基于无线传感网络的草原气象自动监测系统设计
张钊+李玮+辛晓平
摘 要： 针对无线传感网络的草原气象自动监测系统硬件中的射频模块、系统感知模块、能量模块以及系统处理模块进行设计与选型，并采用直接序列的扩频技术，实现短距离的无线监测；在节点初始位置中添加相应的传感器软件，使代码能够有效整合到系统之中。经过分析不同字节的意义，对数据传输协议进行修改，并将寄存器数据值转换为真实数据值，方便客户查看。通过实验验证该系统的合理性，并得出实验结论。实验结果表明，该系统具有监测精确、速度快、时间短等优势，有利于牧区的生产。
关键词： 无线传感网络； 草原气象； 自动监测； ZigBee技术
中图分类号： TN915?34； TP393. 07 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0015?03
Abstract： For the automatic monitoring system of grassland weather， the design and model selection are performed for the RF module， system perception module， energy module and system processing module of the system hardware. The spread spectrum technology of direct sequence is used to realize the short?distance wireless monitoring for the modules. The corresponding sensor software is added into the initial position of the node to integrate the code into the system effectively. By analyzing the meaning of different bytes， the data transfer protocol is modified and the register data value is converted into the real data value for customer convenient viewing. The rationality of the system is verified with experiment， and the experimental conclusion is obtained. The experimental results show that the system has the advantages of accurate monitoring， fast monitoring speed and short time， and benefits the production of pasturing area.
Keywords： wireless sensor network； grassland weather； automatic monitoring； ZigBee technology
0 引 言
近幾年，随着我国经济的迅速发展，畜牧业的进程不断加快。为了提高利益，人们对自然环境资源的合理利用越来越重视。尤其草原在人类的生活中占据着重要地位，比如，保持水土、维持生态平衡等，但是更重要的是保护自然环境，随时关注气象变化情况，确保生物生存安全，维持草原的可持续发展。
针对传统自动监测系统存在监测数据不准确、鲁棒性差、速度慢等问题，无法达到草原气象监测的标准，降低了社会的经济效益，本文提出基于无线传感网络的草原气象自动监测系统。针对系统硬件中的射频模块、系统感知模块、能量模块以及系统处理模块进行设计与选型，并采用直接序列的扩频技术实现短距离的无线监测。在节点初始位置中添加相应的传感器软件，使代码能够有效整合到系统之中。经过分析不同字节的意义，对数据传输协议进行修改，并将寄存器数据值转换为真实数据值，方便客户查看。通过实验验证该系统的合理性，并得出实验结论。实验结果表明，该系统具有监测精确、速度快、时间短等优势，有利于牧区的生产。
1 自动监测系统总体结构设计
草原气象自动监测系统设计采用基于ZigBee技术的无线传感网络技术，该技术的应用已经越来越广泛，其中主要有星型结构与多级树结构，为了构造良好的监测系统应充分考虑多级树形的网络结构，其优点是物理范围覆盖面较广，容纳的网络节点较多，还可延长传感器节点与各个协调器之间的通信距离，进而提高网络的携带负载能力[1]。该系统的ZigBee网络树状结构是由协调器、节点以及路由器组成的，不同路由器节点与终端节点都携带传感器，而协调器需要通过串口与无线服务设备进行连接，并将收集的信息发送给无线服务设备，实现实时监测的目的。为了降低整个网络的消耗，需要延长网络使用寿命，该系统使用定时唤醒模式，按照用户的需求定时唤醒各个节点发送的信息，剩下的时间该系统处于休眠模式。考虑实际应用功能，设计系统的模拟分布图，如图1所示。
1.1 系统硬件设计与选型
