مقاله در مورد طراحی و ساخت نمونه ای از شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم در حوزه كشاورزي

طراحی و ساخت نمونه ای از شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم در حوزه كشاورزي
فاطمه سادات آیت الهی ، سعیده علی نژاد چمازکتی
چكيده
هر گونه عمليات كشاورزي متناسب با شرايط حاکم بر محيط زراعی مورد نظر انجام ميشود. بنابراين دقت در برآورد شرايط محيطي باعث افزايش بازده ميشود. اين شرايط زماني و مکاني مختلف متفاوت هستند. در نتيجه بهتر است كه عمليات كشاورزي متناسب با شرايط نواحی مختلف‌ مزرعه در هر زمان انجام شود. با افزايش دقت در اندازه‌گيري نقطه به نقطه، بازده افزايش مييابد. جهت دست يابي به اهداف فوق، از ابزارهايي به نام حسگر استفاده ميگردد كه به وسيله آن ها پارامترهاي مختلف محيطي اندازه‌ گرفته ميشوند. اين حسگرها در گره‌هايي نصب شده‌اند كه وظيفه ارسال داده‌هاي دريافتي را به مركز اصلي براي نگهداري داده‌‌ها و عكس‌العمل لازم در شرايط خاص بر عهده دارند. اين گره‌ها به طور بي‌سيم تشكيل شبكه‌اي از حسگرها را مي‌دهند كه به طور گسترده می توانند در سطح مزرعه توزيع شوند و به دريافت اطلاعات لازم به كمك حسگرهاي تعبيه شده بر روي آنها مي‌پردازند. در اين مقاله به معرفي يك گره از اين شبكه و معرفي برد حسگر به كار رفته در آن مي پردازيم و وظايف هر يك از حسگرها در كمك به كشاورزي بيان مي‌شود. مدار طراحي شده گره شامل حسگر حرارتي، رطوبت و نوری می باشد که اطلاعات دریافتی را از طريق ارتباط بي‌سيم به گره ديگر ارسال مي‌كند. فرستنده و گيرنده
هاي به كار برده شده در طراحي مدار در فركانس915 MHz كار مي کنند. پردازنده مرکزي به کار رفته در گره نيز يک ميکروکنترلر AVR است که کليه اعمال پردازشي و نظارتي توسط آن انجام مي گيرد.
كليدواژه: شبكه حسگر بي‌سيم، میکروکنترلر، کاربرد حسگر در کشاورزی
مقدمه:
توسعه روزافزون شبکه‌هاي کامپيوتري و نياز به دستيابي به اطلاعات و منابع بيشتر بدون دستيابي فيزيکي و سخت‌افزاري موجب توسعه کاربردهای بيسيم و موبايل شده است و هم اکنون ميتوان توسط ارتباطات بيسيم با سراسر جهان بدونآنکه اتصال فيزيکي سيمي داشته باشيم، داده و اطلاعات خود را به مقصدهاي مورد نظر ارسال نمود. استفاده از تکنولوژي شبکه‌هاي بيسيم در کنار سيستم‌هاي تعبيه شده(Embedded) منجر به ظهور تکنولوژي سيستم‌هاي ميکرو الکترومکانيکي شد که در آنها پردازشگرهاي ريز، حسگرها و مدارات مخابراتي در يک سيستم قرار گرفته، با همديگر در يک شبکه اهدافي را دنبال نمايند و با استفاده از تعدادي از اين سيستم‌ها در کنار يکديگر به شبکه‌اي دست يافت که راه‌حل خيلي از نيازهاي روزمره و ضروري بشر ميباشد. اين سيستم‌ها گره‌هاي حسگر ناميده مي‌شوند و به شبکه‌اي که با يكديگر تشکيل مي‌دهند شبکه هاي