專利名稱：農田信息采集無線傳感器網絡網關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及精細農業(yè)技術領域，尤其涉及一種農田信息采集無線傳感器網絡網關。
背景技術：
我國在土地資源利用中存在土地資源退化、土地污染嚴重等問題；另一方面，我國 水資源時空分布不均，水資源利用率低，嚴重威脅農業(yè)生產。因此發(fā)展精細農業(yè)，改變現(xiàn)有 的耕作模式，提高單位面積的產出有非常大的潛力?！熬氜r業(yè)”技術思想的核心就是分析 影響作物生長的環(huán)境因素(如土壤結構、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等)，采取經濟 有效的調控措施，按需實施定位調控。“精細農業(yè)”主要包括信息獲取、信息處理與分析、決 策三個階段。后兩個階段技術已很成熟，而第一個階段，現(xiàn)在還主要采用傳統(tǒng)的人工方式。近年來興起的無線傳感器網絡(WSN-Wireless Sensor Network)系統(tǒng)，為精細農 業(yè)高效、快速的信息獲取技術提供了一個很好的解決方案，已成為當前國際上的一個研究 熱點。WSN與外部網絡進行數(shù)據通信的過程中，網關處于承上啟下的地位，是數(shù)據傳輸?shù)闹?樞節(jié)點。因此開發(fā)一個快速、有效、低成本地獲取農田中的各種有用信息的網關節(jié)點對精 細農業(yè)的發(fā)展有重要意義。世界各國對WSN研究正熱，但在網關方面并不是很多，2003年 Intel公司提出將Mobile Robots用作WSN的網關節(jié)點的方法，2003年韓國弘益大學在PC 機上設計實現(xiàn)了網關節(jié)點。對于網關節(jié)點的研究，國內各大學和研究機構也取得了一定的 進展。中國礦業(yè)大學的江海峰等人，將基于高性能網絡處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)的網 關解決方案，應用于礦井下的信息采集。北京郵電大學的蔡皓等設計并實現(xiàn)了一種可以通 過以太網、公共電話網以及GPRS網絡等多種方式進行數(shù)據轉發(fā)的WSN網關。但各種網關的 專用性很強，并不適合于在農業(yè)中應用。北京郵電大學自動化學院蔡皓研發(fā)的“具有多種通信方式的無線傳感器網絡網 關”(國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)專項經費資助(2006AA012222))的網關設計 在硬件上選取ARM7系列的S3C44BoX芯片為中央處理器，外圍電路主要包括存儲器系統(tǒng)、 串行通信接口、以太網接口、時鐘系統(tǒng)和其他電路系統(tǒng)。其中在設計串行通信接口電路 時，除了使用CPU自帶的2通道通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter,UART)外，還利用EXAR公司生產的異步通信芯片ST16C5M擴展出兩個串口， 分別連接匯聚節(jié)點和GPRS模塊。網關通信軟件分為兩個模塊，即網關與匯聚節(jié)點通信模塊以及網關與外部網絡 通信模塊。網關與外部網絡的通信主要是指將WSN的數(shù)據完成轉換后進行轉發(fā)，可以靈活 選擇以太網、MODEM以及GPRS通信方式。在進行網關應用軟件總體設計時，為了提高系統(tǒng) 的運行效率，利用μ Clinux對多線程機制的支持，將網關的應用軟件劃分為5個并行的線 程實現(xiàn)。分別為網關-匯聚節(jié)點通信線程、以太網通信線程、MODEM通信線程、GPRS通信 線程、短消息發(fā)送線程。在設計網關與匯聚節(jié)點之間的串口通信程序時，首先需要了解數(shù)據包的格式、長度、以及每個字節(jié)所代表的意義。其次，打開串口 /dev/ttyS3并設置屬性波特率為57600， 8個數(shù)據位，1個停止位，無校驗。最后，調用readO函數(shù)進行數(shù)據的讀取與存儲。數(shù)據包讀 取完成后，調用相應的轉換函數(shù)將這些原始數(shù)據解析為用戶可知的信息，例如溫度、光強、 電池電壓值等存儲在發(fā)送緩沖區(qū)內。利用socket機制設計以太網通信軟件，考慮到對數(shù)據傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，采 用面向連接的TCP客戶機-服務器模型；MODEM通信方式主要是利用公共電話網(PSTN)作 為數(shù)據傳輸載體，與socket通信邏輯過程大體相似；在網關的GPRS通信方式設計中，利用 SIM-COM公司生產的SIMlOO模塊實現(xiàn)移動通信網絡的接入。該無線傳感器網絡網關很好地發(fā)揮了網關的強大功能，集成以太網、MODEM以及 GPRS多種通信方式，搭建起WSN與外部網絡進行數(shù)據通信的橋梁。