技术领域
[0001] 本
发明属于农业电
气化和自动化领域，尤其涉及一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置及组网方法。
背景技术
[0002] 建设两型社会，需要建设农业，实现农业的可持续发展和农业的信息化。通过精准农业技术的使用，可以最大化利用农田生产潜
力、可以合理利用各种生产资料、减少环境污染、大幅度提高农产品产量和品质。农田信息采集系统作为精准农业的重要组成部分之一，是精准农业的
基础，可给农业现代化管理提供如
土壤、
气候等信息，使得农业生产在一定程度上摆脱自然环境的制约，生产出高产、高效、优质的农产品。农田信息采集主要涉及农田环境
数据采集、
数据处理和数据传输三个方面。
[0003] 传感器网络综合了传感器技术、
嵌入式计算技术、微
节点技术及无线通信技术等，通过自组织成网，节点能够协作地实时监测、
感知和采集各种环境或监测对象的信息，以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。因传感器网络具有结构配置灵活、成本低和部署方便等优点，在农业中得到了广泛的应用。农田环境中的
无线传感器网络的通信方式通常有射频、Zigbee、Wifi、蓝牙、IrDA和NFC等。上述几种方式都适用于一定的应用场景，其中，Zigbee技术和Wifi技术通常通信距离有限；而蓝牙技术需要支付
专利费，芯片成本较高，且通信距离也较短；IrDA容易被遮挡；NFC通信距离过段，因此都不适合在农田环境中使用；射频通信与其他几种方式相比采用的是433Mhz免费频段，具有较好的绕障能力和穿透能力，但由于采用的是公共免费频道，在该频段的无线设备较多，容易受干扰，导致数据传送可靠性差。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题：提供一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置及组网方法，以解决
现有技术的农田传感器网络计算能力有限、通信容易受到干扰可靠性差等技术问题。
[0005] 本发明的方案：
[0006] 一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置，它包括：第一处理器模
块，第一处理器模块与第二处理器模块、传感器模块、存储模块、显示模块、远程通信及
定位模块和第一处理器供电管理模块
导线连接，第二处理器模块与第一通信模块、第二通信模块、控
制模块、状态指示模块和电源管理模块导线连接。
[0007] 第一处理器模块与第二处理器模块通过I/O口连接，与传感器模块通过I/O口连接，与显示模块和远程通信及定位模块通过RS232
接口连接，第二处理器模块与
控制模块、第一通信模块、第二通信模块、控制模块、状态指示模块和电源管理模块通过I/O口连接。
[0008] 所述通信模块为射频通信模块，射频通信模块工作在433MHz、868MHz和915MHz的频段，通道宽度间隔为200KHz。
[0009] 第一处理器模块为DSP模块，第二处理器模块为MSP430F169模块。
[0010] 所述传感器模块包括空气温
湿度传感器、土壤
温度传感器、土壤
水分传感器、光照度传感器、CO2传感器。其中空气温湿度传感器采用1线总线的数字式温湿度传感器AM2306，土壤温度传感器采用1线总线的DS18B20数字式传感器，土壤水分传感器采用ECH2O，光照度传感器采用I2C总线的数字式传感器TSL2561。
[0011] 它还包括电源单元，电源单元为
太阳能和
蓄电池供电。
[0012] 一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括簇间组网方法，所述簇间组网方法包括
[0013] 步骤1、装置初始化：第二处理器模块对自带I/O端口进行初始化；第一通信模块的工作
频率设置为915MHz，设置输出功率为6dbm；第二通信模块的工作频率设置为433MHz；设置输出功率为10dbm；设置第一和第二通信模块工作频率；
[0014] 步骤2、第二通信模块收到控制中心传送来的簇间组网
帧信息，首先从簇间组网帧信息的跳数字段提取跳数值、转发该帧的节点地址和剩余
能量；
[0015] 步骤3、在簇间邻居信息表中查找该邻居节点的信息，有该节点信息则将该组网帧信息中跳数值与表中跳数值进行比较，簇间组网帧信息跳数值小于表中跳数值，则
