基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測(cè)控系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)當(dāng)前溫室控制系統(tǒng)存在的擴(kuò)展性差、智能化程度不高等問(wèn)題，在分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測(cè)控系統(tǒng)的硬件及軟件。 硬件上設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，采用溫度、濕度、光照度等傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集。 軟件上基于模塊化的思想，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的獲取、處理和控制輸出等功能。 該設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展性好、實(shí)用性強(qiáng)、便于操作的特點(diǎn)。

1  引言

溫室環(huán)境控制是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等溫室環(huán)境因素參數(shù)來(lái)獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

現(xiàn)有的溫室測(cè)控系統(tǒng)主要基于有線方式，一般應(yīng)用于大型溫室，表現(xiàn)出布線復(fù)雜、維護(hù)困難和投資太大等缺點(diǎn)，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。 另外，傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法靈活部署，健壯性不好，一旦節(jié)點(diǎn)失效，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以解決傳統(tǒng)溫室測(cè)控系統(tǒng)存在的缺陷，無(wú)需布線，即插即用，具有智能性強(qiáng)，健壯性好等優(yōu)點(diǎn)，且成本較小。

因此，文中提出了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測(cè)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并介紹了主要的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2  溫室測(cè)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有組網(wǎng)方便，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的溫室測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1  溫室控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)從土壤本身或周圍環(huán)境收集溫度、濕度、光照度等信息，完成給定的監(jiān)測(cè)任務(wù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行決策，使用制動(dòng)器精確控制土壤中的肥料和水分。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集可以用來(lái)指導(dǎo)種植以得到最大產(chǎn)量，還可監(jiān)測(cè)并報(bào)告作物狀態(tài)。

匯聚節(jié)點(diǎn)是在應(yīng)用環(huán)境下聯(lián)系傳感器節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的中介，利用它可以連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 或WWW 等外部網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

3  硬件設(shè)計(jì)與控制原理

3. 1  傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是為傳感器網(wǎng)絡(luò)特別設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它負(fù)責(zé)傳感和信息預(yù)處理， 響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)的指令發(fā)送數(shù)據(jù)。 它包括五個(gè)主要的模塊：微控制器、無(wú)線射頻通信、非易失Flash 存儲(chǔ)器、可擴(kuò)展的I/ O 接口和電源模塊。 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2  傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

微控制器單元是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部件，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。 通常選取低功耗、帶有混合型號(hào)處理能力的微控制器。 這類微控制器在單個(gè)芯片上一般具有UART、SPI、I2C 等通用接口；另外由于需要獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)還應(yīng)具備多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；最后，微控制必須具備電源管理功能，使得節(jié)點(diǎn)在不工作時(shí)可以切換到低功耗甚至超低功耗模式下運(yùn)行。 本次設(shè)計(jì)最終選用了AT2MEL 公司生產(chǎn)的ATmega128L 作為微控制器單元主要出于以下兩點(diǎn)原因：首先，ATmega128L 采用的RISC技術(shù)使其具有較高的計(jì)算性能； 其次，AT2mega128L 的可用開源開發(fā)軟件工具成熟且TinyOS操作系統(tǒng)（傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)） 對(duì)其支持較好。 因此為了更加快速地建立傳感器節(jié)點(diǎn)原型平臺(tái)，選擇ATmega128L 作為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理單元。

作為與外界交換信息的接口，無(wú)線通信射頻模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)另外一個(gè)重要的單元。 無(wú)線射頻芯片的選擇涉及到芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率、接收與發(fā)送功率、休眠的能耗、啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間和信號(hào)調(diào)制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驅(qū)動(dòng)支持的原因，本設(shè)計(jì)選用了Chipcon 公司的CC2420 射頻芯片。

擴(kuò)展接口使用了Mica2 系列的通用51 針標(biāo)準(zhǔn)接口，該接口已成為傳感器節(jié)點(diǎn)的與傳感器模塊互連的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)接口。 該接口包含兩個(gè)相同的部分，分別安裝在電路板的兩側(cè)可以實(shí)現(xiàn)模塊堆疊擴(kuò)展。 按照該接口設(shè)計(jì)出的傳感器節(jié)點(diǎn)， 可以直接使用Crossbow 公司和各個(gè)研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的大部分傳感器模塊。

