（测试计量技术及仪器专业论文）用于精细农业的wsn基站及其关键技术.pdf

| 1 1 1 1 1 1111 1 1 11 li l tii iiii y 17 6 10 14 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：盔跤 日期：! 旦! ! ：玺1 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 磁熔 导师签名： 摘要 摘要 农业是国民经济的基础产业。加速高新技术全面向农业渗透，推进新的农业科技革 命，是实现农业可持续发展的必由之路。本文根据农业生产对环境依赖程度较高的特点， 将无线传感器网络( w s n ) 技术引入精细农业领域实施环境监控，具有很强的实用性和 现实意义。 在无线传感器网络体系中，无线传感器网络基站是无线传感器网络和其它外部网络 进行数据交换的枢纽，在无线传感器网络中起着至关重要的作用。本文以植物设施栽培、 畜禽设施养殖等农业环境为应用背景，设计并研制了集计算存储、无线收发、智能控制 和远程访问等功能于一体的无线传感器网络基站。 本文完成的工作主要包括： 分析了用于精细农业环境监控的w s n 系统的特点，提出了w s n 基站的设计方案： 设计并实现了用于精细农业的w s n 基站硬件平台； 分析了w s n 基站软件平台模型，通过移植嵌入式l i n u x 操作系统和嵌入式t i n y o s 操 作系统构建了w s n 基站软件平台； 研究了w s n 基站中涉及到的数据管理技术和i n t e m e t 接入技术，通过在基站上建立 数据库和w e b 服务器分别解决了这两种关键技术； 设计了w s n 基站应用软件架构，在w s n 基站内部实现了传感器网络数据处理、传 感器网络控制，解决了监控系统中传感器网络与本地终端和远程终端的信息交互问题； 对w s n 基站进行了调试和现场应用测试，并对测试结果进行了分析，验证了基站 的有效性和实用性。 本文研究成果不仅可以应用于精细农业环境监控，而且其许多方法和技术可以用于 森林防火、智能建筑、军事侦察、医疗监护和智能家居等场合。 关键词：无线传感器网络，基站，精细农业，环境监控，嵌入式l i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t a g r i c u l t u r ei st h eb a s i ci n d u s t r yo ft h en a t i o n a le c o n o m y t h eo n l yw a yt oa c h i e v e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fa g t i c u l t u r ei st oa c c e l e r a t et h ep e n e t r a t i o no fh i g h - t e c hf u l l yt ot h e a g r i c u l t u r a la n dp r o m o t en e wa g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i c a n dt e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o n a s a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nh a v i n gah i g h e rd e p e n d e n c eo nt h ee n v i r o n m e n t ，w ei n t r o d u c et h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) t e c h n o l o g yi n t ot h ef i e l do fp r e c i s i o na g r i c u l t u r ef o r e n v i r o n m e n t a lm o n i t o t i n g w h i c hh a sas t r o n gp r a c t i c a la n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e 。 i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m s ，b a s es t a t i o ni sad a t ae x c h a n g eh u bb e t w e e nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sa n do t h e re x t e r n a ln e t w o r k s i tp l a y sav i t a lr o l ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fa g r i c u l t u r ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi n t h e c i r c u m s t a n c e ss u c ha sf a c i l i t yp l a n tc u l t i v a t i o na n df a c i l i t ys t o c kb r e e d i n g ，w ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dab a s es t a t i o nw h i c hi n t e g r a t e sf u n c t i o n ss u c ha sc a l c u l a t i o na n ds t o r a g e ， w i r e l e s st