修改邻居信息表中跳数值，并在修改后转发该帧，大于则不转发该帧；邻居信息表中没有该地址信息，但该帧中跳数值小于或等于表中跳数值，则保存该帧信息，同时修改入网标记InNet_Sign=1，在修改跳数字段和节点地址字段后向邻居节点转发该帧；
[0016] 步骤4、组网时间Tnet未到，则等待组网时间到，并返回第一步；
[0017] 步骤5、组网时间Tnet到，则检查入网标记，入网标记为1，退出簇间组网阶段；
[0018] 步骤6、判断标记，标记为0，则每隔1秒钟发送一次
申请入网帧，有邻居簇首应答，且应答帧中跳数字段比自身当前设置的跳数字段小，则保存该簇首节点信息；
[0019] 步骤7、如果连续发送3次申请入网帧都没有应答，则退出组网阶段，并通过第一通信模块广播控制命令帧，通知簇内传感器节点进入休眠状态，等待唤醒。
[0020] 所述的一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括行簇内组网，所述行簇内组网包括：
[0021] 步骤1、初始化簇内组网
定时器，发送簇内组网帧；
[0022] 步骤2、接收簇内传感器节点的应答帧，提取节点地址和剩余能量信息，将其存入簇内邻居节点信息表；
[0023] 步骤3、判断组网时间，组网时间未到，则返回步骤2；
[0024] 步骤4、计算簇内无线工作频率，将工作频率广播给簇内节点；
[0025] 步骤5、计算节点工作时序，并将该时序广播给簇内节点；
[0026] 步骤6、修改第一通信模块工作频率和休眠时间定时器TSleep，进入休眠状态，等待定时时间到唤醒工作。
[0027] 所述的一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括信息采集、处理和传送，所述信息采集和处理包括：
[0028] 步骤1、数据采集及处理过程由定时器或第一处理器启动；
[0029] 步骤2、控制电源给传感器供电，然后延时5S；
[0030] 步骤3、读入
传感器数据，对数据进行数字滤波；
[0031] 步骤4、对数据进行数据融合处理；
[0032] 步骤5、将结果存储进内存RAM和扩展的NAND Flash芯片。
[0033] 所述的一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括数据传送，所述数据传送包括：
[0034] 步骤1、工作开始，装置被定时器中断从休眠状态唤醒或被第一通信模块或第二通信模块外部中断唤醒，启动工作时间定时器；
[0035] 步骤2、定时时间未到，需传送自身数据时，自身数据传送给簇内节点则通过第一通信模块传送，自身数据传送给控制中心则通过第二通信模块将自身数据传送至下一簇首节点；
[0036] 步骤3、定时时间未到，第二通信模块接收到数据，且该数据需要转发，则转发该数据。
[0037] 本发明有益效果：
[0038] 本发明可将部署在农田中的各种传感器节点组成无线子网，通过本发明实现子网内的数据汇聚处理，通过集中分散监测，个别子网出问题，不影响其他子网的工作，因此具备了较强的可靠性。
[0039] 与现有技术相比，本发明的特点如下：
[0040] 1）本发明采用双处理器，第一处理器单元采用DSP，能实现高速运算处理，第二处理器采用低功耗处理器，能满足控制需要，且由第二处理器控制第一处理器通断电，能有效降低系统功耗，实现控制和数据处理分开进行，有效提高了数据处理能力和处理速度。
[0041] 2）采用双通信模块，通信模块工作在不同频段，有效避免了频段干扰，提高了数据传送的可靠性。
[0042] 3）装置传感器模块选用数字式传感器，具备集成度高，可靠性好、功耗低和占有I/O口少的优点。
[0043] 本发明解决了现有技术的农田传感器网络计算能力有限、通信容易受到干扰可靠性差等技术问题。
附图说明
[0045] 图2是本发明双处理器模块连接示意图；
[0046] 图3是本发明的第一处理器模块与传感器模块、显示模块、远程通信及定位模块和存储模块连接示意图；
[0047] 图4是本发明的第二处理器模块与第一、第二通信模块、控制模块、状态指示模块和电源管理模块的连接示意图；
[0048] 图5是本发明簇间组网的流程示意图；
[0049] 图6是本发明簇内组网的流程示意图；
[0050] 图7是本发明数据采集及处理的流程示意图；
[0051] 图8是本发明数据传送的流程示意图。
具体实施方式