针对系统各个模块硬件进行设计与选型，主要有无线服务硬件选择和无线传感器网络硬件设计与选型。无线传感网络系统硬件主要包括射频模块、系统感知模块、能量模块及系统处理模块，能量模块选择型号为CC2430，射频模块支持2.4 GHz的ZigBee协议，该芯片尺寸为6 mm×6 mm，集合了运算、加密、存储以及无线接收的各种功能[2]，且接口方便、性能比较可靠。该芯片能解决传统监测功能消耗高、成本花费大等问题，用该芯片具有以下优势：
（1） CC2430芯片上系统功能模块集成了CC2420RF型号的收发器，增强了型号为[8051]的微控制单元，大大提高了数据处理速度[3]。
（2） 与传统系统相比，该系统电流消耗较小。正常工作电流消耗功率小于25 mA，处于休眠时电流消耗为0.8 μA，待机时刻电流消耗[4]小于0.5 μA。
（3） 时延较短。该系统从休眠状态到工作状态仅需15 ms，将节点进行初始化并接入到网络的时间仅仅为30 ms。
（4） 代码较短。对该系统设计的8位微型控制进行测量与计算，整个系统功能的节点只有32 KB的代码，而子功能节点至少为4 KB的代码。
型号为CC2430的高频率部分需要采用直接序列的扩频技术，该项技术不仅能够为军事训练天气监测提供更加安全的保障，还能够实现短距离的无线监测，并且提高无线监测的可靠性[5]。
1.2 无线模块软件部分设计
1.2.1 ZigBee网络的构建
基于ZigBee技术的无线传感网络通信是一种应用非常广阔的技术，根据不同应用领域，对网络结构要求也不同，在该系统中添加传感器。传感器节点资源是非常有限的，需要设计优化的网络拓扑结构来提高自动检测效率，进而提升网络的可靠性与动态性。
在节点初始位置中添加相应的传感器软件，并在程序编译的过程中，使用make工具进行编译[6]。用户需要对目录中的文件做出修改，使得代码能够有效整合到系统之中，具体操作如图2所示。
不同节点需要先确定好随机延时的时间，进入等待状态，如果时间达到，节点就会发送入网请求，随后监听网络是否存在发送间隔包信号，即完成协调器自动监测。由于选择的数据具有随机性，进而导致时间延长，发生碰撞，因此需要规定监测的上限。如果节点没有接收到间隔包[7]发送的信号，那么需要重复第一次申请，等待间隔包响应；如果重复的次数已经达到了假设的上限，节点没有接收到信号，那么该区域就不会存在网络；如果达到规定的上限，那么节点就会收到信号，确定网络已经存在，即完成入网的过程。
1.2.2 数据传输协议修改
将ZigBee网络组建之后，需要对各个节点的数据进行采集并传送到协调器上，在这期间需要有固定的数据传输协议，方便协调器能够区分节点传来的方向和物理信息种类[8]。当组建的网络具有拓扑结构时，网络中会存在多个协调器，为此需要在数据传输的协议中对每一个协调器、终端的节点和传感器进行设置，首先对原始的数据传输格式进行分析。将协调器直接与主机串口连接，通过串口助手，采集未经过处理的数据：[2820350E000100000400010011301D81B15037854，]经过分析不同字节的意义，对数据传输协议进行修改，见表1。
1.2.3 节点数据转换
根据不同传感器结构，对输入与输出的特性与性能进行分析，降低电路板统一设计的难度。串口显示出的寄存器与主机所表示的变量转换关系并不相同，因此需要针对不同传感器特性，将寄存器数据值转换为真实的数据值，方便客户查看。
2 实 验
为了验证该系统设计的合理性进行了如下实验。根据对草原温度和湿度数据的分析，将土壤温度、水分和空气的温度变化情况作为标准，分析草地土壤中的氮磷钾含量，确定pH值；还要分析牧草生长情况，确定草原气象合理承载能力的评估。
2.1 实验数据分析
合理推算草原放牧季节，将系统中物理信息之间的影响关系通过历史数据和曲线查询计算出两者之间的影响关系，进而确定草原不同季节气象情况。以草原空气温度数据为例，分析监测数据结果，见表2。
2.2 实验结果与分析
按照时间段可对各个区域监测的传感数据进行查询，根据草原气象特征，土壤水分数据、降雨量数据不会有较大变化，但是空气中的湿度、风速变化较大，因此按照实际需求对数据各个信息的变化特征进行统计，为此设计了三种频率，按照年、月、日对数据进行监测与分析。由表1可知，草原气象监测结果显示出时间范围内的平均值、最大值与最小值，根据该结果绘制柱状图，使数据对比更加明显，方便用户读取。
由图3可知，该监测系统通过柱状图能使用户直观地获取草原气象空气湿度情况，进而掌握草原区气候。
2.3 实验结论
基于ZigBee无线传感网络的草原气象自动监测系统能使用户直观地获取草原气象空气湿度情况，进而更便捷地掌握草原区的气候状况和动态；传统系统自动监测的土壤水分数据与实际草原土壤水分存在较大的偏差，而基于ZigBee无线传感网络的草原气象自动监测系统与实际值相比误差较小，该系统具有监测精确、速度快、时间短等优势，适合草原气象的自动监测。
3 结 语
随着我国国民经济的不断增长，畜牧业需求不断增加，随着草原地区环境保护意识的提高，草原气象自动监测逐渐成为科研工作关注的焦点。基于ZigBee无线传感网络的草原气象自动监测系统涵盖了硬件设计、软件设计和无线远程服务，经过上述实验内容得出：该系统设计能够实现对草原气象的精准监测，鲁棒性较强，具有可移植性，在草原生态系统监测和管理中实现数字化监测、远程传输，实现数字草原的发展目标有重要作用。
注：本文通讯作者为辛晓平。
参考文献
[1] 张亚，罗希昌，陈浩，等.气象无线传感网观测节点的设计与实现[J].气象科技，2015，43（6）：1046?1052.