r a n s c e i v e r , i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，r e m o t ea c c e s s 1 1 1 ea r t i c l ef o c u s e do nt h ef o l l o w i n gp a r t s ： a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r so fw s ns y s t e ma p p l i e df o rt h ep r e c i s i o na g r i c u l t u r e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，t h ed e s i g no fb a s es t a t i o nw a sp r o p o s e d 1 1 忙h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h eb a s es t a t i o nf o rt h ep r e c i s i o na g r i c u l t u r ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d n 圮s o f t w a r ep l a t f o r mm o d e lo ft h eb a s es t a t i o nw a sa n a l y z e d e m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n de m b e d d e dt i n y o so p e r a t i n gs y s t e mw e r et r a n s p l a n t e do nt h eb a s e s t a t i o n t h es o f h v a r ep l a t f o r l nw a se s t a b l i s h c d t h ed a t am a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r n e ta c c e s st e c h n o l o g yo ft h eb a s es t a t i o n w e r er e s e a r c h e d ad a t a b a s ea n daw e bs e r v e rw e r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s es t a t i o na c c o r d i n g t ot h et w ot e c h n o l o g i e s 1 1 l ea p p l i c a t i o ns o r w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h eb a s es t a t i o nw a sd e s i g n e d f u c t i o n ss u c ha s s e n s o rn e t w o r kd a t ap r o c e s s i n g s e n s o rn e t w o r kc o n t r o lw e r ei n p l e m e n t e do nt h eb a s es t a t i o n i n f o r m a t i o nd e c t e c t e db yt h es e n s o rn e t w o r k sc a nb et r a n s m i t t e dt ol o c a lt e r m i n a l so rr e m o t e t e r m i n a l sw i t ht h eb a s es t a t i o n 1 1 硷b a s es t a t i o nw 舔d e b u g g e da n dt e s t e d a n dt h et e s tr e s u l t sw e r ea n a l y z e d t h e e f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a l i t yo ft h eb a s es t a t i o nw e r ev a l i d a t e d t l l i sa r t i c l er e s u l t sc a nb eu s e dn o to n l yf o rt h ep r e c i s i o na g r i c u l t u r ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，b u ta l s of o rf o r e s tf i r ep r e v e n t i o n ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，m i l i t a r ys c o u t , m e d i c a l c a r e ，s m a r th o m e ，b e c a u s eo fm a n yo fi t sm e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：w n - e l e s ss e n o rn e t w o r k s ，b a s es t a t i o n , p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，e m b e d d e dl i n u x 3 4 1 以太网接口单元2 0 3 4 2 串行接口单元。2 3 3 4 3u s b 接口单元2 3 3 5 电源模块2 4 3 6p c b 布局。