حسگر گفته ميشود و با توجه به اينکه به صورت اقتضایی(Ad-hoc) و بيسيم به‌وجود مي‌آيند شبکه‌هاي حسگر اقتضايي بي سيم نام گرفته‌اند. کم مصرف بودن، هزينه پايين، اندازه کوچک، و قطعات توزيع شده در گره هاي حسگر بي سيم باعث شده است که پردازش محلي, ارتباطات بي سيم، جمع‌آوري و توزيع اطلاعات در شبکه هاي حسگر بي سيم به راحتي صورت پذيرد و به اطلاعاتي در مورد مکاني که امكان دسترسي به آن وجود ندارد به راحتي آگاهي داشت. هر گره حسگر داراي قابليت پردازش محدود مي‌باشد ولي با قرارگرفتن در يک شبکه به همراه ديگر گره‌هاي حسگر، مي توانند اطلاعات جزئي را در مورد يک موضوع خاص مورد پردازش قرار داده و اطلاعات کاملي را در
اختيار کاربر قرار دهند. توجه به کاربرد این شبکه ها در حوزه کشاورزی کمک شایانی در رسیدن به کشاورزی دقیق و به کارگیری مناسب از منابع خواهد انجامید. به طور مثال، می توان به کاربرد شبکه حسگر بی سیم در مزارع یا گلخانه ها اشاره کرد. اندازه گیری دقیق دما، رطوبت، نور و موارد دیگر برحسب شرایط خاص محیط مورد بررسی از قابلیت های اینگونه شبکه هاست که به دلیل برخورداری از مزایای ارتباط بی سیم استفاده از اینگونه شبکه ها در مقایسه با روشهای دیگر بسیار به صرفه تر، راحت تر و با قابلیت بیشتر خواهد بود. در ادامه نحوه ساخت گره حسگر بیسیم جهت استفاده در گلخانه یا مزارع به طور کامل توضیح داده می شود.
حسگرها تغييرات پارامترهاي فيزيكي و شيميايي را به تغييرات پارامترهاي الكترونيكي تبديل ميكنند [2 و 3]. دياگرام كلي ابزارهاي اندازه‌گيري الكترونيكي در شكل 1 ارائه شده است. از آنجا که مدارات الكترونيكي از قابليت‌هاي زيادي مانند انعطاف‌پذيري، سرعت بالا، دقت، تحليل‌پذيري، امکان پردازش و ثبت اطلاعات برخوردار است، در كشاورزي دقيق و به طور كلي در سامانه‌هاي دقيق از حسگرهاي الكترونيكي استفاده ميشود[3]. نحوه‌ كار حسگرها به هفت‌ گونه‌ مقاومتي، القايي، خازنی، پيزوالكتريك، فتوالكتريك، الاستيك و حرارتي ميباشند. عواملي كه در انتخاب يك حسگر ايفاي نقش ميكنند عبارتند از: خطي يا غيرخطي بودن تغييرات خروجي حسگر نسبت به تغييرات پارامتر محيطي، دقت، عمر مفيد، زمان پاسخ، نحوه‌ كار، ميزان انرژي لازم براي ايجاد تغييرات مناسب در خروجي حسگر، قيمت، نرخ تغييرات.

شکل 1- نمودار کلی ابزارهای انداره گیری الکترونیکی
حسگرها به طور كلي به منظورهاي زير در كشاورزي به كار ميروند [4]:
1- حس كردن خواص خاك: بافت، ساختمان و حالت فيزيكي خاك، رطوبت خاك، مواد غذايي خاك.
2- حس كردن گياهان: جمعيت گياهان، تنش و موقعيت غذايي گياه.
3- سامانه‌هاي نظارت بر محصول: محصول گياه، رطوبت محصول، دروي عرض رديف كاشت.
4- سامانه‌هاي با تكنولوژي نرخ متغير.
5- نظارت بر پارامترهاي آب و هوايي: دما، رطوبت هوا، سرعت باد، جهت باد، روشنايي.