[2] 许伦辉，李鹏，周勇.基于ZigBee和GPRS的农业区域气象环境远程监测系统设计[J].江苏农业科学，2015，43（6）：380?383.
[3] 田军，董兴，韩卫洁，等.基于无线传感网络的目标入侵监测系统设计[J].现代电子技术，2015，38（3）：23?25.
[4] 杨瑞峰，王雄，郭晨霞，等.基于ZigBee无线传感网络环境监测系统设计与应用[J].电子器件，2017，40（3）：760?765.
[5] 张新聚，李凯，岳彦芳，等.基于无线网络的农田信息远程监测系统的设计与开发[J].科技通报，2017，33（6）：156?158.
[6] 王昆，陈昕志.基于无线传感网络的智能旋耕机定位系统设计[J].农机化研究，2016，38（5）：112?116.
[7] 邓伯韬，孙涛.基于无线传感网的图像监测系统的设计与实现[J].武汉科技大学学报，2015，38（2）：138?142.
[8] 薛亚平.基于WSN的高校园区变送电远程监控系统设计[J].电源技术，2016，40（7）：1505?1507.
[9] 高金转，彭旭锋，张会新，等.基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计[J].电子器件，2016，39（3）：546?550.
摘 要： 针对无线传感网络的草原气象自动监测系统硬件中的射频模块、系统感知模块、能量模块以及系统处理模块进行设计与选型，并采用直接序列的扩频技术，实现短距离的无线监测；在节点初始位置中添加相应的传感器软件，使代码能够有效整合到系统之中。经过分析不同字节的意义，对数据传输协议进行修改，并将寄存器数据值转换为真实数据值，方便客户查看。通过实验验证该系统的合理性，并得出实验结论。实验结果表明，该系统具有监测精确、速度快、时间短等优势，有利于牧区的生产。
关键词： 无线传感网络； 草原气象； 自动监测； ZigBee技术
中图分类号： TN915?34； TP393. 07 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0015?03
Abstract： For the automatic monitoring system of grassland weather， the design and model selection are performed for the RF module， system perception module， energy module and system processing module of the system hardware. The spread spectrum technology of direct sequence is used to realize the short?distance wireless monitoring for the modules. The corresponding sensor software is added into the initial position of the node to integrate the code into the system effectively. By analyzing the meaning of different bytes， the data transfer protocol is modified and the register data value is converted into the real data value for customer convenient viewing. The rationality of the system is verified with experiment， and the experimental conclusion is obtained. The experimental results show that the system has the advantages of accurate monitoring， fast monitoring speed and short time， and benefits the production of pasturing area.