2 4 3 6 1s d ram 2 5 3 6 2 无线收发单元2 5 3 6 3 以太网接口单元。2 5 本章小结2 6 第四章用于精细农业的w s n 基站软件平台2 7 4 1w s n 基站软件平台概述2 7 4 2l i n u x 操作系统。2 8 4 2 1 引导程序2 9 4 2 2l i n u x 内核3 2 4 2 3 文件系统3 3 4 3t i n y o s 操作系统。3 7 4 3 1 t m y o s 机制3 9 4 3 2n e s c 语言4 0 本章小结。4 l 第五章用于精细农业的w s n 基站若干关键技术研究4 2 n l 东南大学硕士学位论文 5 1w s n 数据管理技术4 2 5 1 1w s n 数据管理系统结构设计4 3 5 1 2w s n 基站数据管理_ ，4 4 5 1 3s q l i t e 数据库4 5 5 2w s n 接入i n t e r a c t 技术4 7 5 2 1w s n 与i n t e m e t 互联结构4 7 5 2 2w s n 基站w e b 服务器4 8 5 2 3b o a 服务器5 0 本章小结5 1 第六章用于精细农业的w s n 基站应用软件设计：5 2 6 1w s n 基站应用软件框架5 2 6 2l i n u x 环境应用软件设计5 2 6 2 1 基站主程序设计5 2 6 2 2c g i 程序设计6 1 6 3t i n y o s 环境应用软件设计。：6 2 本章小结。6 4 第七章w s n 基站调试与应用现场测试6 5 7 1w s n 基站实验系统构建及调试6 5 7 1 1l i n u x 开发环境6 5 7 1 2t i n y o s 开发环境6 5 7 1 3 烧写文件6 6 7 1 4 基站调试。6 7 7 2w s n 基站应用现场测试6 9 7 2 1w s n 监控系统现场运行6 9 7 2 2 应用现场测试结果分析7 1 本章小结7 3 结论7 4 致谢7 5 参考文献7 6 作者简介7 9 i v 图清单 图清单 图1 1 百k o 环境农业无线监测系统。3 图1 2 弓k o 环境农业无线监测系统基站4 图1 3m i b 5 1 0 及其结构框图4 图1 - 4m i b 5 2 0 及其结构框图5 图1 5m i b 6 0 0 及其结构框图5 图1 - 6s t a r g a t e 及其结构框图：6 图2 1 用于精细农业的w s n 环境监控系统k 9 图2 2 用于精细农业的w s n 基站设计方案1 1 图3 1w s n 基站硬件结构框图1 2 图3 2 $ 3 c 2 4 10 内部结构框图一l3 图3 3s 3 c 2 4 l o 的存储体系结构图。1 4 图3 _ 4s d r a m 硬件原理图一1 5 图3 5s d r a m 操作时序图1 5 图3 - 6n o rf l a s h 硬件原理图1 6 图3 7n o rf l a s h 内部存储结构图1 7 图3 8c c l 0 0 0 内部结构框图1 8 图3 - 9s m a r t r fs t u d i o 配置图l8 图3 1 0 无线通信模块的硬件原理图一：1 9 图3 1 1c c l 0 0 0 寄存器读写时序图2 0 图3 1 2d m 9 0 0 0 内部结构框图2 1 图3 1 3 以太网接口单元硬件原理图2 2 图3 1 4 串行接口单元硬件原理图2 3 图3 1 5u s b 接口单元硬件原理图2 3 图3 1 6 电源模块硬件原理图。2 4 图3 17 基站实物图：2 6 图4 1 两种软件平台模型2 7 图4 2l i n u x 内核的组成部分与关系：2 8 图4 3 基站u b o o t 启动信息。3 l 图4 - 4l i n u x 配置主界面3 4 图4 5t i n y o s 的体系结构3 8 图4 6t m y o s 组件结构3 8 图4 7t i n y o s 工作机制3 9 图4 8n e s c 程序编译过程4 l 图5 1 用于精细农业的w s n 数据管理结构4 4 图5 2s q l i t e 体系结构4 5 图5 3 基站服务器结构4 8 图5 4w e b 服务器性能对比4 9 图5 5b o a 的工作原理：5 1 图每1 基站应用软件框架5 2 图6 2 基站主程序工作流程5 3 图6 3 数据查询w e b 页面6 2 图6 _ 4 无线网络程序工作流程6 3 图6 5 无线网络程序的组件结构图6 4 v 东南大学硕士学位论文 图7 1l i n u x 开发环境6 5 图7 2t i n y o s 开发环境6 6 图7 3l i n u x 平台相关文件烧写现场_ 6 6 图7 - 4t i n y o s 平台相关文件烧写现场6 7 图7 5 串行接口单元调试6 7 图7 - 6 以太网接口单元调试6 8 图7 7u s b 接口单元调试6 8 图7 8 无线通信模块调试6 9 图7 9w s n 基站应用现场测试7 0 图7 1 0 基站控制算法：7 l 图7 1 l 监控现场数据曲线及节点分布图7 2 图7 1 2 两种监控方法温度曲线对比7 3 表6 1 1 表昏2 表6 3 表6 _ 4 表每5 表6 6 表6 7 表6 8 表6 - 9 表6 - l 表每l 表6 - 1 表6 l 表6 - 1 表昏l 缩略词 2 1 2 2 2 3 2 4 缩略词 简称 。 