基于wsn便携式fpga农田环境监测系统

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1、基于WSN便携式FPGA农田环境监测系统摘要：针对农田环境信息获取时存在的信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等诸多不利因素，设计了采用基于无线传感器网络技术和可编程片上系统（sopC）技术的便携式农田环境监测系统。该系统通过温度、湿度、光照度等传感器实时采集农田环境数据；以CC2430模块为终端测量节点的核心，建立无线传感器网络实现监测数据的无线传输和汇集；采用具有NiosII嵌入式软核处理器的现场可编程门阵列（FPGA）控制系统实现对整个系统的管理。田间试验结果表明该系统能够有效地釆集环境数据，并具有组网灵活、可扩展性强、携带方便等优点。关键词：无

2、线传感器网络；现场可编程门阵列（FPGA）；农田；环境监测中图分类号：TP274+.2文献标识码：A文章编号：0439-8114（2012）24-5778-05农田环境信息主要包括温度、湿度、光照度等，这些环境因素的确定对实现高产、高效农业与农业现代化有很大的指导意义［1］。在对农田环境信息进行获取时，面临着信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等诸多不利因素，而这些因素都制约着对农田环境信息实时、有效、方便地获取。如何快速、准确、有效、实时地获得农田环境信息的各类数据已成为现代信息农业的重要研究内容，也是精细农业得以发展的基础[2,3]o近几年来发展起

3、来的无线传感器网络技术和可编程片上系统（S0PC）技术为农田环境信息采集提供了新的解决方案。无线传感器网络技术综合了传感器、嵌入式、现代网络、无线通信等技术，具有分布式、自组织式的特点。可有效解决田间信息的远距离数据采集、智能监测及控制等问题。目前，国内外对于无线传感器网络在农田监测方面的研究主要集中在组建网络、数据传输、通讯等方面，其中无线传感器网络组网和现有通讯网络的嵌入式网关的设计方面的研究较多见[4一12],而基于移性好、方便使用的便携式网关的无线传感器网络监测系统的研究还未见报道。而SOPC技术用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上。SOPC技术的主

4、要应用模块有复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）两种。FPGA可以用来实现模拟信号处理、数字信号的处理、批处理等控制功能，常应用于工业控制系统中。目前，FPGA在农业工程上的应用主要集中在3个方面，一是对温室，畜、禽舍等的环境进行控制；二是对农业机械进行控制；三是通过图像处理对农产品进行分级。将FPGA技术与无线传感器网络技术相结合用于农田环境信息数据采集的研究还未见报道。针对农田环境信息获取时信息对象多、地域广、分布杂散、数据通讯条件落后等问题，该研究设计了一种简单有效、便携式、低成本的环境监测系统，用于农田环境数据的自动获取。系统以F

5、PGA上NiosII嵌入式软核处理器为主控单元[13—17],以CC2430为核心的ZigBee（无线个域网）模块为无线传感器网络节点，构成基于无线传感器网络的便携式FPGA农田环境监测系统。该系统实现了对农田环境信息的多节点环境数据的监测、记录、存储、查询等功能。1系统的总体结构系统总体上可分为无线传感器网络和FPGA便携式主控系统两大部分，如图1所示。无线传感器网络终端节点由TI公司基于IEEE802.15.4协议的ZigBee无线传感器模块CC2430外接温度、湿度、光照度等环境数据采集传感器电路组成，主要用途是散布在农田区域，监测区域内的环境信息。FPG

6、A便携式主控系统由FPGA控制系统和ZigBee协调器组成，配备3.2寸触摸屏，主要完成网络组建和对无线传感器网络各终端节点的管理、信息采集、信息存储及分析功能，所有的终端节点采用5号电池供电，FPGA便携式系统采用锂电池供电。FPGA便携式主控系统上电后，ZigBee协调器自动建立可用网络并实时向FPGA反馈组网信息。无线传感器网络终端节点上电后，自动搜索可用网络，并加入到可用网络中。一旦组网完成，终端节点便开始响应协调器周期性发送的采集数据命令。ZigBee协调器收到数据后，将数据送至FPGA控制系统，FPGA控制系统对数据进行处理和存储，以便随时查看和进行

7、现场分析。2无线传感器网络终端节点的设计2.1无线传感器网络终端节点硬件设计CC2430模块支持全球通用2.4GHz频段IEEE802.15.4/ZigBee协议，集ZigBee射频(RF)前段、内存和微控制器(8051)于一体。CC2430模块根据芯片内置闪存容量分为3个版本，即CC2430F32/64/128,分别对应内置闪存32/64/128kB[11]o本系统采用的是CC2430F128模块。通过CC2430模块直接驱动温度、湿度、光照度等传感器模块采集环境数据，并完成无线传感器网络的自组网以及数据的采集和传输功能。以CC2430模块为核心器件的无线传感

8、器网络终端节点硬件结构框