Keywords： wireless sensor network； grassland weather； automatic monitoring； ZigBee technology
0 引 言
近幾年，随着我国经济的迅速发展，畜牧业的进程不断加快。为了提高利益，人们对自然环境资源的合理利用越来越重视。尤其草原在人类的生活中占据着重要地位，比如，保持水土、维持生态平衡等，但是更重要的是保护自然环境，随时关注气象变化情况，确保生物生存安全，维持草原的可持续发展。
针对传统自动监测系统存在监测数据不准确、鲁棒性差、速度慢等问题，无法达到草原气象监测的标准，降低了社会的经济效益，本文提出基于无线传感网络的草原气象自动监测系统。针对系统硬件中的射频模块、系统感知模块、能量模块以及系统处理模块进行设计与选型，并采用直接序列的扩频技术实现短距离的无线监测。在节点初始位置中添加相应的传感器软件，使代码能够有效整合到系统之中。经过分析不同字节的意义，对数据传输协议进行修改，并将寄存器数据值转换为真实数据值，方便客户查看。通过实验验证该系统的合理性，并得出实验结论。实验结果表明，该系统具有监测精确、速度快、时间短等优势，有利于牧区的生产。
1 自动监测系统总体结构设计
草原气象自动监测系统设计采用基于ZigBee技术的无线传感网络技术，该技术的应用已经越来越广泛，其中主要有星型结构与多级树结构，为了构造良好的监测系统应充分考虑多级树形的网络结构，其优点是物理范围覆盖面较广，容纳的网络节点较多，还可延长传感器节点与各个协调器之间的通信距离，进而提高网络的携带负载能力[1]。该系统的ZigBee网络树状结构是由协调器、节点以及路由器组成的，不同路由器节点与终端节点都携带传感器，而协调器需要通过串口与无线服务设备进行连接，并将收集的信息发送给无线服务设备，实现实时监测的目的。为了降低整个网络的消耗，需要延长网络使用寿命，该系统使用定时唤醒模式，按照用户的需求定时唤醒各个节点发送的信息，剩下的时间该系统处于休眠模式。考虑实际应用功能，设计系统的模拟分布图，如图1所示。
1.1 系统硬件设计与选型
针对系统各个模块硬件进行设计与选型，主要有无线服务硬件选择和无线传感器网络硬件设计与选型。无线传感网络系统硬件主要包括射频模块、系统感知模块、能量模块及系统处理模块，能量模块选择型号为CC2430，射频模块支持2.4 GHz的ZigBee协议，该芯片尺寸为6 mm×6 mm，集合了运算、加密、存储以及无线接收的各种功能[2]，且接口方便、性能比较可靠。该芯片能解决传统监测功能消耗高、成本花费大等问题，用该芯片具有以下优势：
（1） CC2430芯片上系统功能模块集成了CC2420RF型号的收发器，增强了型号为[8051]的微控制单元，大大提高了数据处理速度[3]。
（2） 与传统系统相比，该系统电流消耗较小。正常工作电流消耗功率小于25 mA，处于休眠时电流消耗为0.8 μA，待机时刻电流消耗[4]小于0.5 μA。
（3） 时延较短。该系统从休眠状态到工作状态仅需15 ms，将节点进行初始化并接入到网络的时间仅仅为30 ms。
（4） 代码较短。对该系统设计的8位微型控制进行测量与计算，整个系统功能的节点只有32 KB的代码，而子功能节点至少为4 KB的代码。
型号为CC2430的高频率部分需要采用直接序列的扩频技术，该项技术不仅能够为军事训练天气监测提供更加安全的保障，还能够实现短距离的无线监测，并且提高无线监测的可靠性[5]。
1.2 无线模块软件部分设计
1.2.1 ZigBee网络的构建
基于ZigBee技术的无线传感网络通信是一种应用非常广阔的技术，根据不同应用领域，对网络结构要求也不同，在该系统中添加传感器。传感器节点资源是非常有限的，需要设计优化的网络拓扑结构来提高自动检测效率，进而提升网络的可靠性与动态性。
在节点初始位置中添加相应的传感器软件，并在程序编译的过程中，使用make工具进行编译[6]。用户需要对目录中的文件做出修改，使得代码能够有效整合到系统之中，具体操作如图2所示。
