程序流程如图8所示。

    测试系统置于温室大棚中，测试结果如图9所示。这里截取了部分测试数据。数据采用16进制，每一行前8 Byte为包头，后10 Byte为测试数据，用2 Byte代表一个测试量，分别为：节点标识码ID、计数器、内电压、土壤湿度介电常数εRaw和土壤温度TRaw。

    图9中，每隔5 min采集一次数据，在节点1两次采集到的土壤湿度介电常数均为(01 B8)16、土壤温度均为(02 77)16。由此计算出节点1处的土壤温、湿度的平均值分别为VWC=24．59％，RH，T=23．1 ℃。

5 结束语
    设计了一个基于无线传感器网络的土壤温湿度监测系统，可实现土壤温湿度的远程实时在线监测。系统具有低功耗、配置灵活、适应能力强的特点，可用于野外林地及大棚内多个区域的实时监测。