該網關沒有數(shù)據本地存儲與查詢的功能，不能解決由于網絡異常所導致的數(shù)據丟 失問題；另外，該網關沒有人機交互界面，不能靈活進行程序調試。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種可實現(xiàn)快速、可靠、低成本的農業(yè)生產環(huán)境 信息的遠程采集的農田信息采集無線傳感器網絡網關。(二)技術方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種農田信息采集無線傳感器網絡網關，該網關 包括控制模塊，用于控制無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯示、查詢、 以及遠程傳輸；通信模塊，與所述控制模塊相連，用于實現(xiàn)網關與無線傳感器網絡的通信， 以及為網關提供無線上網功能；存儲模塊，與所述控制模塊相連，用于將無線傳感器網絡中 各傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據存儲于SQLite數(shù)據庫中。其中，所述控制模塊進一步包括數(shù)據交換模塊，用于控制無線傳感器網絡中各傳 感器節(jié)點數(shù)據的采集、以及存儲；數(shù)據遠傳模塊，用于控制所述存儲模塊存儲的數(shù)據的遠 程傳輸；傳感器驅動模塊，用于驅動無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點；數(shù)據接收模塊，用于 調試所述通信模塊的通信以及處理通過所述通信模塊發(fā)送的數(shù)據；圖形用戶接口模塊，用 于接收無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯示、查詢及遠程傳輸?shù)目刂泼?令，以及顯示所述存儲模塊存儲的數(shù)據、顯示對所述數(shù)據的查詢。其中，所述圖形用戶接口模塊應用MINI⑶I工具。其中，所述通信模塊進一步包括GPRS通信單元，通過串口與所述控制模塊相連， 用于連接移動通信網絡，為網管提供無線上網功能JN5121通信單元，通過串口與所述控 制模塊相連，內嵌ZigBee協(xié)議，用于實現(xiàn)網關與無線傳感器網絡通信。其中，該網關還包括電源模塊，用于為網關的各模塊供電。其中，所述電源模塊進一步包括主供電單元，用于為所述控制模塊以及存儲模塊 供電；GPRS供電單元，用于為所述GPRS通信單元供電。其中，該網關還包括USB接口，與所述控制模塊以及電源模塊均相連。其中，所述存儲模塊進一步包括動態(tài)存儲單元、靜態(tài)存儲單元以及通過所述USB 接口與所述控制模塊相連的USB存儲單元。
其中，該網關還包括JTAG接口，與所述控制模塊相連。其中，所述控制模塊選用三星公司生產的基于ARM公司的ARM920T處理器核 S3C2410 芯片。(三)有益效果本發(fā)明適應于農田信息采集過程中的多種需要，為較大面積農田信息的快速采 集提供了較好的解決方案，可以實現(xiàn)農田信息的自動獲取、傳輸和管理，利用WSN技術、 MINI⑶I圖形用戶接口以及GPRS技術共同搭建了一個多功能、嵌入式智能網關節(jié)點。其具 有優(yōu)點如下1、農田信息采集自動化利用ZigBee WSN技術，該網關點可以實現(xiàn)WSN的管理和控制，實現(xiàn)了農田信息采 集的自動化。2、嵌入式系統(tǒng)易維護性本發(fā)明以操作系統(tǒng)Linux為平臺，開發(fā)了與功能配套的各個嵌入式基礎模塊。各 模塊通過Linux系統(tǒng)提供的有名管道FIFO進行通信，實現(xiàn)了農田信息采集過程中所需的各 種功能。各功能模塊之間具有高內聚、低耦合的特點，保證了各模塊的易維護性。3、高度的靈活性和廣泛的適應性本發(fā)明將農田信息采集與傳輸所需要的各種模塊都集成到該智能網關節(jié)點中，功 能齊全，可根據需要針對不同農田目標和不同采樣分辨率隨時調節(jié)采樣方案，均能夠保證 采集數(shù)據的可靠性和高效性。將對農田作業(yè)的影響降低到了最小的程度，GPRS網絡可以滿 足現(xiàn)有WSN的數(shù)據傳輸速率要求，使得網關可以在沒有以太網的情況下使用，擴大了網關 的應用范圍。4、數(shù)據本地存儲應用SQLite管理網關數(shù)據，解決了數(shù)據本地存儲、查詢問題和由于GPRS網絡和互 聯(lián)網異常導致的數(shù)據丟失問題。5、友好的人機交互界面窗口程序友好，方便對系統(tǒng)控制，與SQLite數(shù)據庫結合完成數(shù)據的查詢、導出等 操作，滿足一般數(shù)據管理應用。


