摘要 針對農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測的實際工作需要，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)誘捕技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過添加傳感器、MSP430單片機(jī)、CC1101無線通信模塊等功能模塊，充分利用無線喚醒功能和低功耗休眠機(jī)制，通過自定義通信協(xié)議組建了超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)田蟲害的大面積自動監(jiān)測關(guān)鍵字：CC1101，無線喚醒(WOR)，中繼轉(zhuǎn)發(fā)，低功耗，空閑信道評估(CCA)AbstractFor actual need of agricultural pest and disease monitoring, based on the traditional trapping techniques, the system make full use of wireless wake-up functionality and low power sleep mechanism by adding sensors, MSP430 and CC1101 wireless communication modules .Through the custom communication strategy, this system sets up ultra-low power wireless sensor networks ,which achieved automatic monitoring of large area for farmland pests.Key Word：CC1101, Wake On Radio (WOR) , Relay,?Low-power ,Clear Channel Assessment (CCA)1. 引言當(dāng)前農(nóng)業(yè)病蟲監(jiān)測工作中，通常需要對一種特定的農(nóng)業(yè)害蟲進(jìn)行誘捕，并根據(jù)誘捕獲得的蟲害數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，預(yù)測蟲害發(fā)展趨勢和給出綜合防治意見，對于確保當(dāng)年的糧食收成具有十分重要的指導(dǎo)意義。

具體工作時，為了分析一片稻田的健康狀態(tài)，通常需要在數(shù)平方公里的稻田里均勻架設(shè)數(shù)百個特定害蟲的誘捕瓶，統(tǒng)計害蟲的種群密度，而且每隔數(shù)日就要對每個瓶中的害蟲數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計這是一項繁重而且容易出錯的工作，如果能夠運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)誘捕方法相結(jié)合，實現(xiàn)稻田病蟲害數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測，將具有重大意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器、嵌入式、無線通信和分布式處理等諸多技術(shù)，能夠通過各類集成化傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境和監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測，并以自組織、多跳網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，實現(xiàn)物理世界、計算機(jī)世界和人類世界的三元世界互聯(lián)近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了相當(dāng)程度的發(fā)展，不僅傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了應(yīng)用，各種專用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也紛紛出現(xiàn)，比如Zigbee協(xié)議及相關(guān)產(chǎn)品，極大的簡化了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計工作系統(tǒng)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)誘捕技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加傳感器、控制器等模塊構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無人值守稻田病蟲無線監(jiān)測在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間，比如在現(xiàn)有的無線通信上，可以輕松的增加一些功能，如：稻田濕度、溫度監(jiān)測，農(nóng)作物生長情況監(jiān)測，土壤有機(jī)化肥含量監(jiān)測等等功能，以達(dá)到良田的科學(xué)管理，具有廣泛的實用價值和應(yīng)用前景。

2. 系統(tǒng)方案 2.1 系統(tǒng)綜述針對目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域普遍依靠人工進(jìn)行農(nóng)田病蟲害的抽樣統(tǒng)計，本系統(tǒng)將現(xiàn)代電子技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方法相結(jié)合，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)病蟲害自動統(tǒng)計，節(jié)省人工的費(fèi)用，并且具有靈活性和可擴(kuò)展性，不受時間、地點、距離的限制本方案由一個主節(jié)點和若干個終端探測節(jié)點組成利用TI的低功耗MSP430單片機(jī)和低功耗單片收發(fā)芯片CC1101，進(jìn)行低功耗設(shè)計,通過多個探測終端的大面積覆蓋,實現(xiàn)害蟲的統(tǒng)計功能各探測終端定時將所記害蟲數(shù)量通過無線傳至主機(jī),各探測終端具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能,以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸主機(jī)負(fù)責(zé)信息的匯總,統(tǒng)計與保存,并通過Email,短信等方式將信息發(fā)送至工作人 圖1 系統(tǒng)示意圖員，同時，工作人員可以發(fā)送命令至主機(jī)，獲取各種信息（某年月日捕獲昆蟲總數(shù)，平均捕獲昆蟲數(shù)目，某固定探測終端捕獲昆蟲數(shù)目，增加或刪除探測終端，等等），起到遠(yuǎn)程遙控的作用探測終端采用電池供電，為進(jìn)一步降低功耗，提高電池的使用壽命，使單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)，只有當(dāng)誘捕瓶有害蟲落入和需轉(zhuǎn)發(fā)信息時，才喚醒睡眠同時，探測終端能自動檢測電池電量，當(dāng)電量不足時，可以發(fā)送警告至主機(jī)，主機(jī)再通過Email或短信方式通知工作人員，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 無線協(xié)議系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是低功耗和低成本，又由于實際需要，每天只需統(tǒng)計一次數(shù)據(jù)，所以無需時刻發(fā)送或接受數(shù)據(jù)，在絕大部分時間芯片可以工作于低功耗模式 由于低功耗的限制，節(jié)點的發(fā)射功率不可能很大，所以終端探測節(jié)點設(shè)計了中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能在數(shù)據(jù)何時發(fā)送的問題上有兩種選擇:方案1：各終端探測節(jié)點固定在每天的的時間內(nèi)完成發(fā)送數(shù)據(jù)至主節(jié)點的功能設(shè)總終端探測節(jié)點個數(shù)為，編號為，每個節(jié)點平均發(fā)送數(shù)據(jù)時間為，則只需滿足即可完成所有數(shù)據(jù)的發(fā)送其中第個節(jié)點在時間段處于發(fā)送模式狀態(tài)，在時間段處于接受狀態(tài)，用于中繼，其余時間處于睡眠狀態(tài)每個節(jié)點必須有實時時鐘，增加了系統(tǒng)的成本，且由于各時鐘芯片的時間不可能完全一致，將導(dǎo)致某些節(jié)點在同一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)的沖突，且該法尚未仔細(xì)考慮中繼轉(zhuǎn)發(fā)對發(fā)送時間帶來的影響，實施起來有一定的難度方案2：探測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間由主節(jié)點發(fā)起，當(dāng)主節(jié)點需要統(tǒng)計數(shù)據(jù)時發(fā)起廣播，終端探測節(jié)點收到廣播后準(zhǔn)備發(fā)射本節(jié)點的數(shù)據(jù)至主節(jié)點由于從節(jié)點不知道主節(jié)點何時需要數(shù)據(jù)，所以從節(jié)點需時刻處于接受狀態(tài)，若從節(jié)點具有無線喚醒功能，則能處于睡眠狀態(tài)為解決數(shù)據(jù)碰撞的發(fā)生，探測節(jié)點自接受到主節(jié)點的廣播后，隨機(jī)延時一段時間，進(jìn)行載波檢測，若空氣中無載波，則發(fā)送本節(jié)點數(shù)據(jù)，若空氣中存在載波，則本節(jié)點再次隨機(jī)延時一段時間，再進(jìn)行載波檢測。