雖然ATmega128L 微控制器自帶了4kB 的EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，但是對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)相對(duì)容量更多的、永久的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域是十分必要的。 例如遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)代碼的自動(dòng)更新、節(jié)點(diǎn)配置信息的保存等都需要更多的存儲(chǔ)空間才能得以應(yīng)用。 為了實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)組件中的日志模塊， 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中使用了額外的AT45DB041B 非易失FLASH 存儲(chǔ)器， 其大小為512kB.

傳感器節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)AA 電池供電，為了降低成本，模塊未采用專門的監(jiān)控芯片來(lái)進(jìn)行掉電保護(hù)。

3. 2  匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在溫室測(cè)控系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)與管理節(jié)點(diǎn)或者其他外部網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起到網(wǎng)關(guān)的作用。 匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3  匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

作為一款A(yù)RM 處理器，PXA270 采用基于AR2MV5TE 的XScale 架構(gòu)，提供了強(qiáng)大的處理功能。 與PXA25X系列處理器相比， PXA270 在XScale 微架構(gòu)基礎(chǔ)上增加了Intel Wireless MMX 技術(shù)，提高了處理多媒體的效率，優(yōu)化了處理器的功耗，同時(shí)添加了針對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備設(shè)計(jì)的新功能。 它的主要特性如下：

（1） 內(nèi)部集成豐富的外設(shè)接口，如USB Host 控制器、PCMCIA/ SD/ MMC 卡控制器、I2C 接口、串口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘， SSP 串行接口等，因而采用PXA270設(shè)計(jì)的系統(tǒng)集成度非常高；（2） 計(jì)算能力強(qiáng)大，最高主頻達(dá)到624MHz ;（3） 無(wú)線SpeedStep 電源管理技術(shù)使系統(tǒng)可以根據(jù)CPU 的性能要求動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)功耗，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CPU 的電壓和頻率來(lái)節(jié)省電源。 電源管理上，它支持多種運(yùn)行模式。 包括一種正常操作電源模式（運(yùn)行模式） 和五種低電源模式來(lái)控制電源消耗（空閑模式、深度空閑模式、等待模式、睡眠模式、深度睡眠模式） .匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了USB HOST、網(wǎng)絡(luò)、串口、GSM接口，以及一個(gè)自定義的51 針擴(kuò)展接口，用來(lái)連接在目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的MICA 及MI2CA2 節(jié)點(diǎn)，或者作其他功能擴(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)的電源部分較為復(fù)雜，CF、GSM 都是單獨(dú)設(shè)立電源供應(yīng)。

其他的具體硬件實(shí)現(xiàn)如下：

FLASH:采用Intel 公司的快速頁(yè)面讀取模式的St rataFlash ,28F128J3A ,工作電壓為3. 3V , 32Bit數(shù)據(jù)寬度， 4 片Intel 的28F128J3A Flash 組成的64MB 內(nèi)存；SDRAM: 采用三星SDRAM , K4S281632E -TC/ L75 ,32Bit 數(shù)據(jù)寬度，存儲(chǔ)時(shí)間為10ns ,由兩片K4S281632E - TC/ L75 構(gòu)成64MB SDRAM 內(nèi)存；網(wǎng)絡(luò)接口：由CS8900A 芯片實(shí)現(xiàn)，CS8900A 可以設(shè)計(jì)成ISA 總線的網(wǎng)卡，本系統(tǒng)則是將它與處理器直接連接實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，使用nCS2 作為片選使能信號(hào)；FFUART:用來(lái)連接GSM 模塊，實(shí)現(xiàn)GSM 通信功能；BTUART :調(diào)試串口。

另外匯聚節(jié)點(diǎn)不需要LCD 顯示和鍵盤接口，這些GPIO 通過(guò)軟件設(shè)置，大部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義的51 針擴(kuò)展接口，對(duì)于其他沒(méi)有用到的GPIO ,則定義為輸出以減少功耗。