[0052] 一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置，它包括：第一处理器模块，第一处理器模块与第二处理器模块、传感器模块、存储模块、显示模块、远程通信及定位模块和第一处理器供电管理模块导线连接，第二处理器模块与第一通信模块、第二通信模块、控制模块、状态指示模块和电源管理模块导线连接。
[0053] 第一处理器模块与第二处理器模块通过I/O口连接，与传感器模块通过I/O口连接，与显示模块和远程通信及定位模块通过RS232接口连接，第二处理器模块与控制模块、第一通信模块、第二通信模块、控制模块、状态指示模块和电源管理模块通过I/O口连接。
[0054] 所述通信模块为射频通信模块，射频通信模块工作在433MHz、868MHz和915MHz的频段，通道宽度间隔为200KHz。
[0055] 第一处理器模块为DSP模块，第二处理器模块为MSP430F169模块。
[0056] 所述传感器模块包括空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照度传感器、CO2传感器。其中空气温湿度传感器采用1线总线的数字式温湿度传感器AM2306，土壤温度传感器采用1线总线的DS18B20数字式传感器，土壤水分传感器采用ECH2O，光照度传感器采用I2C总线的数字式传感器TSL2561。
[0057] 它还包括电源单元，电源单元为太阳能和
蓄电池供电，蓄电池采用的是12V 12Ah的铅酸电池。
[0058] 第一处理器，用于对传感器检测到或通信模块接收到的数据进行融合处理；
[0059] 第二处理器，用于完成对控制节点所接控制单元的控制；
[0060] 第一通信模块，用于实现与簇内传感器节点信息的无线交换；
[0061] 第二通信模块，用于实现控制节点，即簇首节点间信息的无线交换；
[0062] 传感器模块，用于检测环境信息；
[0063] 控制模块，用于实现对设备的启停控制等；
[0064] 状态指示模块，用于显示设备工作状态；
[0065] 远程通信及定位模块，用于通过移动网络实现远程通信和对工作区域的定位；
[0066] 存储模块，用于扩展数据存储单元；
[0067] 电源管理模块，用于对整个装置的供电进行管理，它含第一处理器供电管理模块和电源管理模块。
[0068] 本发明
实施例中，第一处理器与第二处理器连接方式为（见图2）
[0069] 其中第一处理器采用的TI公司的DSP处理器TM320C6748，第二处理器采用的是TI公司的MSP430F169处理器，第一处理器的HPI接口的8位数据线HD0～HD7与第二处理器的P6口相连作为数据传输通道，第一处理器HPI接口的控制线与第二处理器的P2口相连,其中第二处理器的P2.0和P2.1与第一处理器的HCNTL0和HCNTLl相连以实现对HPIC、HPIA和HPID寄存器的
访问，第二处理器的P2.2与第一处理器的 HBIL相连可控制读写数据是数据的第一字节还是第二字节，第二处理器的P2.3与第一处理器的 HR/W口相连控制读写选通，第二处理器的P2.4与P2.5分别与第一处理器的/HDS1和/HDS2相连，控制HCNTL0/1、HBIL和HR/W
信号，第二处理器的P2.6与第一处理器的/HINT相连，第二处理器的P2.7与第一处理器的HRDY相连，第二处理器的P3.0与第一处理器的/HCS相连。
[0070] 图3是本发明实施例第一处理器与传感器模块、存储模块、显示模块、远程通信及定位模块连接的示意图图。本发明所述的传感器模块连接有空气温度湿度传感器SHT15，土壤温度传感器DS18B20、土壤水分传感器、光照度传感器、
风速传感器、风向传感器、降
雨量传感器，可对多种农田环境参数进行监测；本发明所述的存储模块采用的是NAND Flash；本发明所述的显示模块采用的是串口通信的显示屏；本发明所述的远程通信及定位模块采用的是SIMCOM公司的SIM908；此外，第一处理器与显示模块、远程通信及定位模块通过串口交换数据。
[0071] 图4是本发明实施例第二处理器与第一通信模块、第二通信模块、状态指示模块、控制模块、电源管理模块连接示意图。其中，第一通信模块和第二通信模块都采用的是Nordic公司的nRF905短距离射频通信模块。状态指示模块与第二处理器模块的P1.3相连，可控制状态指示模块中的双色发光
