果园环境监测的无线传感器网络节点分析

时间：2024-08-31

王越，杜海燕，赵雪辉

（山西省农业科学院果树研究所，晋中 030800）

果园环境监测的无线传感器网络节点分析

王越，杜海燕，赵雪辉

（山西省农业科学院果树研究所，晋中 030800）

为实现对果园环境的实时监测和管理，文章就果园环境监测的无线传感器网络节点从多种角度进行分析，以寻求合理的系统设计。

果园环境监测无线传感器网络网络节点

果树生产中，园区内生态环境的变化，包括果树的生长发育、生产管理和病虫害信息，对于后续的管理工作的开展具有坚实的基础和保障。基于此，为了满足这一需求，需要加强果园生态环境的实时监测，确保信息可以自动化采集和传输，这对于果园生产管理具有深远的意义。以往的果园环境信息获取主要是通过人工方式，这样不仅需要耗费大量的人力资源，而且工作效率偏低。因此，加强果园环境监测的无线传感器网络节点研究很有必要，有助于为实际工作提供指导和帮助。

1 节点硬件设计

无线传感器网络节点设计作为核心所在，通过传感器来采集和处理果园环境数据信息，并通过AD转换，将数据信息传输到相邻节点，发挥节点的数据转发功能，发送到汇聚节点处[1]。果园环境信息的采集中，传感器节点主要由数据采集模块、微控制器模块、射频通信模块和电源几个部分构成。其中，数据采集模块主要是负责对果园环境数据信息的采集和处理，微控制器模块则是用于节点的操作，存储数据信息，实现节点数据的收发，存储其它节点传输来的数据信息。

1.1 微控制器模块

微控制器模块是系统的重要组成部分，主要负责数据信息的存储和处理，为了能降低电能消耗，主要是采用定时休眠和定时唤醒的工作模式。微控制器被唤醒后，系统的电源启动，读取传感器中收集的数据信息，并进行计算和处理。射频模块同样是定时打开，连接基站收发数据信息。同时，采用MSP430F149芯片，功耗更低，将其应用在系统中，实现数据信息的安全存储和处理。

1.2 数据采集模块

数据采集模块主要是对果园环境温度、光照强度和湿度信息数据的收集和处理，通过A/D转换将数据传输给单片机，实现数据的高效处理。其中光照强度单元是通过光品转换器TSL230实现，此种装置可以实现光源的频率转化，通过自动化程序来控制灵敏度和分频输出。其中S0、S1是灵敏度控制端，可以通过改变芯片感光窗口面积实现对灵敏度的调整；OUT为频率信号输出，可以实现对数据信息的捕获输入，对比不同捕获时间所得数据的差异，有针对性计算得出输出频率值；温度传感器单元，采用SHT11，可以实现温度在-40～120℃之间的分辨率为14 bit数字输出，在运行中，要求电源供电标准在2.4～5.5 V之间，通过微处理器提供电源和时钟信号[2]。

1.3 射频通信模块

射频通信模块在实际应用中，可以有效降低功耗，实现短距离之间的信息传输，同其它无线传感器网络节点传输数据。

1.4 电源模块

为各个节点提供能量支持，尽可能选择容量大的电池，提供可靠的电源支持。

2 节点软件设计

2.1 节点工作流程

传感器节点数据传输要求遵循相应的无线传输协议，系统基于802.15.4标准ZigBee无线传输协议。节点数据传输中，首先应该初始化，将系统调整到低功耗模式，在接收传感器数据请求后，唤醒网络节点，将采集到的数据进行存储和处理，在特定时间内，将数据传输出去后再回到低功耗运行模式，降低电能消耗。

2.2 无线传输设计

通过建立IAR Workbench V3.1平台，对C语言进行软件编程。无线传输软件设计中，包括初始化程序、管脚模拟程序和数据收发程序[3]。收发模式下，通过单片机内的FIFO，促使数据可以低速送入，借助nRF2401高速发送，这样可以有效降低电能消耗；射频协议则是由内部芯片处理，有助于为后续的程序开发提供便捷和支持；nRF2401自动处理数据帧头和CRC校验码，在数据接收过程中，自动移去，而发送数据时，同样自动化将数据帧头和CRC校验码加入其中。如果单片机需要传输数据，首先需要将CE置高，促使nRF2401自动化调整为数据发送模式，单片机将发送数据的地质输入FIFO中[4]。

Shock Burst TM的数据接收中，通过DR1、CE、CLK1和DATA实现，在nRF2401模式下，可以通过无线传感器实现数据的收发。单片机置高CE，调整到数据接收模式；nRF2401进入监视模式，等待数据接收；数据接收正确，自动去除数据帧的头和CRC校验码；nRF2401置高DR1，发出数据接收的信号；从nRF2401读取数据，数据读取后将DR1置低。