مواد و روش ها
گره حسگر بي‌سيم از قسمت هاي اصلي زير تشكيل شده كه در طراحي‌هاي مختلف آن با توجه به نوع كاربرد، انتخاب درست هر يك از اين قسمت ها اهميت پيدا مي‌كند.اين اجزا همانطور كه در شكل 2آمده است[1]، ‌عبارتند از:
منبع تغذيه، واحد پردازش، واحد حسگر، واحد انتقال
شكل 2- قسمت‌هاي اصلي گره حسگربي‌سيم
يك از مواردي كه رعايت آن در طراحي اكثر گره‌هاي حسگر بي‌سيم اهميت دارد، كوچك بودن اندازه و كم بودن توان مصرفي است . براي تأمين مورد اول لازم است كه در تهيه اجزا دقت شود كه كوچكترين اندازه ممكن با قابليت ‌هاي يكسان انتخاب شود، در مورد دوم نيز منبع تغذيه مورد استفاده و چگونگي بكارگيري آن در كاهش توان مصرفي نقش به سزايي دارد.
اجزای سخت افزاری گره طراحی شده
كنترل کننده مركزي
در این قسمت از ميكروكنترلر AVR – مدل Atmega16 استفاده شده است. . اين ميکروکنترلرهاي هشت‌بيتي به دليل قابليت برنامه نويسي توسط کامپايلر زبان‌هاي سطح بالا (HLL ) بسيار مورد توجه قرار مي‌گيرند. اين ميکروکنترلرها از معماري RISC برخوردارند و از تكنولوژي CMOS در ساخت قطعه استفاده مي‌كنند. شرکت ATMEL سعي نموده است با استفاده از معماري پيشرفته و دستورات بهينه، حجم کد توليد شده را کم و سرعت اجراي برنامه را بالا ببرد. يکي از مشخصات اين نوع ميکروکنترلر ها دارا بودن 32 رجيستر همه منظوره مي‌باشد. همچنين در اين ميکروکنترلر ها از حافظه هاي کم مصرف و غيرفرار FLASH و EEPROM استفاده مي‌شود. قابليت ديگر اين ميكروكنترلرها اجراي دستورالعمل‌ها در يك سيكل پردازنده است و پشتيباني از بسياري از استانداردهاي ارتباطي مانند UART,I2C, JTAG وSPI مي‌باشد كه مي‌توان اين ميكروكنترلر را به ميكروكنترلر يا وسايل ديگر وصل كرد و با آنها به راحتي ارتباط برقرار كرد.
حسگر حرارتي DS18B20
حسگر استفاده شده در طراحي اين گره مدل DS18B20 از نوع حسگرهاي مدار مجتمع (IC) مي‌باشد و يک نوع ترميستور نيمه‌هادي است، که امروزه محبوبيت بيشتري يافته‌است، زيرا مي‌توان از آنها در تراشه‌هاي استاندارد استفاده کرد. در اين نوع حسگرها از اسيلاتورهاي وابسته به دما استفاده مي‌شود و به همين
جهت يک شمارش ساده براي اندازه گيري دما کافي است. اين گونه حسگرها امروزه ارزان و در دسترس مي باشند. دماي قابل اندازه گيري توسط DS18B20 از -55 C تا +125 C مي‌باشد که از دماي -10 C تا +85 C حساسيت حسگر +0.5 C است و در اين بازه پاسخ حسگر تقريبا خطي است. قدرت تفكيك دماسنج از 9 تا 12 بيت قابل انتخاب توسط كاربر مي‌باشد. (كه در 12 بيتي 0.0625 درجه و در 9 بيتي 0.5 درجه سانتيگراد خواهد بود)
زمان پاسخ حسگر كه عبارت است از محاسبه دما و تبديل آن به صورت كلمه ديجيتالي 12 بيتي، حداكثر 750 ميكروثانيه مي‌باشد.نحوه اتصال حسگر به گونه‌اي است كه در حالت Passive Mode كار مي‌كند و نياز به منبع تغذيه جداگانه ندارد. به این ترتیب مصرف توان کاهش یافته و از طریق همان خط داده توان حسگر تامین می‌شود.
