基于无线传感器网络的温室环境监控系统设计

通信

　　摘要：温室内部环境的调控水平，是衡量农业技术水平高低的重要标准之一。本文针对我国现有温室监控系统硬件与软件的不足，设计一种基于无线传感器网络的温室环境监控系统，采用低功耗控制芯片ATmage16L和CC2420模块，并采用了星形网络的拓扑结构。具有实用性强、数据传输稳定、拓扑灵活等特点，实现温室内部环境调控水平的信息化、精细化与自动化管理。
　　0 引言
　　目前现有的很多温室环境监控技术仍采用封闭现场的监控方式，或是通过有线通信方式进行远程监控。这些方式对温室环境的监控来说存在很大先天性缺陷。众所周知，温室的监控对象的现场信息采集比较困难，因为在空间上温室范围广比较分散，而且往往远离生产管理者。在时间上，温室作物的生长周期长导致监控周期长，以上环境对温室环境信息实现长期有效的监控极为不利。
　　鉴于此情况，设计一种基于无线传感器网络的温室环境监控系统，就可以实现对温室环境信息的采集、处理、传输并且和Internet无缝连接的方案，可以采取在空间上分布式采集，在时间上长时间连续的采集策略。就可以满足温室监控的信息采集要求。就可以有效解决现场信息远程传输和监控的问题。
　　1.ZigBee简介
　　Zigbee技术是一种基于IEEE802.15.4协议标准的新兴短距离、低功耗无线通信技术。ZigBee技术的出现为传感设备的无线信急传输提供了新的解决方案。随着具有无线化、小体积、低能耗和低成本等优势的传感器节点的出现，基于ZigBee的WSN技术在农业测控领域将具有十分可观的应用前景。

　　1.1 ZigBee的特点介绍
　　它的主要特点是：传输频率分为2.4GHz和8 6 8、9 1 5 M H z,对应的互联速率为：
　　250kbps和20kbps;支持星型网络和对等网络；每个网络的节点最多可达65534个；传输范围一般为2m~10m,最多可达几百米；功耗低，直接使用电池供电；支持冲突避免的载波多路侦听技术；支持确认（ACK）机制，保证传输的可靠性。
　　1.2 ZigBee拓扑结构介绍
　　ZigBee网络最常见的三种拓扑结构是星型结构（Star）、树状结构（ClusterTree）和网状结构（Mesh）。具体连接类型如图1所示。图中不同灰度值所代表的节点类型不同，浅灰色为总协调器（C），灰色为终端节点（E），白色为路由节点（R）。
　　星形拓扑由总协调器和终端节点组成。终端节点和总协调器是一一对应进行数据交换的。终端节点的数据交换只能由总协调器来完成数据中转。树形拓扑结构由三部分组成，总协调器、路由节点和终端节点。子节点只存在于总协调器和路由节点之间，终端节点没有子节点，节点都应该只和他的父节点和子节点进行数据交换。网状拓扑由总协调器、路由节点和终端节点组成。这和树形拓扑相同，其优点是自由度高的数据路由协议，路由节点相互无阻数据交换，其中某个路由发生了故障，不影响数据的传输，数据会沿着其他路由继续工作。
　　2.系统总体结构
　　本系统在网路拓扑结构上采用了星形无线传感器网络。本系统具有以下特点：
　　系统能够根据温室环境，采集农业环境中的各种参数；在农业现场组建网络，使得形成自组织，分布式的数据采集网络，并通过无线传感器网络完成信息的汇聚、分析和发送。使网络完整覆盖监控区域，采集的信息能有效的反映农业环境的状态。
　　选择相应的采集频率使数据在时间上完整的体现环境因子的变化规律；系统把相应的环境信息通过特殊编码的形式传输给处理单元，在传输过程中尽量使用现有的硬件、软件技术，使得信息完整而有效、减小传输中的能耗、提高网络的寿命。