考慮到低成本，系統(tǒng)選用方案23 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖2 硬件系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由一個主機(jī)和多達(dá)255個從機(jī)構(gòu)成為了簡化設(shè)計，主機(jī)與從機(jī)使用相同的硬件結(jié)構(gòu)，僅用八位地址加以區(qū)別主機(jī)不接傳感器，而接GPS模塊與電腦進(jìn)行通信；從機(jī)監(jiān)視傳感器信號變化，并在必要的時候發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)板、無線傳輸模塊和傳感器三部分構(gòu)成，如下所述3.1 低功耗單片機(jī)本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430 Value Line系列單片，提供了靈活的時鐘管理方案和中斷喚醒方式，使系統(tǒng)實現(xiàn)了低功耗運(yùn)行（?0.4μA 待機(jī)模式 (VLO)，超快速地從待機(jī)模式喚醒 <1 μs）MSP430系列單片機(jī)片上集成SPI接口、模擬比較器、電池檢測器等豐富的外設(shè)，極大簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度本系統(tǒng)主體部分僅由一片單片機(jī)構(gòu)成，傳感器的電壓信號直接連接到單片的片上比較器的輸入端，利用比較的中斷喚醒功能實時監(jiān)測傳感器的電壓變化；同時，使用SPI接口控制無線通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和無限喚醒功能；電池檢測器監(jiān)視電池電量等這樣的設(shè)計極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時便于功耗的管理3.2 無線傳輸模塊 方案1：采用TI的單片低成本低能耗 RF 收發(fā)芯片CC1101，該芯片為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計，集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 500kbps，為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、空閑信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波喚醒提供廣泛的硬件支持。

方案2：采用2.4G高速無線收發(fā)芯片nRF24L01，該芯片采用GFSK調(diào)制，自動應(yīng)答及重發(fā)功能方案論證：本系統(tǒng)著重于低功耗設(shè)計，對于節(jié)點，采用3V電池供電數(shù)據(jù)每天統(tǒng)計一次，即節(jié)點每天發(fā)送一次數(shù)據(jù)至主節(jié)點由于在發(fā)射和接受模式時電流消耗大，考慮到CC1101具有無線喚醒(WOR)功能，可以時刻工作于休眠狀態(tài)，僅在喚醒后進(jìn)入接受或發(fā)射模式，極大的降低了電流消耗經(jīng)計算，采用無線喚醒功能，電流消耗能減少幾百倍，所以本系統(tǒng)選用TI的單片低成本低能耗 RF 收發(fā)芯片CC11013.3 傳感器模塊為了感知害蟲落入誘捕瓶中，需在誘捕瓶口加裝傳感器一般情況下針對這種應(yīng)用，使用光電門效果是十分理想的，但是功耗也相對較大（電流可達(dá)數(shù)十個毫安），難以實現(xiàn)低功耗應(yīng)用本設(shè)計針對傳統(tǒng)光電門，選用紅外對管并驅(qū)動電路上加以改進(jìn)，使總電流降到0.05mA左右，如圖所示本設(shè)計中紅外對管的深色接收光敏三級管，本身就具有一定濾波功能，能夠有效的降低環(huán)境中可見光強(qiáng)弱等環(huán)境的干擾同時光敏三極管的靈敏度遠(yuǎn)高于光敏電阻，相對于光敏二極管而言具有電路機(jī) 圖3 紅外對管構(gòu)簡單，不需要信號調(diào)理的放大電路進(jìn)一步降低功耗。