二极管发绿光，工作正常，发红光，工作不正常；第二处理器与控制模块通过P1.4、P1.5、P1.6相连，控制模块中包含三八译码器74HC138，可实现对八个外部设备的启停控制。
[0072] 本发明不仅能通过配置的传感器模块监测所在区域的农田环境信息，而且能根据情况使用高速处理器或低速处理器进行工作，有效控制了节点的能耗。采用双通信模块有效降低了频段干扰，进而提高数据传送的正确率。
[0073] 本发明与传感器节点通过第一通信模块进行数据交换。
[0074] 本发明装置之间通过第二通信模块进行数据交换。
[0075] 本发明采用GPRS通信模块具有网络标示和地理坐标，可根据名称和地理
位置进行存储和查询。
[0076] 本发明用于通信的帧，一帧长度为32字节，帧结构如下：
[0077]
[0078] 用于通信的帧共有以下三大类：
[0079] 广播帧：帧类型字段1字节，字段值为0x01H
[0080] 控制帧：帧类型字段1字节，字段值为0x02H
[0081] 数据帧：帧类型字段1字节，字段值为0x03H
[0082] 用于通信的广播帧分3种：
[0083] 组网帧：其余字段的首字节，字段值为0x11H
[0084] 组网成功应答帧：其余字段的首字节，字段值为0x12H
[0085] 申请入网帧：其余字段的首字节，字段值为0x13H
[0086] 用于通信的控制帧分4种：
[0087] 网络同步帧：其余字段的首字节，字段值为0x01H
[0088] 应答帧：其余字段的首字节，字段值为0x02H
[0089] 控制命令帧：其余字段的首字节，字段值为0x03H
[0090]
请求帧：其余字段的首字节，字段值为0x04H
[0091] 用于通信的组网帧分2种：
[0092] 簇间组网帧：其余字段的第二字节，字段值为0x01H
[0093] 簇内组网帧：其余字段的第二字节，字段值为0x02H
[0094] 本发明用于保存邻居节点的信息有2种表：
[0095] 簇内传感器节点信息表：用于保存簇内节点信息
[0096] 簇首节点信息表：用于一跳簇首节点信息
[0097] 本发明所在网络簇首间的拓扑结构为树型结构。
[0098] 本发明网络簇内的拓扑结构为星型结构。
[0099] 本发明网络簇间组网最大延迟时间为Tnet，Tnet=2*网络拓扑中树的高度h* TREIT，TREIT=节点收发一帧数据的时间+端到端的延时时间。
[0100] 本发明簇内通信采用如下方式实现抗干扰：
[0101] 在簇内组网结束后，簇首节点自身网络地址发送给簇内节点，簇内所有节点调整自身工作频率为F=（915MHz+自身地址*0.2MHz）。
[0102] 本发明为全功能设备，能够提供信息双向传送，且能对信息进行存储和计算。
[0103] 一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括簇间组网方法，所述簇间组网方法包括
[0104] 步骤1、装置初始化：第二处理器模块对自带I/O端口进行初始化；第一通信模块的工作频率设置为915MHz，设置输出功率为6dbm；第二通信模块的工作频率设置为433MHz；设置输出功率为10dbm；设置第一和第二通信模块工作频率；
[0105] 通过对CH_NO和HFREQ_PLL设置簇内工作频率，第一通信模块的工作频率设置为915MHz；通过PA_PWR设置输出功率为6dbm；CH_NO和HFREQ_PLL分别为nRF905配置寄存器字节1的第0，第1位；dbm表示分贝毫伏；
[0106] 通过对CH_NO和HFREQ_PLL设置簇间工作频率，第二通信模块的工作频率设置为433MHz；通过PA_PWR设置输出功率为10dbm；
[0107] 工作频率计算公式为f=(422+(CH_NO)/10)*(1+HFREQ_PLL))，单位为MHz；
[0108] 模块设置启动簇间组网定时器Tnet，设置跳数初始值为装置进入簇间组网阶段，且处于等待状态；Tnet=2*网络拓扑中树的高度h*TREIT，TREIT=节点收发一帧数据的时间+端到端的延时时间，网络高度h由装置所在区域的面积、控制中心的位置和通信模块的发射功率所确定。
[0109] 簇间组网帧格式：
[0110]
[0111] 步骤2、第二通信模块收到控制中心传送来的簇间组网帧信息，首先从簇间组网帧信息的跳数字段提取跳数值、转发该帧的节点地址和剩余能量；