不同节点需要先确定好随机延时的时间，进入等待状态，如果时间达到，节点就会发送入网请求，随后监听网络是否存在发送间隔包信号，即完成协调器自动监测。由于选择的数据具有随机性，进而导致时间延长，发生碰撞，因此需要规定监测的上限。如果节点没有接收到间隔包[7]发送的信号，那么需要重复第一次申请，等待间隔包响应；如果重复的次数已经达到了假设的上限，节点没有接收到信号，那么该区域就不会存在网络；如果达到规定的上限，那么节点就会收到信号，确定网络已经存在，即完成入网的过程。
1.2.2 数据传输协议修改
将ZigBee网络组建之后，需要对各个节点的数据进行采集并传送到协调器上，在这期间需要有固定的数据传输协议，方便协调器能够区分节点传来的方向和物理信息种类[8]。当组建的网络具有拓扑结构时，网络中会存在多个协调器，为此需要在数据传输的协议中对每一个协调器、终端的节点和传感器进行设置，首先对原始的数据传输格式进行分析。将协调器直接与主机串口连接，通过串口助手，采集未经过处理的数据：[2820350E000100000400010011301D81B15037854，]经过分析不同字节的意义，对数据传输协议进行修改，见表1。
1.2.3 节点数据转换
根据不同传感器结构，对输入与输出的特性与性能进行分析，降低电路板统一设计的难度。串口显示出的寄存器与主机所表示的变量转换关系并不相同，因此需要针对不同传感器特性，将寄存器数据值转换为真实的数据值，方便客户查看。
2 实 验
为了验证该系统设计的合理性进行了如下实验。根据对草原温度和湿度数据的分析，将土壤温度、水分和空气的温度变化情况作为标准，分析草地土壤中的氮磷钾含量，确定pH值；还要分析牧草生长情况，确定草原气象合理承载能力的评估。
2.1 实验数据分析
合理推算草原放牧季节，将系统中物理信息之间的影响关系通过历史数据和曲线查询计算出两者之间的影响关系，进而确定草原不同季节气象情况。以草原空气温度数据为例，分析监测数据结果，见表2。
2.2 实验结果与分析
按照时间段可对各个区域监测的传感数据进行查询，根据草原气象特征，土壤水分数据、降雨量数据不会有较大变化，但是空气中的湿度、风速变化较大，因此按照实际需求对数据各个信息的变化特征进行统计，为此设计了三种频率，按照年、月、日对数据进行监测与分析。由表1可知，草原气象监测结果显示出时间范围内的平均值、最大值与最小值，根据该结果绘制柱状图，使数据对比更加明显，方便用户读取。
由图3可知，该监测系统通过柱状图能使用户直观地获取草原气象空气湿度情况，进而掌握草原区气候。
2.3 实验结论
基于ZigBee无线传感网络的草原气象自动监测系统能使用户直观地获取草原气象空气湿度情况，进而更便捷地掌握草原区的气候状况和动态；传统系统自动监测的土壤水分数据与实际草原土壤水分存在较大的偏差，而基于ZigBee无线传感网络的草原气象自动监测系统与实际值相比误差较小，该系统具有监测精确、速度快、时间短等优势，适合草原气象的自动监测。
3 结 语
随着我国国民经济的不断增长，畜牧业需求不断增加，随着草原地区环境保护意识的提高，草原气象自动监测逐渐成为科研工作关注的焦点。基于ZigBee无线传感网络的草原气象自动监测系统涵盖了硬件设计、软件设计和无线远程服务，经过上述实验内容得出：该系统设计能够实现对草原气象的精准监测，鲁棒性较强，具有可移植性，在草原生态系统监测和管理中实现数字化监测、远程传输，实现数字草原的发展目标有重要作用。
注：本文通讯作者为辛晓平。
参考文献
[1] 张亚，罗希昌，陈浩，等.气象无线传感网观测节点的设计与实现[J].气象科技，2015，43（6）：1046?1052.
[2] 许伦辉，李鹏，周勇.基于ZigBee和GPRS的农业区域气象环境远程监测系统设计[J].江苏农业科学，2015，43（6）：380?383.
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[7] 邓伯韬，孙涛.基于无线传感网的图像监测系统的设计与实现[J].武汉科技大学学报，2015，38（2）：138?142.
[8] 薛亚平.基于WSN的高校园区变送电远程监控系统设计[J].电源技术，2016，40（7）：1505?1507.
[9] 高金转，彭旭锋，张会新，等.基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计[J].电子器件，2016，39（3）：546?550.