英文全称 a m b aa d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e a m a c t i v em e s s a g e a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e c f ic o m m o nf l a s hi n t e r f a c e c g ic o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e f s k f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e h t t p h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l m ci n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n l n al o wn o i s ea m p l i f i e r m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l m i im e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e m 兀j m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t m t d m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e p c bp r i n t e dc i r c u i tb o a r d r s s ir e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n s p is e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s q l s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e t d s c d m at i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s i7 a r tu n i v e r s a la s v n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r v c o v d b e v f s w s n v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r s v i r t u a ld a t a b a s ee n g i n e v i r t u a lf i l es y s t e m l e s ss e n s o rn e t w o r k s 。 v i i i 中文全称 高级微控制器总线架构 主动消息 应用程序编程接口 通用闪存接口 通用网关接口 频移键控 通用分组无线业务 超文本传输协议 进程间通信 低噪声放大器 介质访问控制 介质无关接口 内存管理单元 内存技术设备 印制电路板 接收信号强度指示 串行外围设备接口 结构化查询语言 时分同步码分多址 通用异步收发装置 压控振荡器 虚拟数据库引擎 虚拟文件系统 无线传感器网络 社叭舵舛叮吣m挖b h ：2 m 墙侈 加 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 2 l 世纪，人类正在逐步进入知识经济社会。过去2 0 多年来，信息技术的高速发展， 已使其迅速渗透到国民经济的各个部门，改变着人们的生活方式、工作方式和思维方式， 引发许多传统技术思想和观念的革命。国际竞争将更多地转向以知识为基础的科学技术 与产业技术的竞争。农业是国民经济的基础产业，保障世界的食物安全和农业的可持续 发展，是全球性的永恒主题【l 】。过去五十年，世界农业发生了重大变化。农业生产通过 生物和农艺技术的进步和支持，以及将生物和农艺技术转化为大规模生产力的现代农业 工程技术、农业系统经营管理技术的不断改善，使得世界食品产量的增长超过了人口的 增长速度。上世纪后半期世界农业的高速发展，基本上是依靠生物遗传育种技术的进步， 耕地和灌溉面积的扩大，物理与化学产品投入的大量增加，机械动力与矿物能源大量投 入的条件下获得的。由此引起的水土流失、生态环境恶化、生物多样性损害等问题，已 经引起了国际社会的广泛关注，并成为推动技术创新，实践农业可持续发展的重要驱动 力。 农业科技发展纲要提出：“推进新的农业科技革命，实现传统农业向现代农业的跨 越，尽快缩小与发达国家的差距，必然要在农业科学研究与技术开发上取得重大突破。 促使先进适用技术及时充分地应用到农业生产中去，加速科学技术、特别是高新技术全 面向农业渗透，大幅度提高农业科技整体水平，实现农业生产力水平质的飞跃。迅速 发展与普及的计算机和信息技术将推动人们在科学利用资源潜力，发展节本增效生产方 式，改善和保护生态环境，实现基于信息和知识的生产过程管理决策等方面，突破许多 传统的模式和观念。它对传统产业的改造日益广泛和深刻，对农业更有其特殊意义。信 息技术支持下的农业，由经验性到量化、规范、集成和智能化；由粗放生产到精细操作； 由分散封闭到有效获取和利用信息；由经济判断到宏观测报和科学管理，是传统农业的 一次深刻革命。 无线传感器网络( w s n ) 能够获取客观物理信息，是信息技术的一个新领域睇圳。 它是由部署在监测区域内大量廉价小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感 知、监测各种环境或目标对象信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机 自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现 “无处不在的计算”理念。无线传感器网络可以在长期无人值守的状态下工作，在军事 国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程 监控等许多领域都有重要的科研价值、巨大的实用价值和广阔的市场前景。正因为其所 具有的重大价值，美国、日本、西欧等许多国家政府和科研机构都投入巨资，设立启动 了许多关于无线传感器网络的研究计划。美国商业周刊认为，无线传感器网络是全球未 来四大高技术产业之一。 目前，国内外精细农业领域的产业如植物设施栽培、畜禽设施养殖等，其产业化和 规模化的程度在逐年提升，我国在这方面的产业化和规模化程度亦居于世界前列。