[0112] 步骤3、在簇间邻居信息表中查找该邻居节点的信息，有该节点信息则将该组网帧信息中跳数值与表中跳数值进行比较，簇间组网帧信息跳数值小于表中跳数值，则修改邻居信息表中跳数段值，并在修改后转发该帧，大于则不转发该帧；邻居信息表中没有该地址信息，但该帧中跳数值小于或等于表中跳数值，则保存该帧信息，同时修改入网标记InNet_Sign=1，在修改跳数字段和节点地址字段后向邻居节点转发该帧；
[0113] 步骤4、组网时间Tnet未到，则等待组网时间到，并返回第一步；
[0114] 步骤5、组网时间Tnet到，则检查入网标记，入网标记为1，退出簇间组网阶段；
[0115] 步骤6、判断标记，标记为0，则每隔1秒钟发送一次申请入网帧，有邻居簇首应答，且应答帧中跳数字段比自身当前设置的跳数字段小，则保存该簇首节点信息；
[0116] 步骤7、如果连续发送3次申请入网帧都没有应答，则退出组网阶段，并通过第一通信模块广播控制命令帧，通知簇内传感器节点进入休眠状态，等待唤醒。
[0117] 所述的一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括行簇内组网，参照图6，是本发明簇内组网的流程示意图。是通过第一通信模块实现，在簇间组网结束后，装置启动簇内组网时间定时器TC，TC=5*(N/NC)* TREIT，N为网络中总的传感器节点数，NC为网络中总的簇数。
[0118] 簇内组网帧格式：
[0119]
[0120] 所述行簇内组网包括：
[0121] 步骤1、初始化簇内组网定时器，发送簇内组网帧；
[0122] 步骤2、接收簇内传感器节点的应答帧，提取节点地址和剩余能量信息，将其存入簇内邻居节点信息表；
[0123] 步骤3、判断组网时间，组网时间未到，则返回步骤2；
[0124] 步骤4、计算簇内无线工作频率，将工作频率广播给簇内节点；
[0125] 步骤5、计算节点工作时序，并将该时序广播给簇内节点；
[0126] 步骤6、修改第一通信模块工作频率和休眠时间定时器TSleep，进入休眠状态，等待定时时间到唤醒工作。
[0127] 所述的一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括信息采集、处理和传送，所述信息采集和处理包括：
[0128] 步骤1、数据采集及处理过程由定时器或第一处理器启动；
[0129] 步骤2、控制电源给传感器供电，然后延时5S；
[0130] 步骤3、读入传感器数据，并对数据进行数字滤波；
[0131] 步骤4、对数据进行数据融合处理；
[0132] 步骤5、将结果存储进内存RAM和扩展的NAND Flash芯片。
[0133] 所述的一种农田簇树型异构传感器网络双频双核控制装置的控制方法，它包括数据传送，所述数据传送包括：
[0134] 步骤1、工作开始，装置被定时器中断从休眠状态唤醒或被第一通信模块或第二通信模块外部中断唤醒，启动工作时间定时器；
[0135] 步骤2、定时时间未到，需传送自身数据时，自身数据传送给簇内节点则通过第一通信模块传送，自身数据传送给控制中心则通过第二通信模块将自身数据传送至下一簇首节点；
[0136] 步骤3、定时时间未到，第二通信模块接收到数据，且该数据需要转发，则转发该数据。
[0137] 定时时间到则控制电源给传感器供电。
[0138] 数据的传送不成功时，重复传送3次，3次不成功则结束，等待下一次触发。
[0139] 数据帧的格式：
[0140]
[0141] 校验字段是前面所有字节的累加和，即采用累加和校验；数据字段一次最多能传送6种传感器数据，即一种传感器数据占有3个字节。
[0142] 传感器数据格式：
[0143]
[0144] 其中类型表示的是传感器类型，在本发明中，主要定义了如下传感器类型：
[0145] 1）0x01：室内空气温度
[0146] 2）0x02：室内空气湿度
[0147] 3）0x03：室内土壤温度
[0148] 4）0x04：室内土壤湿度
[0149] 5）0x05：室内土壤水分
[0150] 6）0x06：室内光照度
[0151] 7）0x07：室内CO2
[0152] 8）0x08：室外空气温度
[0153] 9）0x09：室外空气湿度
[0154] 10）0x0A：室外土壤温度
[0155] 11）0x0B：室外土壤湿度
[0156] 12）0x0C：室外土壤水分
[0157] 13）0x0D：室外光照度
[0158] 14）0x0E：室外CO2
[0159] 15）0x0F：室外风速
[0160] 16）0x10：室外风向。