圖1為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關結構框圖；圖2-1至2-10為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關 中核心板的原理圖；圖3為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關中DIMM144 接口原理圖；圖4為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關中USB接口 原理圖；圖5為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關中電源接 口原理圖；圖6為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關中串口接口原理圖；圖7為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關中顯示器 接口及觸摸屏原理圖；圖8為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關的控制模 塊的數(shù)據交換流程圖；圖9為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關的控制模 塊中各模塊數(shù)據流向圖；圖10為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關中控制模 塊的數(shù)據遠傳流程圖；圖11為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關的服務器 流程圖；圖12為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關的數(shù)據實 時顯示流程圖；圖13為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關的時間設
置窗口 ；圖14為依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網絡網關的查詢結 果顯示流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的農田信息采集無線傳感器網絡網關，結合附圖及實施例詳細說明如 下。在本發(fā)明的技術方案中，將GPRS通信單元、JN5121通信單元和控制模塊三部分集 成研發(fā)一種多功能、嵌入式的智能化網關，可實現(xiàn)傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯示、查詢 與遠程傳輸。JN5121通信單元內嵌ZigBee協(xié)議，通過串口與網關相連，提供無線數(shù)據采集 服務；控制模塊以ARM9為控制核心，通過串口與GPRS通信單元、JN5121通信單元交換數(shù) 據，控制模塊上還配有IXD顯示器、觸摸屏和USB接口，可完成信息的顯示和數(shù)據存儲；網關 上搭載了 Linux系統(tǒng)，負責多任務調度和網絡管理，并移植了 SQLite數(shù)據庫和MINI⑶I，為 用戶提供數(shù)據庫服務，并實現(xiàn)友好的人機交互功能。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實施方式的農田信息采集無線傳感器網關包括控 制模塊、存儲模塊、通信模塊、以及電源模塊?？刂颇K，用于控制WSN中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯示、查詢、以及遠程 傳輸。本發(fā)明中優(yōu)選選用三星公司生產的基于ARM9的ARM920T處理器核S3C2410芯片作 為控制模塊。通信模塊，通過串口與控制模塊相連，用于實現(xiàn)網關與WSN的通信，以及為網關提 供無線上網功能，包括GPRS通信單元和JN5121通信單元。由于在農田中鋪設有線網絡，一方面不便于耕作，另一方面成本較高。鑒于ZigBee WSN功耗小、成本低、傳輸距離遠等特點，JN5121通信單元內嵌ZigBee協(xié)議，可與WSN進行 通信，支持標準的RS232通信協(xié)議，使得本發(fā)明的網關可利用WSN采集農田信息，減少了農 田中布線的成本和麻煩，可以快速布樣和收集樣本，不影響農田作業(yè)的正常進行，同時可根據需要隨時增減布樣點以適應各不同尺寸的調查目標地塊。這種WSN信息獲取方式使得農 田信息的及時采集和傳輸變得靈活、便捷而且高效。網關遵循WSN的通信協(xié)議，編寫協(xié)議解析和編碼函數(shù)，實現(xiàn)了與WSN正常的通信。 為使網關具備遠程通信能力，還需選擇一種無線通信媒介。現(xiàn)有通信技術主要包括電視廣 播網、電臺、衛(wèi)星通信和移動通信網。前兩者設備復雜且干擾大，而衛(wèi)星通信費用過高，移 動通信網則是一個很好的選擇。