研究 表明，对农业环境进行有效监控是提高农产品产量从而增加农业效益的关键环节。将无 线传感器网络应用于精细农业实施环境监控，能够突破传统监控方法的局限性。通过构 建不依赖大量信号传输线和动力线的监控系统，既可以解决传统监控设施建设成本高、 安装复杂、维护困难和影响作业环境等问题，又可以实现环境各项指标的精确测量，同 时大大提高监控系统的控制和现代化管理水平。 在无线传感器网络体系中，基站作为w s n 网络的数据中心和控制中心，具有很强 东南大学硕上学位论文 的处理能力、存储能力和通信能力。它是无线传感器网络和外部网络进行数据交换的枢 纽，关系到被测区域内的各种数据能否正确有效地传输到处理平台，在无线传感器网络 中起着至关重要的作用。 本文在江苏省普通高校高新技术产业发展重点项目( n o j h b 0 5 0 5 ) 、江苏省农业科 技自主创新资金项目( n o c x ( 0 8 ) 1 0 2 ) 以及南京市科技发展计划专项( n o 2 0 0 7 0 1 0 6 7 ) 的资助下研究无线传感器网络基站。本课题所开发的基站能够为在精细农业中实施环境 监控提供一种物理平台，验证和实验相关的算法及协议。利用具有强大功能的基站与不 同的无线传感网络节点，自由构建面向不同应用的传感器网络系统并进行可靠的方案验 证，从而适应灵活多变的任务要求。 可以预计，本课题所研究的内容，不仅对在精细农业中实施环境监控将具有重要的 现实意义和巨大的应用价值及市场前景，而且能为无线传感器网络的研究和应用开创一 个新的局面；不仅对实际应用需求、产业结构升级、技术装备更新、增强市场竞争力、 人才培养和高校的产学研结合等具有重要意义，而且将会对人们的社会生活和产业变革 带来极大的影响并产生积极的推动作用，其推广应用前景和潜在应用前景十分广阔，其 经济效益、社会效益和军事效益将十分明显； 1 2 国内外研究现状 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。最早出现无线传感器网络的代 表性论述“i t st i m ef o rs e l l s o r st og ow i r e l e s s ”是在1 9 9 9 年1 4 。无线传感器网络是涉及传感 技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子 制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。美国 所有著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究，加拿大、英国、 德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。 2 0 0 3 年，美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时，将无线传感器网络列为 第一项未来新兴技术。近几年来，在美国国防部高级规划署( d a r p a ) 、美国自然科学基 金委员会和其它军事部门的资助下，美国科学家对无线传感器网络所涉及的各个方面进 行了深入地研究。美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感网络研究计划。在 加州大学洛杉矶分校成立了无线传感网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校、 南加州大学等，开展“嵌入式智能传感器的研究项目，以求利用传感网络对我们生活 的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是美国国情咨文 中有关i n t e m e t 2 最主要的远景规划之一。 欧洲于2 0 0 4 年在德国首都柏林举行了第一届“无线传感器网络论坛 ，有1 2 0 名微 电子、机械电子和信息传输方面的专家出席论坛。2 0 0 5 年，在突尼斯举行的信息社会世 界峰会( w s l s ) 上，国际电信联盟( 1 t u ) 发布了i t u 互联网报告2 0 0 5 ：物联网， 报告指出，无所不在的“物联网一通信时代即将来临。2 0 0 9 年，i b m 大中华区首席执 行官钱大群在2 0 0 9i b m 论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略。“物联网 被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，而作为其核心技术之一的 无线传感器网络技术必将得到更加广泛的推广和应用。 我国对无线传感网络的研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1 9 9 9 年中 国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告 中，作 为该领域提出的五个重大项目之一p 一。国家2 0 0 6 年一0 2 0 年中长期科学和技术发展 规划纲要和国家“十一五科学技术发展规划亦将无线传感器网络列为重点领域及其优 先主题进行研究。国家9 7 3 计划、国家自然科学基金和国家8 6 3 高技术计划等国家和省 部级“十一五”科学技术发展规划都设项资助该领域的理论、方法和关键技术研究。2 0 0 9 第一荦绪论 年8 月，温家宝总理在视察江苏无锡时，多次强调( 无线) 传感器网络的重要性，把它 提升到与i n t e m e t 同等重要的地位，并提出要在中国尽早建立( 无线) 传感器网络产业 化示范基地“感知中国 或“物联网”基地，以推动全国在这方面的进程，增强国 际竞争力，并希望江苏、希望无锡发挥重要作用。可以预计，无线传感器网络的发展和 广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响并产生巨大的推动。 