　　如图2所示，在单温室情况下的结构原理图，多个温室监控时，所有温室的信息都被相应的汇聚节点收发和存储，最后所有的汇聚节点与远程计算机通过GPRS通信。
　　3.硬件设计
　　3.1 硬件原理
　　系统中环境因子采集装置是无线传感器，形成传输方便，减少布线的无线网络。系统还使用了GPRS收发装置，可以完成温室数据与上位机之间的无线交换信息和数据处理。上位机软件必须完成多个温室测量节点的信息汇总和分析，下达控制代码给下位机，实现无线数据传输和通讯协议的稳定、安全，并能实时查看下位机情况及时发现系统和数据异常。
　　3.2 硬件组成
　　如图3所示，单片机、传感器、无线模块和电源管理模块是数据采集节点的4个主要组成部分。

　　本系统数据采集节点的微处理器是A T m e g a 1 6 L单片机，这种单片机可以扩展大量的外围模块，自身的片载资源丰富。具体特点如下：在1MHz的工作频率下，额定电压3V,25℃时正常状态功耗为1.1mA,空闲状态功耗为0.35mA,掉电模式小于1μA;采用精简操作指令集RISC;16K字节的可编程flash空间，独立锁定位的可选B o o t代码区，8 M H z晶振；与IEEE1149.1标准兼容的JTAG接口。
　　结合无线模块功耗和性能等其他技术参数，通过综合考虑，CC2420无线模块成为本系统的备选模块。这种无线模块符合IEEE80215.4标准，工作性能稳定，搭载很少的外部器件；支持SPI模式，与硬件连接的电路简单；工作能耗比较低，接收时电流18.8mA,发送时电流17.4mA.
　　根据温室实际情况与系统的可靠性，确定温室使用的种类有温度传感器、湿度传感器。通过阅读资料知道温度与湿度之间的耦合关系，为了系统的监控要求，必须一起采集温湿度。所以集成数字温湿度传感器SHT11满足这种需要。其详细特点如下：相对湿度和温度测量；露点计算功能；低功耗；尺寸小；自动休眠；长期稳定性好；数字输出。

　　本系统采用了成都众山科技有限公司提供的ZSD3110 GPRS DTU/RTU.该模块有标准的硬件连接电路。具体功能有：模块为了减少使用难度，内置了TCP/IP协议，方便完成点对点，点对多点等复杂的连接；性能稳定，不论在室内还是在自然条件下，都不受扰乱稳定运行，集成看门狗电路；可以不间断在线工作，各种保护措施和手段保证了运行的稳定性，心跳防断线机制、掉线实时复位、模块死机实时管脚复位机制；实现IP方式或动态IP+动态域名解析方式的模式。
　　4.软件设计
　　4.1 采集节点程序流程
　　传感器首先采集温室的环境参数，各节点与汇聚结点组成无线网络，信息集中到汇聚节点，在接收到总节点的命令后，控制数据信息的采集和发送；可以设定发送时间，改变采集模式、控制采集节点、非工作状态时休眠和工作时唤醒等。（如图4所示）4.2 汇聚节点程序流程
　　汇聚节点主要完成的功能是，建立并维护无线传感器网络，通过接收子节点信息使其入网；利用星形网络与各个采集节点通信，收集各个节点信息并对信息进行初步处理并存储；通过GPRS模块接入GPRS网络，与远方的服务器进行通信；对信息进行解包和封装，使信息在协议之间进行转换；按时通过GPRS模块把初步处理的数据按照规定的格式发送，在特殊情况下接受并解析服务器发送来的命令，根据服务器端的命令来执行相应的任务，例如，改变采集时间和频率，挑选环境因子等。

　　5.总结
　　本文介绍了基于无线传感器网络的温室环境监控系统设计方法和系统开发的主要流程。解决了传统布线繁琐，机动性差的缺点。无线传感技术应用到农业生产，为用户提供了一项创新有效的测控手段，相信将来会赢得广大用户的青睐。本系统还可以将用户端延伸和扩展到养殖场室内设备，实现饲养环境的自动控制、精准调控和远程实时监控。在局部环境测控领域应用有很好的发展前景。（作者：宋恺）

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