因此本發(fā)明的網關選用GPRS通信網絡作為遠程數(shù)據傳輸 的媒介。GPRS通信單元可連接移動通信網絡系統(tǒng)，為網關提供無線上網功能。本發(fā)明的 GPRS通信單元選用西門子公司研發(fā)生產的MC55i，它支持永久在線，最大GPRS傳輸速率可 達85. 6kbps，支持電壓范圍在3. 3V到4. 8V，通話電流為300mA，而閑置時電流僅為10mA。 MC55i支持標準AT指令集，方便開發(fā)。與此同時，它內置TCP/IP協(xié)議，便于接入互聯(lián)網，加 之體積小(僅為35x32. 5x3. Imm)，重量輕(重6g)的優(yōu)點，使其非常適合應用于嵌入式移動 設備當中。本發(fā)明之所以采用GPRS網絡，是因為它覆蓋范圍廣，無空間和距離限制，在實現(xiàn) 數(shù)據分組收發(fā)時，用戶能夠永遠在線，保證了數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性。另外，GPRS接入速度快， 一般只需l_3s即可以登陸互聯(lián)網。通過串口與控制模塊相連，無需外圍硬件電路的擴展， 僅通過軟控制進行管理。存儲模塊，與控制模塊相連，用于將WSN中各傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據存儲于 SQLite數(shù)據庫中。在本發(fā)明中控制模塊S3C2410外圍通過兩片HY57V561620 SDRAM芯片和 一片F(xiàn)LASH芯片，分別為網關擴展了 32位64MB動態(tài)存儲空間和16MB固態(tài)存儲 空間。網關與服務器通過GPRS網絡通信，通信過程中網絡狀態(tài)很重要，為解決由于GPRS網 絡和互聯(lián)網異常導致的數(shù)據丟失問題，網關的Linux系統(tǒng)，移植了 SQLite數(shù)據庫。SQLite 是面向嵌入式的小型數(shù)據庫，最大可支持2T數(shù)據庫容量，而其本身只有幾K大小，非常適合 在嵌入式設備中。SQLite的存儲介質為U盤，在沒有移動通信網絡或通信網絡不穩(wěn)定的場 所方便數(shù)據的轉存，防止數(shù)據的丟失，等到網絡恢復后，一起發(fā)送給服務器。電源模塊，用于為網關的各模塊供電。包括主供電單元以及GPRS供電單元，主供 電單元為網關的內置電源，可穩(wěn)定工作在5V-40V之間，GPRS供電單元為GPRS通信單元單 獨供電，以避免瞬時工作電流突增導致網關重啟。本發(fā)明的網關內置的主供電電源由3. 3V 和1. 8V兩路電源構成，其中控制模塊采用1. 8V和3. 3V兩路電源，而FLAH和SDRAM采用的 是3. 3V電源。電源質量非常重要，它直接關系到系統(tǒng)能否穩(wěn)定的工作。為了使網關支持海量數(shù)據的存儲，本發(fā)明的網關還包括一路USB接口。USB接口的 設計，一方面不僅為系統(tǒng)提供了海量存儲空間，還為日后擴展和完善應用程序、數(shù)據庫等重 要信息提供了足夠大的存儲空間，便于新程序的調試和運行；另一方面，如果在實際應用中 沒有互聯(lián)網的接入點，可先將數(shù)據緩存在U盤中，方便日后轉存至電腦中。本發(fā)明的網關還包括JTAG接口，用于向模塊中燒寫各種程序，也是程序的仿真接 口，可以通過它對程序進行單步調試。上述依照本發(fā)明一種實施方式的網關在硬件實施上，由于S3C2410的工作頻率高 達200MHZ，屬于高速PCB范圍，需采用阻抗匹配等特殊工藝，單位面積造價較高。然而，電源 及各種接口電路不僅工作頻率低，而且占用面積大。從節(jié)約成本和方便調試與維修的角度 考慮，將網關硬件電路分為核心板和底板兩個部分?？紤]到方便以后對網關進行功能改進 和擴展，在進行網關節(jié)點硬件設計時，盡可能多地引出核心板各種接口。
核心板主要包括一片S3C410芯片(控制模塊)、兩片SDRAM芯片以及一片F(xiàn)LASH 芯片(存儲模塊)、一片邏輯芯片74LV14、一片1. 8V電源芯片(電源模塊)、兩個晶振和若 干電容電阻。由于S3C2410引腳較多，考慮到方便以后對網關進行功能改進和擴展，在進行 網關硬件設計時，盡可能多地引出核心板各種接口。其原理圖如圖2-1至2-10所示。并說 明如下圖2-1所示為接口電路及JTAG由于S3C2410引腳較多，接口部件采用DI匪144連接器，用來與底板連接。DI匪144 有144個引腳，它可以將S3C2410的大部分針腳引出。本發(fā)明主要用到了 UARTO、UARTl、 I2C, IXD顯示器和觸摸屏等接口。同時這種卡式插槽易更換，方便軟硬件的更新和修理。圖2-2所示為總線及外圍接口電路本發(fā)明采用32位數(shù)據總線和沈位地址總線，用來同F(xiàn)LASH和SDRAM建立連接，是 數(shù)據信號與地址信號的通路。其它的為一些控制信號線。圖2-3所示為部分外圍接口電路這一部分引出了 A/D、串口、I2C、TFCTrans Flash)卡、I2S、串行外圍設備接口 (Serial Peripheral Interface，SPI)等外圍電路部分。圖2-3中的晶振1為系統(tǒng)提供時 鐘，晶振2為實時時鐘芯片(Real-Time Clock, RTC)提供基準。圖2-4所示為中斷及IXD顯示器部分電路在這個部分主要引出了中斷、IXD顯示器及觸摸屏的接口，可為網關提供人性化交
