基于GPRS的土壤温湿度采集系统

摘要 设计了一种基于GPRS的土壤温湿度实时采集系统，给出了一种基于无线传感器网络的环境监测方案。无线传感器网络是由大量随机分布的传感器节点，通过无线通信技术自组织构成的网络，传感器节点具有数据采集处理、无线通信和自动组网能力。文中利用Telosb节点平台设计了传感器节点的硬件结构，并在TinyOS操作系统的基础上，完成了节点的软件设计。该系统可以对目标监测区内多点的温湿度进行实时采集，实现单跳和多跳的数据传输，同时利用GPRS进行高效可靠的远程传输，实现长期动态监测。
关键词 GPRS；实时采集；telosb；TinyOS

对于农林作物而言，土壤温湿度是其发育、生长的重要条件。在古代中国农业中，将湿润的土壤称为“墒”，并有丰富的关于保墒、散墒等调节土壤水分状况的技术和作业。土壤温湿度是反应土壤状况的重要物理参数，决定着植物生长状况的好坏，它对于研究植物水分利用、农业灌溉及生态系统的变化等具有重要意义。在现代农业中，能否对土壤温湿度进行有效测量与控制，是实现“精细农林业”与“精细灌溉”的关键，同时在水文、气象和生态科学中，土壤温湿度的测量也具有重要意义。寻求一种快捷、经济、精度高、可靠性强、适合实时测量的土壤温湿度测量技术是科学决策的依据。

1 系统框架
设计的土壤温湿度采集系统可以实时准确地获取监测区域的温湿度。系统由两部分组成：数据采集模块和GPRS网关，如图1所示。数据采集模块由多个从节点与一个主节点组成，形成一个监控网络。它将各个从节点采集到的土壤温湿度信息，发送给主节点；GPRS网关由单片机与GPRS模块构成，它负责将主节点的信息发送给监控主机。

2 数据采集模块
模块包含两部分：采集(从)节点、主节点。采集节点由TI MSP430F1611单片机、时钟、存储、LED显示、CC2420通信模块、土壤温湿度传感器5TM等组成，如图2所示。它负责实时采集监测点的土壤温湿度信息，并发往主节点；主节点无土壤温湿度传感器模块，其他部分与采集节点相同。它负责接收采集节点的数据，并将数据处理后，发送至串口。即通过主节点Telosb平台的UART0将数据传送给GPRS网关。采集节点的软件平台基于TinyOS2．1．1操作系统开发，使用TinyOS-2．1．1操作系统内核，各模块及应用程序由nesC语言编程实现。

2．1 节点平台
节点采用Crossbow公司的TelosB，TelosB具有低功耗和快速苏醒功能，可保证更长的电池寿命。主要功能及部件有IEE802．15．4协议、250 kbit·s-1高传输速率射频器、TI MSP430F1611单片机、10 kB RAM微处理器、集成板载天线。可通过USB接口获取数据和编程，开源操作系统，集成了光照及空气温度、湿度传感器，两个扩展接口和板载跳线可以通过配置控制模拟传感器以及电子外围设备等。
2．2 TinyOS操作系统
TinyOS是由加州大学伯克利分校开发的专门用于无线传感器网络的轻量级、低功耗的开源嵌入式操作系统，它以通信为中心的设计和模块式软件模型，使得TinyOS符合无线传感器网络资源受限、功耗低和操作鲁棒性的需求。它所引入的事件(event)驱动执行模式和基于组件(component)的软件设计，在使用少量ROM的情况下支持高度并行处理、复杂协议和算法，提高了系统的性能，使得TinyOS能有效地运行在无线传感器网络环境中。TinyOS运行在每个传感器网络节点上，是上层应用和协议运行的前提。TinyOS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接，以完成所需的功能。基于TinyOS的开发者可以选择所需要的组件，组件库包括网络协议、分布式服务、传感驱动器和数据采集工具，这些组件都可以作为进一步开发的基础。