如表1所示光敏三極管在受到光照的時候會產(chǎn)生光電流（相當(dāng)于基極電流），經(jīng)過三級管放大后產(chǎn)生一個比較大的發(fā)射極電流，通過判斷電流大小可以感知光照強(qiáng)度但是本應(yīng)用中并不需要判斷光強(qiáng)，只需判斷光照的有無，因此可以將光明三極管當(dāng)成一個光敏感的可變電阻使用，與一個100千歐姆的電阻串聯(lián)，電阻上的壓降變化可以達(dá)到0.5個電源電壓左右表1 光敏接受器件及其性能材料性能光敏感電阻由于環(huán)境光影響，阻值變化不明顯光敏二極管靈敏，需要信號放大電路，功耗較大光敏三級管靈敏，功耗較小4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 CC1101數(shù)據(jù)包格式數(shù)據(jù)包的格式化能被配置，它包含如下項目：前導(dǎo)、同步詞匯、長度字節(jié)或恒定可控的數(shù)據(jù)包長度、可選的地址字節(jié)、有效載荷、可選的 2 字節(jié) CRC校驗，如圖4所示圖4 數(shù)據(jù)包格式其中，前導(dǎo)形式是一個交互的 0、1 序列（01010101...）前導(dǎo)的最小長度是可編程控制的 當(dāng)啟用 TX時， 調(diào)制器開始傳送前導(dǎo)當(dāng)控制數(shù)目的前導(dǎo)字節(jié)被傳送完畢，調(diào)制器開始發(fā)送同步詞匯，然后傳送來自TX FIFO的可利用的數(shù)據(jù)若TX FIFO為空，調(diào)制器將繼續(xù)傳送前導(dǎo)字節(jié)，直到第一個字節(jié)被寫入 TX FIFO調(diào)制器將隨后傳送同步詞匯和數(shù)據(jù)字節(jié)。

同步詞匯提供傳入數(shù)據(jù)包的字節(jié)同步數(shù)據(jù)字節(jié)的長度可編程控制最后傳送的是CRC字節(jié)，用于校驗數(shù)據(jù)傳輸是否有誤4.2 自定義數(shù)據(jù)幀格式在數(shù)據(jù)傳輸時，首先配置前導(dǎo)、同步詞匯、可選的地址字節(jié)、有效載荷和可選的 2 字節(jié) CRC，然后重點配置數(shù)據(jù)字節(jié)，自定義數(shù)據(jù)幀格式，以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求4.2.1 來自主節(jié)點的數(shù)據(jù)幀格式Data1Data2Data3數(shù)據(jù)長度leng=3，各數(shù)據(jù)含義為：（1） 當(dāng)Data1=0xaa并且Data2=0x00，表示主節(jié)點廣播，即需要所有節(jié)點數(shù)據(jù)，其中Data3表示某次廣播的編號2） 當(dāng)Data1=0xbb并且Data2=0x00，表示主節(jié)點廣播需要特定編號的節(jié)點的數(shù)據(jù)，其中Data3表示主節(jié)點需要數(shù)據(jù)的節(jié)點編號3） 其余數(shù)據(jù)格式未定義4.2.2 來自從節(jié)點的數(shù)據(jù)格式Num(1)Data(1)Num(2)Data(2)……Num(n)Data(n)數(shù)據(jù)長度leng=2n，為偶數(shù)，Num表示節(jié)點標(biāo)號，Data表示節(jié)點標(biāo)號為Num的數(shù)據(jù)4.2.3 協(xié)議i. 主節(jié)點協(xié)議(1) 當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備請求數(shù)據(jù)時，按要求發(fā)送數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備2) 每天固定時刻發(fā)送一次廣播，統(tǒng)計當(dāng)天的害蟲數(shù)目。

3) 發(fā)送廣播后，設(shè)置為接受模式，對于接受到的新節(jié)點要予以標(biāo)記4) 接受時間限制溢出后，統(tǒng)計尚未接受到的節(jié)點的數(shù)據(jù)5) 發(fā)送對未接受到的節(jié)點的信息請求6) 對再次請求仍無數(shù)據(jù)傳回的節(jié)點（說明該節(jié)點或已移除），予以刪除ii. 從節(jié)點協(xié)議（1） 接受數(shù)據(jù)來自主節(jié)點，如果沒轉(zhuǎn)發(fā)過該信息，則轉(zhuǎn)發(fā)，同時將本節(jié)點數(shù)據(jù)信息加入到發(fā)送緩存中2） 接受數(shù)據(jù)來自從節(jié)點，如果沒轉(zhuǎn)發(fā)過該信息，則將數(shù)據(jù)加入發(fā)送緩存中3） 收到數(shù)據(jù)后，隨機(jī)延時一段時間，。