互界面。圖2-5所示為電源模塊接口電路核心板上有3. 3V和1.8V兩路電源，其中S3C2410芯片(控制模塊)采用1.8V和 3. 3V兩路電源，而FLAH和SDRAM采用的是3. 3V電源。電源質量非常重要，它直接關系到系 統(tǒng)能否穩(wěn)定的工作。圖2-6所示為復位電路通過兩個施密特觸發(fā)器將觸點開關的信號波形進行調整后，有效去除抖動干擾， 為網關提供穩(wěn)定的復位電平。D4、D5這兩個LED燈，顯示是否已經產生了復位電平。圖2-7所示為SDRAM電路采用兩片HY57V561620并行使用，為網關提供32位64MB動態(tài)存儲空間。圖2-8所示為FLASH電路采用一片芯片，為網關提供16MB固態(tài)存儲空間。圖2-9所示為電容電路電容電路為電源濾波，提高電路性能。圖2-10所示Yl為CPU主晶振，提供系統(tǒng)時鐘。Y2為RTC(實時鐘)晶振。U12為 核心板上3. 3V轉1. 8V電源，為核心板提供1. 8V電源。底板主要由DMM144接口電路、USB接口、電源、兩路串口及IXD接口組成，通過接 口電路與核心板相連載，為核心作用板提供電源，并接收核心板信號，完成與GPRS通信單 元和JN5121通信單元的電平轉換。如圖3所示，DIMM144接口和核心板進行物理和電氣連接，用于將核心板上的有用 信號與底板電路相連，同時固定核心板。此外使用標準DIMM144接口，方便插拔，易于維護。
如圖4所示，USB接口部分實現(xiàn)與U盤通信功能，由板載5V電源供電，支持USB2. 0 標準通信協(xié)議，最大支持2G容量。USB接口的設計，一方面不僅為系統(tǒng)提供了海量存儲空 間，還為日后擴展和完善應用程序、數(shù)據庫等重要信息提供了足夠大的存儲空間，便于新程 序的調試和運行；另一方面，如果在實際應用中沒有互聯(lián)網的接入點，可先將數(shù)據緩存在U 盤中，方便日后轉存至電腦中。如圖5所示，該圖為底板電源電路圖，網關采用開關電源，開關電源體積小、重量 輕、功耗小、穩(wěn)壓范圍寬和提供電壓更穩(wěn)定的優(yōu)點，使其非常適合于便攜式設備應用。電源 接口部分有5V和3. 3V兩路，采用兩片ADJ型的LM2575S，通過其反饋引腳調節(jié)輸出電壓大 小。外部采用330uL電抗器和470uF電容濾除紋波，為系統(tǒng)提供平穩(wěn)電壓。其中，5V電源 主要為底板的U盤、串口和IXD供電；3. 3V電源接入如圖2-5所示和圖2_10所示的電源電 路，為核心板提供穩(wěn)定電源。如圖6所示，串口采用兩片RS232芯片進行電平轉換，同時可提高核心板抗干擾能 力。串口 0用于連接GPRS通信單元，為網關提供互聯(lián)網接口，實現(xiàn)遠程通信功能。在網關 的開發(fā)過程中，串口 0還用來連接目標機的宿主機，用于輸出各種調試信息。宿主機通過串 口 0來向目標機發(fā)送各種命令。串口 1用來連接JN5121通信單元，實現(xiàn)與WSN的通信，完 成數(shù)據采集。如圖7所示，TFT-IXD采用雙排40針的接口，用于連接IXD顯示器和網關，Tl、T2、 T3、T4為四個三級管，用于驅動觸摸屏。另外，根據功能的不同，本網關的控制模塊進一步包括數(shù)據交換模塊、數(shù)據遠傳 模塊、CO2傳感器驅動模塊、服務器數(shù)據接收模塊以及圖形用戶接口模塊(也稱為主控制 窗口模塊)五個部分。各個模塊間通過Linux系統(tǒng)提供的有名管道先入先出隊列(First Input First Output, FIFO)進行通信。(1)數(shù)據交換模塊該模塊啟動后，首先對網關的串口進行設置，以非阻塞方式打開串口，接下來對 WSN進行初始化，設置每個傳感器節(jié)點上要使用的端口號和端口數(shù)量(默認為打開節(jié)點所 有的端口)。初始化成功后，嘗試在存儲模塊建立SQLite數(shù)據庫(Data Base，DB)，如果DB 已經存在，則繼續(xù)向下執(zhí)行，否則，創(chuàng)建DB。創(chuàng)建DB成功后，創(chuàng)建表(Table)。最后，以掃描 的方式向各個傳感器節(jié)點發(fā)送采集數(shù)據的命令。該過程是以循環(huán)的模式進行的，從預先編 好的命令行里面順序取出每一條命令，將其通過串口發(fā)送到WSN網絡中，如果成功接收到 有效數(shù)據則繼續(xù)發(fā)送命令，直到發(fā)送完為止。