精细农业( p r e c i s i o na g r i c u l t u r e 或p r e c i s i o nf a r m i n g ) 是上世纪8 0 年代末由美国、 加拿大的一些农业科研部门提出的，目前，日本、英国、丹麦等国也正在积极进行这方 面的研究1 7 , 8 】。近几年来，美国、欧洲一些技术先进的农场在精细农业方面已经进入中等 规模的实施阶段。有的农场将遥测传感器装置、g p s 仪器、微型计算机以及化肥、杀虫 剂等全都装在拖拉机上，在拖拉机田间行驶的同时，有传感器获取作物生长状态信息， g p s 给出精确定位，计算机软件系统将事先存贮在地理信息系统中与该地块的土壤、作 物品种以及本生长阶段完成的耕作措施等有关参数调出，运行快速诊断决策模型，给出 灌溉、施肥、杀虫、除草配方，就地采取耕作措施。 精细农业技术不仅适用于种植业，也适用于畜牧业、园艺和林业。国外精细农业的 实践表明：精细农业不仅具有重要的经济效益，而且其获取的详细农作物信息有助于解 决许多未知问题。精细农业的根本效益体现在降低农产品的生产成本和过量施用农化产 品的污染风险。“精细农业研究的革命性的意义是提出了一种经营现代农业的新技术 思想并付诸于实践，其发展前景已在国际上具有广泛的共识。 国外将无线传感器网络用于精细农业的比较典型的实例是c r o s s b o w 公司在2 0 0 8 年 推出的琶k o 环境农业无线监测系统1 9 j ，如图1 1 所示。它代表了下一代用于精细农业监 测的前沿技术，引入了m e s h 无线传感器网络，通过i n t e m e t 浏览器为客户提供了农作 物健康、生长情况的实时数据。该系统包括了1 个w e b 服务器网关、3 个无线节点 m e p 6 0 0 、6 个土壤温湿度传感器以及1 个温度传感器。系统节点采用太阳能供电，部 署在野外的无线节点不需要电源供电，可以部署在任何需要的地方；系统简单，安装方 便，远程通过w e b 就可以查看网络数据，客户可设置自定义的趋势图和报警；系统具 ；l ：誊= j ：l 广_ | m i ”：”：一一 a - _ 一h c h - u 如n 一峨峥v h 图1 1e k o 环境农业无线监测系统 3 东南大学硕士学位论文 有可靠的无线m e s h 网络，具有自组织自愈合的特点，并且网络具有可扩展性，节点可 以自动加入网络中，因此，对于非技术人员，容易安装。该系统中的w e b 服务器网关 在无线传感器网络体系中即为基站，如图1 2 所示。 图1 2 芒k o 环境农业无线监测系统基站 由于无线传感器网络具有很强的应用相关性，即它是与特定的应用背景密切相连接 的。所以在不同的应用环境要求下需要配套不同的网络模型、软件结构和硬件平台。只 有让系统更贴近应用，才能做到最高效的目标系统，这也是无线传感器网络设计不同于 传统网络的显著特点。 下面介绍几种国内外已有的无线传感器网络基站。 1 2 1m i b 5 1 0 m i b 5 1 0 是一款串行网关，如图1 3 所示。m i b 5 1 0 可将传感器网络数据汇总并传输至 p c 或其它标准计算机平台。任何m i c a z m i c a 2 节点与m i b 5 1 0 配合均可作为基站使用。 为进行数据传输，m i b 5 1 0 提供了r s 2 3 2 串行接口。m i b 5 1 0 带有一个板载处理器，可运 行m i c a z 、m i c a 2 和m i c a 2 d o t 处理器射频板，处理器还监测电源电压，如果电压超 出限制则通过编程将其禁止。另外，m i b 510 与a l m e lj t a g 编程器兼容，并配有2 个51 针h i r o s e 接口，可连接传感器板以进行监控或代码开发。m i b 5 1 0 是面向中低端应用的， 在处理器方面采用了8 位处理器，它的计算处理能力相对较弱，在终端通信接口方面仅 设计了r s 2 3 2 串行接口，通信能力相对较弱。 图1 - 3m i b 5 1 0 及其结构框图 4 第一章绪论 1 2 2m i b 5 2 0 m i b 5 2 0 是一款u s b 网关，如图l - 4 所示。m i b 5 2 0 为m i c a 系歹u m o t e 提供u s b 接口用 于通信和在线编程。任何m i c a z m i c a 2 节点与m i b 5 2 0u s b 网关配合均可作为基站使 用。m i b 5 2 0 提供2 个独立端口：一个用于在线编程，另一个用于u s b 数据传输。m i b 5 2 0 带有一个板载处理器，可运行m i c a z 、m i c a 2 和m i c a 2 d o t 处理器射频板。由于应用 u s b 总线，故无需外部供电电源。m i b 5 2 0 也是面向中低端应用的，计算处理能力相对 较弱，采用的u s b 接口虽然b t r s 2 3 2 串行接口出色，但依然有通信接口单一的缺点。 1 2 3m i b 6 0 0 图1 - 4m i b 5 2 0 及其结构框图 m i b 6 0 0 是一款以太网网关，如图1 5 所示。m i b 6 0 0 可将传感器网络数据汇总并传输 至p c 或其它标准计算机平台。任何m i c a z m i c a 2 节点与m i b 6 0 0 配合均可作为基站使 用。为进行数据传输，m i b 6 0 0 提供r s - 2 3 2 串行接口和以太网接口。m i b 6 0 0 具有电压检 测功能，如果电压超出限制则通过编程将其禁止可以对m i c a z 、m i c a 2 和m i c a 2 d o t 处理器射频板进行远程在线编程，支持t c p i p 协议，并预留以太网供电( p o e ) 功能。 m i b 6 0 0 是面向中高端应用的，计算处理能力较好，设计了以太网接口为远距离传输及 多路传输提供了可能，但存储能力有限，对需要存储一定量数据的基站而言是一个缺点。 图1 - 5m i b 6 0 0 及其结构框图 东南大学硕士学位论文 1 2 4s t a r g a t e s t a r g a t e 是一款高性能多功能的处理平台，可用于传感器、信号处理、控制和无线 传感器网络等。s t a r g a t e