حسگر رطوبت
اين سنسور درواقع يك خازن حساس به رطوبت بوده و خودش به تنهايي خروجي ندارد بلكه بايد مداري را براي آن ساخت و با تغييرات خازن به آن تغييرات دلخواه ايجاد كرد. روش اندازه گيري رطوبت هوا يا رطوبت خاک به كمك حسگر به وسيله اندازهگيري فرکانس است. به اين معني که تغييرات مقاومت و يا ظرفيت حسگر منجر به تغيير در فرکانس شده و با اندازهگيري فرکانس و بررسی دادههاي دريافتي، مقدار پارامترهاي محيطی به دست ميآيد. بنا بر اين براي آن، از يک آيسي 555 استفاده شده است. روش استفاده از اين آيسي در شکل 3 ديده ميشود.

شكل 3 – نحوه اتصال حسگر رطوبتي به TLC555
حسگر نور (شعله)
اين نوع حسگرها به دو دسته كلي فتوولتايي و فتوكونداكتيو تقسيم میشوند [3]. حسگرهای فتوولتايي از نيمه ‌هاديهاي pn ساخته ميگردند. مشكل آنها غيرخطي بودن تغييرات است. حسگرهای فتوكونداكتيو را میتوان به سه دستهی فتوديود، فتوترانزيستور و LDR (مقاومت وابسته به نور) تقسيم کرد. يكي از مزاياي LDR مطابقت حساسيت آن با طول موج‌هاي حساس چشم است.
ولی حسگر مناسبتر برای تخمين ميزان فعاليت فتوسنتزی گياه، حسگرهاي كوانتومي است. اين حسگرها ميزان فوتون‌هاي برخورد كرده با سطح را اندازه‌ ميگيرند كه روش مناسبي براي اندازه‌گيري انرژي رسيده شده به گياه در محدوده‌ي PAR (پرتوهای مؤثر در فتوسنتز) ميباشد [5].
حسگر استفاده شده در اين پروژه LDR بوده كه يك نوع مقاومت حساس به نور مي‌باشد و در برابر نور مقاومت آن كاهش مي‌يابد و با كاهش نور مقاومت آن افزايش مي‌يابد.
به كمك حسگرهاي معرفي شده مي توان از بروز حوادثي چون آتش سوزي در جنگل‌ها جلوگيري كرد و يا هر چه بهتر در نگهداري مزارع و گلخانه ها بكار برد.
فرستنده و گيرنده بي‌سيم
فرستنده و گيرندهHM-T و HM-R به عنوان فرستنده و گيرنده امواج راديويي است که از تکنولوژي FSK بهره مي برد و جايگزين مناسبي براي فرستنده و گيرنده هایي می باشد که از تکنولوژي ASK استفاده مي کردند. ويژگي هاي بارز اين پیمانه عبارت است از: تكنولوژي FSK ، مناسب جهت جايگزيني با تكنولوژي ASK، استفاده از باند ISM، 915 MHz، اندازه بسيار كوچك، تداخل كم، حساسيت بالا و مصرف توان كم. این پیمانه از پروتکل ارتباطی سریال استفاده کرده و به پایه های RX و TX میکروکنترلر متصل می شود، به همین جهت نرخ ارسال داده محدود می باشد.
اگر پايه data براي مدت زماني بيش از 70ms‌ بيكار بماند، اين پيمانه (Module) به طور خودكار وارد حالت Standby مي شود، و به این ترتیب مصرف توان آن کاهش می یابد و قابل کنترل است.
طراحي شبكه حسگر بي‌سيم
گره‌هاي حسگر در منطقه اي پخش شده‌اند و نحوه چيدمان و ارتباط آنها در محيط، نوع طراحي شبکه ما را مشخص مي کند. هر گره قابليت دريافت و ارسال اطلاعات را دارا مي‌باشد، همچنين مي تواند اطلاعات را جمع آوري و به سينک منتقل کند. گره سينک مسئوليت دريافت اطلاعات از گره‌هاي مختلف را بر عهده دارد، تا در صورت لزوم اطلاعات دريافتي را به مراکز ديگر مخابره کند يا خود،

فایل : 14 صفحه

فرمت : Word