否則，將對同一命令嘗試重新發(fā)送，三次不成 功后將給出節(jié)點出錯的警告信息。數(shù)據交換流程圖如圖8所示。掃描完所有的節(jié)點后，該模塊一方面會將接收到數(shù)據存入本地存儲模塊的數(shù)據庫 中，另一方面，會將提取出來的原始數(shù)據寫入兩個異名的FIFO中，實現(xiàn)與其它模塊的通信。 其中數(shù)據遠傳模塊會將從FIFO中讀到數(shù)據發(fā)送到遠程的服務器上，主控制窗口把從FIFO 中讀到的數(shù)據實時顯示在IXD顯示器上。具體的數(shù)據處理和數(shù)據流圖如9所示。(2)數(shù)據遠傳模塊用于控制存儲模塊存儲的數(shù)據的遠程傳輸，實現(xiàn)GPRS通信單元的撥號上網，并且 向客戶PC機指定的端口發(fā)送數(shù)據。對應于硬件的GPRS通信單元。在進行數(shù)據發(fā)送之間前， 先要同互聯(lián)網建立連接，獲得移動公司自動分配的IP地址。此后通過SOCKET函數(shù)族與客戶PC機建立連接，最終完成遠程數(shù)據通信。為了保證FIFO中的數(shù)據能夠及時讀到，采用多 進編程方法，父進程實時監(jiān)測FIFO狀態(tài)，保證FIFO中一旦有數(shù)據寫入就讀出來，減少數(shù)據 延時；子進程負責網絡狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據的遠程傳輸，程序執(zhí)行過程如圖10所示。(3)傳感器驅動模塊傳感器驅動模塊用來驅動無線網絡中各傳感器節(jié)點的傳感器。由于節(jié)點的傳感器 采用的是1 通信協(xié)議，因此要根據具體通信協(xié)議編寫驅動程序。I2C總線是數(shù)據線(SDA)和時鐘(SCL)構成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據。在控 制模塊與被控的其它模塊之間進行雙向傳送。各種被控電路均并聯(lián)在這條總線上，每個電 路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，1 總線上并接的每一模塊電路既是主控 器(或被控器)，又是發(fā)送器(或接收器)，這取決于它所要完成的功能。在本發(fā)明的網關 中，節(jié)點處的傳感器只作為接收器，被控制模塊訪問，不能占有總線?？刂颇K發(fā)出的控制 信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種 類；控制量決定該調整的類別(如對比度、亮度等)及需要調整的量。這樣，各控制電路雖 然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。根據1 通信協(xié)議設計驅動程序。驅動流程分三個階段第一階段下行數(shù)據，主控器(控制模塊)向被控器(傳感器)發(fā)送數(shù)據。先置 SDA高電平，發(fā)送地址位，所有被控器都接收此地址信息，然后與自己的地址比較，如果一致 則繼續(xù)接收，否則停止接收。然后主控器發(fā)送數(shù)據流動方向位，接著向被控器發(fā)送數(shù)據。發(fā) 送完畢，置結束位。第二階段等待被控器處理數(shù)據(采集傳輸數(shù)據)。第三階段類似第一階段，不同的是此時為被控器向主控器發(fā)送數(shù)據。(4)服務器數(shù)據接收模塊此模塊是唯一運行在PC機端的模塊，是數(shù)據遠傳模塊的服務器程序。它通過監(jiān)聽 PC機的特定端口，接收處理GPRS通信單元發(fā)送的數(shù)據。由于在本發(fā)明的網關中它主要是用 來調試網絡通信和數(shù)據遠傳模塊的，所以現(xiàn)在這個程序功能比較單一，只是對數(shù)據進行格 式轉換，并把轉換后的數(shù)據打印在終端里。同樣，為了有效的接收來自網關的數(shù)據，防止數(shù) 據的丟失，該模塊也采用了多進程編程方法。程序啟動后forkO兩次，使父進程進入后臺 工作模式，并打印成功執(zhí)行的提示信息，接著創(chuàng)建SOCKET，設置端口快速重用，綁定IP地址 和端口號。服務器數(shù)據接收模塊如圖11所示。(5)圖形用戶接口(主控制窗口)模塊上面講的幾個模塊都是后臺運行，程序一旦動行便無法直接查看和控制其運行狀 態(tài)，給實際的應用和調試都帶來不便。另外，在沒有GPRS網絡的地方，有時只需要監(jiān)測一下 環(huán)境參數(shù)而沒有必要設立遠程服務器，此外，在有些應用場所，需要實地觀測數(shù)據并進行參 數(shù)調節(jié)(溫室大棚)等，用戶需要一個比較直觀的數(shù)據顯示平臺。主控制窗口模塊就實現(xiàn) 了對以上各模塊的控制和數(shù)據顯示、查詢的功能。MINI⑶I是一款面向嵌入式系統(tǒng)的高級窗口系統(tǒng)(WindowingSystem)和開源 Linux圖形用戶界面(Graphical User hterface，⑶I)支持系統(tǒng)，為跨操作系統(tǒng)的嵌入式 圖形界面支持系統(tǒng)。
