生理参数检测系统设计论文

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1系统总体设计方案

检测系统由数据采集端、嵌入式网关远程发送端以及检测管理中心三部分组成。首先，传感器通过ZigBee协议发送所采集的植物生理参数信息到网关中的协调器节点，协调器将数据通过RS—232串口发送到基于ARM9的CDMADTU嵌入式模块，CDMADTU模块对数据进行处理后通过CDMA2000网络和Internet网络将数据发送到由PC构建的Web服务器，发送到服务器的优点是数据易存储易查询。最后，检测中心还能通过基于LabVIEW编写的上位机软件根据已知的数据分析出植物的生理生长状况，并设计了一种根据蒸腾速率和叶绿素含量等参数的自动报警界面，从而可以更精确地判断和控制植物的长势和各项经济指标。

2系统硬件设计

2．1数据采集节点硬件设计

数据采集节点组要负责采集植物的各项生理参数(茎秆与果实直径、叶绿素含量、植物茎流等)和无线发送采集到的数据。无线收发芯片选用TI公司推出的CC2530作为ZigBee网络的射频收发送模块。CC2530是应用于ZigBee网络的真正片上系统(SOC)解决方案，包括一个高性能的2．4GHz射频收发器，内含一个高性能、低功耗的增强型8051内核和一个8通道12位A/D转换器。CC2530较以往常用的CC2430芯片具有灵敏度更高、功耗更小、通信距离更远等优点，因此，满足无线传感器及其网络对高性能、低成本、低功耗的要求。本设计中需要测量的茎秆直径采用基于LVDT的植物茎秆传感器，叶绿素含量测量采用基于透射型活体叶绿素传感器，植物茎流测量采用基于热平衡法传感器，这些传感器的输出均为模拟信号，在传感器部分对输出信号进行调理就能够直接与CC2530芯片连接。

2．2嵌入式网关硬件设计

嵌入式网关主要负责对接收的数据进行处理与存储，并实现ZigBee协议与TCP/IP协议之间的转换，从而将数据发送到远程检测系统。嵌入式网关主要由协调器和基于AM9的CDMADTU模块组成，CDMADTU模块包括AM9微处理器和DTU发送模块。本设计的CDMADTU选用CDMA2000通信模块，该模块采用AM9高性能工业级嵌入式处理器，供电范围宽(5～32VDC)，数据传输速度高，系统稳定可靠。在使用CDMADTU之前需要做两步准备:一是因为本设计采用动态IP链接Internet网络与Web服务器，因此，要申请域名，申请域名解析服务后可以通过域名自动建立通信。接入CDMA网络前，需要向电信公司申请SIM卡，SIM卡可为CDMADTU提供链接Internet网络服务。二是使用前需要用终端软件或AT命令对参数设置，以决定进入网络透明数据传输模式的工作方式。

2．3锂电池供电模块设计

植物生理检测系统的实际应用环境很复杂，电源供给很难保障，因此，本设计中采用3．6V锂电池供电。但植物生理检测系统中传感器模块、CC2530等模块需要不同的电源供给，因此，本设计采用DC-DC芯片NCP500SN33G获得稳定的3．3V，该电压适用于SOC工作电压。采用TPS61040将3．6V自举到适用于各类传感器工作的12V电压。其电路图分别如图4、图5所示。

3系统软件设计

3．1数据采集节点软件设计

采集端传感器节点主要负责采集植物各项生理信息并组网将数据发送给嵌入式网关。本设计采用IAR集成开发环境自底向上构建ZigBee网络。为了节省电量，采用的传感器节点一般处于低功耗模式，直到收到上位机命令后才将对应的检测数据上传到网关。为了提高效率，上位机可设置每隔一段时间后对传感器发送上传数据命令。另外，还采用了中值平均滤波算法来消除个别传感器系统内部的随机干扰，提高了传感器的测量精度。

3．2嵌入式网关软件设计

嵌入式网关的软件设计是建立在Linuxredhatlinux操作系统上的，该操作系统具有多任务操作进程、支持硬件广泛、程序模块化、源代码公开等诸多优点而被广泛使用。使用IAR集成开发环境来建立嵌入式网关和远程检测管理中心的网络连接。

3．3上位机软件设计

系统采用LabVIEW平台编写上位机软件，根据设计要求，将软件分为数据显示模块、数据分析模块、数据存储三大模块。数据显示模块主要是将接收到的数据和分析后的结果显示在上位机的前面板上。数据分析模块主要是根据所要检测植物参数的不同选择合适的分析和处理方法。本系统分析模块实现的功能是:当测量数据在正常范围内时指示灯显示绿色，表示植物长势正常。当某一参数超出或者低于正常范围时，其对应的指示灯显示红色报警。数据存储模块主要是将数据存储到数据库中，由于LabVIEW不能直接访问数据库，因此，采用SQL语言来完成对数据库的访问。

4实验结果与分析

为了对设计的系统性能各方面进行验证，在29℃的温室环境下选择了4株番茄做为测试对象，4株番茄均匀分布于250mm×250mm的测试区域，将协调器放置在温室的中心区域从而组建星型网络结构。每株番茄同时采集茎流、叶绿素含量、番茄果实的直径等生理参数并将参数发送到上位机显示界面，采集间隔为2h，总检测时间为24h。

5结论

本文设计并实现了基于WSNs远程农作物生理参数检测系统，该系统采用模块化结构，结合嵌入式和ZigBee技术，实现了对农作物的各项生理参数定时的动态采集、无线传输和远程的实时监测，在精准农业生产应用中具有重要的意义。实验证实本系统性能优越，数据传输稳定，具有很好的推广应用价值。

作者:韩浩俞阿龙施赛杰王袁单位:宁夏大学淮阴师范学院