4  軟件設(shè)計(jì)與功能分析

為使操作人員能夠直觀地看到溫室中各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)以及分配任務(wù)等，人機(jī)接口全部采用友好的圖形界面。 系統(tǒng)軟件由五大模塊組成：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4  系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

（1） 參數(shù)設(shè)置模塊。

管理員在使用溫室測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，要使用賬號(hào)密碼登陸，如果密碼錯(cuò)誤，則禁止進(jìn)入系統(tǒng)。 由于不同的作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求不同，同一作物在不同發(fā)育期也對(duì)環(huán)境要求不同，所以把環(huán)境參數(shù)作為控制參數(shù)向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集控制模塊中發(fā)送，能夠更好地滿足生物生長(zhǎng)所需環(huán)境。 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能主要用于設(shè)定人為要求的環(huán)境因子的適宜數(shù)值。 系統(tǒng)中默認(rèn)的可向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集控制模塊發(fā)送的控制參數(shù)有溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)。

（2） 數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集、波形實(shí)時(shí)顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。 以動(dòng)態(tài)曲線或表格的形式顯示環(huán)境因子參數(shù)的實(shí)時(shí)變化。

信號(hào)采集的任務(wù)就是將傳感器采集的電壓信號(hào)通過(guò)各采集通道經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)處理輸入到計(jì)算機(jī)中，最后再實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。 被采集的信號(hào)能否再實(shí)現(xiàn)真實(shí)信號(hào)，與采樣方式的選擇和采樣時(shí)間的確定有很大關(guān)系。 本系統(tǒng)選用實(shí)時(shí)采樣方式。

（3） 數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)處理就是從原始數(shù)據(jù)中產(chǎn)生信息的過(guò)程。

在系統(tǒng)中，模擬量經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量送入網(wǎng)關(guān)，此數(shù)字量在進(jìn)行顯示、報(bào)警和控制之前，還必須根據(jù)需要進(jìn)行一些加工處理，如：數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷等，以滿足系統(tǒng)的不同需要。

（4） 控制輸出模塊。

本系統(tǒng)的控制部分主要是實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)各環(huán)境因子的調(diào)控。 根據(jù)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警信號(hào)，可以在執(zhí)行機(jī)構(gòu)界面進(jìn)行操作以滿足作物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

（5） 數(shù)據(jù)管理模塊。

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是以天為單位的。 將采集到的24h 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以文件的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件以數(shù)據(jù)采集的日期作為文件的名稱，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和數(shù)據(jù)作為文件存儲(chǔ)的內(nèi)容，這樣可以方便地滿足對(duì)文件的操作。 同時(shí)可以分析、統(tǒng)計(jì)和打印。

5  結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)幅員遼闊，氣候類型多樣，從南到北，橫跨南熱帶到北溫帶等9 個(gè)氣候帶和1 個(gè)高原氣候大區(qū)，但是由于我國(guó)的日光溫室建設(shè)起步較晚，研究工作有限，還缺乏對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)與采光性能的系統(tǒng)的研究，一些溫室的采光性能不佳，不利于作物的成長(zhǎng)，從而導(dǎo)致溫室生產(chǎn)沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)有的效益。 隨著我國(guó)設(shè)施園藝的發(fā)展，近年來(lái)節(jié)能日光溫室在西北地區(qū)推廣的面積越來(lái)越大，溫室控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等在溫室的發(fā)展方面起到了舉足輕重的作用。 溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)可對(duì)溫室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、顯示；可按不同作物的要求，進(jìn)行多因子綜合調(diào)節(jié)與控制；同時(shí)還能對(duì)溫室內(nèi)各環(huán)境因子的數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，滿足科研和生產(chǎn)的需要，為智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的開發(fā)積累豐富的資料數(shù)據(jù)。 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測(cè)控系統(tǒng)，更是克服了傳統(tǒng)溫室在結(jié)構(gòu)和性能上的一些不足，對(duì)建立大型的智能溫室群也有一定的借鑒作用。