本發(fā)明中，該圖形用戶接口優(yōu)選應用MmiGUI工具，實現(xiàn)可視化操作，給用戶提供 一個可視化、友好的人機交互界面。具體以LCD顯示器呈現(xiàn)，其上裝有觸摸傳感器，用戶可 直接通過液晶面板完成與網關交互過程。所顯示的窗口主要由主窗口、數(shù)據實時顯示窗口、 時間設置窗口、查詢條件窗口和警告窗口組成，各個窗口之間可以隨意切換，共同完成程序 控制和數(shù)據管理功能。各個窗口功能介紹1、主窗口有兩個下拉菜單，分別為data和query。Data下拉菜單里有顯示實時數(shù) 據、建立GPRS連接、啟動數(shù)據采集模塊、啟動遠程發(fā)送數(shù)據模塊和設置系統(tǒng)時間等選項，可 以進行程序控制和數(shù)據管理。Query下拉菜單中只有數(shù)據查詢選項。2、數(shù)據實時顯示窗口用來顯示節(jié)點信息，包括ID號，各節(jié)點數(shù)據的實時信息。用 戶可以對其中的數(shù)值進行限定，比如說當溫度高于35度或低于10度時，系統(tǒng)可以用不同的 顏色標示出來。其中還涉及到多線程編程和模塊間實時通信問題。流程圖如圖12所示。3、時間設置窗口用來設置當前系統(tǒng)時間。每次重啟機器，首先要對系統(tǒng)時間進行 設置。以免造成本地數(shù)存儲時間與實際不符的情況。功能的實現(xiàn)是通過一個窗口獲取時間 參數(shù)，然后通過系統(tǒng)調用DATE命令完成。流程圖如圖13所示。4、在查詢條件窗口中，用戶可以根據自己的需要，查詢一個時間段內特定節(jié)點的 相關信息。同時還可以設置一次顯示的條目數(shù)量。當系統(tǒng)找到符合條件的數(shù)據時，就會以 列表的形式顯示在查詢結果窗口里面，而找不到符合條件的數(shù)據時就會給出警告信息。提 示用戶去檢查查詢條件是否正確。流程圖如圖14所示。本發(fā)明的工作過程概述如下首先，啟動系統(tǒng)，進入主控制窗口界面，設置當?shù)貢r間；然后，進行數(shù)據采集，其間，點擊SHOW DATA菜單選項，即出現(xiàn)數(shù)據實時顯示界面；數(shù)據采集完成后按照既定協(xié)議上傳至農田服務器，農田服務器經數(shù)據處理分析， 確認數(shù)據的可信度后，此次數(shù)據采集工作隨即完成。以數(shù)據采集和數(shù)據轉發(fā)為例具體說明本發(fā)明的工作過程。1、設置時間。啟動系統(tǒng)，進入主控制窗口界面，點擊settime選項就可進入時間設 置窗口，設定好日期和時間后點擊確定，在沒有安裝RTC時鐘電源的情況下，每當系統(tǒng)關閉 時，系統(tǒng)時間自動置零，所以啟動后首先要對時間進行設置。2、數(shù)據采集。點擊DATA下的TRANS DATA菜單選項，無線傳感器網絡中各傳感器 節(jié)點的信息隨即采集上來，經過處理后保存入SQLite數(shù)據庫。數(shù)據采集命令可以是無線傳 感器網絡中所有節(jié)點信息的采集，也可以是某個特定節(jié)點的信息采集。3、數(shù)據可視化。在IXD顯示器上可觀察所采集到的信息，點擊SHOW DATA菜單選 項。即出現(xiàn)數(shù)據實時顯示界面，主要顯示節(jié)點號、ID、通道名稱和各通道的實時數(shù)據。屏幕 刷新頻率由系統(tǒng)內置TIMER值設定。4、異常點的處理。對于異常點可以發(fā)送重新采集命令，如步驟2所示。在排除異 常可能后，即可將可信數(shù)據保存至文件。5、數(shù)據上傳至服務器。點擊SEND DATA菜單選項，采集數(shù)據即可通過GPRS發(fā)送至 服務器，由服務器對數(shù)據進行保存至數(shù)據庫，并進行詳細的數(shù)據分析，此次農田數(shù)據采集工 作隨即結束。6、數(shù)據查詢。關閉實時數(shù)據顯示窗口，打開數(shù)據查詢窗口。即點擊query菜單選項，進入查詢界面。通過該窗口可以設定和查詢啟始時間、終止時間、節(jié)點號和顯示的條目 數(shù)。設定好后點擊確定，就進入了數(shù)據顯示界面。數(shù)據將以列表的形式顯示出來，可以通過 上下、左右滾動條翻閱和查找敏感信息。如果沒有找到符合條件的結果系統(tǒng)就會給出警告信息，提示沒有找到結果。本發(fā)明的網關以三星AR1C410、嵌入式Linux系統(tǒng)和MINI⑶I界面工具等為平臺， 為實現(xiàn)移動式農田智能網關的各種功能，開發(fā)了配套的嵌入式軟件控制系統(tǒng)。軟件的功能 包括對所集成的MINI⑶I模塊、JN5121節(jié)點和GPRS模塊的控制。這些功能模塊協(xié)同完成 了農田信息采集、農田信息可視化、農田信息上傳等功能。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，該網關包括控制模塊，用于控制無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯示、查詢、以 及遠程傳輸；通信模塊，與所述控制模塊相連，用于實現(xiàn)網關與無線傳感器網絡的通信，以及為網關 提供無線上網功能；存儲模塊，與所述控制模塊相連，用于將無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點采集到的數(shù) 據存儲于SQLite數(shù)據庫中。
