基于GPRS的土壤溫濕度采集系統(tǒng)

摘要 設計了一種基于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絡的環(huán)境監(jiān)測方案。無線傳感器網絡是由大量隨機分布的傳感器節(jié)點，通過無線通信技術自組織構成的網絡，傳感器節(jié)點具有數據采集處理、無線通信和自動組網能力。文中利用Telosb節(jié)點平臺設計了傳感器節(jié)點的硬件結構，并在TinyOS操作系統(tǒng)的基礎上，完成了節(jié)點的軟件設計。該系統(tǒng)可以對目標監(jiān)測區(qū)內多點的溫濕度進行實時采集，實現(xiàn)單跳和多跳的數據傳輸，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。
關鍵詞 GPRS；實時采集；telosb；TinyOS

對于農林作物而言，土壤溫濕度是其發(fā)育、生長的重要條件。在古代中國農業(yè)中，將濕潤的土壤稱為“墑”，并有豐富的關于保墑、散墑等調節(jié)土壤水分狀況的技術和作業(yè)。土壤溫濕度是反應土壤狀況的重要物理參數，決定著植物生長狀況的好壞，它對于研究植物水分利用、農業(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)“精細農林業(yè)”與“精細灌溉”的關鍵，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、經濟、精度高、可靠性強、適合實時測量的土壤溫濕度測量技術是科學決策的依據。

1 系統(tǒng)框架
設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：數據采集模塊和GPRS網關，如圖1所示。數據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)控網絡。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網關由單片機與GPRS模塊構成，它負責將主節(jié)點的信息發(fā)送給監(jiān)控主機。

2 數據采集模塊
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)點的數據，并將數據處理后，發(fā)送至串口。即通過主節(jié)點Telosb平臺的UART0將數據傳送給GPRS網關。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接口獲取數據和編程，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絡的輕量級、低功耗的開源嵌入式操作系統(tǒng)，它以通信為中心的設計和模塊式軟件模型，使得TinyOS符合無線傳感器網絡資源受限、功耗低和操作魯棒性的需求。它所引入的事件(event)驅動執(zhí)行模式和基于組件(component)的軟件設計，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絡環(huán)境中。TinyOS運行在每個傳感器網絡節(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?；赥inyOS的開發(fā)者可以選擇所需要的組件，組件庫包括網絡協(xié)議、分布式服務、傳感驅動器和數據采集工具，這些組件都可以作為進一步開發(fā)的基礎。