2.如權利要求1所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，所述控制模 塊進一步包括數(shù)據交換模塊，用于控制無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、以及存儲；數(shù)據遠傳模塊，用于控制所述存儲模塊存儲的數(shù)據的遠程傳輸；傳感器驅動模塊，用于驅動無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點；數(shù)據接收模塊，用于調試所述通信模塊的通信以及處理通過所述通信模塊發(fā)送的數(shù)據；圖形用戶接口模塊，用于接收無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯 示、查詢及遠程傳輸?shù)目刂泼睿约帮@示所述存儲模塊存儲的數(shù)據、顯示對所述數(shù)據的查 詢。
3.如權利要求2所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，所述圖形用 戶接口模塊應用MINI⑶I工具。
4.如權利要求1所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，所述通信模 塊進一步包括GPRS通信單元，通過串口與所述控制模塊相連，用于連接移動通信網絡，為網管提供無 線上網功能；JN5121通信單元，通過串口與所述控制模塊相連，內嵌ZigBee協(xié)議，用于實現(xiàn)網關與 無線傳感器網絡通信。
5.如權利要求3所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，該網關還包括電源模塊，用于為網關的各模塊供電。
6.如權利要求5所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，所述電源模 塊進一步包括主供電單元，用于為所述控制模塊以及存儲模塊供電； GPRS供電單元，用于為所述GPRS通信單元供電。
7.如權利要求3所述農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，該網關還包括 USB接口，與所述控制模塊以及電源模塊均相連。
8.如權利要求7所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，所述存儲模 塊進一步包括動態(tài)存儲單元、靜態(tài)存儲單元以及通過所述USB接口與所述控制模塊相連 的USB存儲單元。
9.如權利要求1所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，該網關還包括JTAG接口，與所述控制模塊相連。
10.如權利要求1-9任一項所述的農田信息采集無線傳感器網絡網關，其特征在于，所 述控制模塊選用三星公司生產的基于ARM公司的ARM920T處理器核S3C2410芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種農田信息采集無線傳感器網絡網關，該網關包括控制模塊，用于控制無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點數(shù)據的采集、存儲、顯示、查詢、以及遠程傳輸；通信模塊，與所述控制模塊相連，用于實現(xiàn)網關與無線傳感器網絡的通信，以及為網關提供無線上網功能；存儲模塊，與所述控制模塊相連，用于將無線傳感器網絡中各傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據存儲于SQLite數(shù)據庫中。本發(fā)明的網關可實現(xiàn)快速、可靠、低成本的農業(yè)生產環(huán)境信息的遠程采集。
文檔編號H04W88/16GK102143606SQ20111005364
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權日2011年3月7日
發(fā)明者劉春紅, 姜建釗, 張漫, 李偲鈺, 汪懋華 申請人:中國農業(yè)大學