基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的溫室測控系統研究設計

摘 要： 針對當前溫室控制系統存在的擴展性差、智能化程度不高等問(wèn)題，在分析了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)的基礎上，設計了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的溫室測控系統的硬件及軟件。 硬件上設計了傳感器節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)，采用溫度、濕度、光照度等傳感器，實(shí)現了溫室環(huán)境參數的自動(dòng)采集。 軟件上基于模塊化的思想，實(shí)現了數據的獲取、處理和控制輸出等功能。 該設計具有擴展性好、實(shí)用性強、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)境因素參數來(lái)獲得農作物生長(cháng)的最佳條件，從而達到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調節生長(cháng)周期、提高經(jīng)濟效益的目的。

現有的溫室測控系統主要基于有線(xiàn)方式，一般應用于大型溫室，表現出布線(xiàn)復雜、維護困難和投資太大等缺點(diǎn)，難以大規模推廣應用。 另外，傳感器節點(diǎn)無(wú)法靈活部署，健壯性不好，一旦節點(diǎn)失效，就會(huì )影響整個(gè)系統的性能。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以解決傳統溫室測控系統存在的缺陷，無(wú)需布線(xiàn)，即插即用，具有智能性強，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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的溫室測控系統的體系結構，并介紹了主要的硬件設計實(shí)現和軟件系統結構設計。

2 溫室測控系統的體系結構

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在監測區域內的大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，具有組網(wǎng)方便，靈活性強等優(yōu)點(diǎn)。 其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，設計的溫室測控系統的結構如圖1 所示。

圖1 溫室控制系統的結構

傳感器節點(diǎn)從土壤本身或周?chē)h(huán)境收集溫度、濕度、光照度等信息，完成給定的監測任務(wù)，將監測數據傳輸給控制計算機進(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)指導種植以得到最大產(chǎn)量，還可監測并報告作物狀態(tài)。

匯聚節點(diǎn)是在應用環(huán)境下聯(lián)系傳感器節點(diǎn)和管理節點(diǎn)計算機的中介，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 )，能夠實(shí)現協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時(shí)發(fā)布管理節點(diǎn)的監測任務(wù)，并把收集到的數據轉發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò )上。

3 硬件設計與控制原理

3. 1 傳感器節點(diǎn)的設計

傳感器節點(diǎn)是為傳感器網(wǎng)絡(luò )特別設計的微型計算機系統，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本單元，它負責傳感和信息預處理， 響應監控主機的指令發(fā)送數據。 它包括五個(gè)主要的模塊：微控制器、無(wú)線(xiàn)射頻通信、非易失Flash 存儲器、可擴展的I/ O 接口和電源模塊。 傳感器節點(diǎn)的設計結構框圖如圖2 所示。

圖2 傳感器節點(diǎn)的硬件結構

微控制器單元是傳感器節點(diǎn)的核心部件，負責處理數據并協(xié)調整個(gè)系統。 通常選取低功耗、帶有混合型號處理能力的微控制器。 這類(lèi)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據，同時(shí)還應具備多通道的模數轉換器；最后，微控制必須具備電源管理功能，使得節點(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行。 本次設計最終選用了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)使其具有較高的計算性能； 其次，AT2mega128L 的可用開(kāi)源開(kāi)發(fā)軟件工具成熟且TinyOS操作系統（傳感器節點(diǎn)操作系統） 對其支持較好。 因此為了更加快速地建立傳感器節點(diǎn)原型平臺，選擇ATmega128L 作為節點(diǎn)的數據處理單元。

作為與外界交換信息的接口，無(wú)線(xiàn)通信射頻模塊是傳感器節點(diǎn)另外一個(gè)重要的單元。 無(wú)線(xiàn)射頻芯片的選擇涉及到芯片的數據傳輸速率、接收與發(fā)送功率、休眠的能耗、啟動(dòng)穩定時(shí)間和信號調制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驅動(dòng)支持的原因，本設計選用了Chipcon 公司的CC2420 射頻芯片。

擴展接口使用了Mica2 系列的通用51 針標準接口，該接口已成為傳感器節點(diǎn)的與傳感器模塊互連的事實(shí)標準接口。 該接口包含兩個(gè)相同的部分，分別安裝在電路板的兩側可以實(shí)現模塊堆疊擴展。 按照該接口設計出的傳感器節點(diǎn)， 可以直接使用Crossbow 公司和各個(gè)研究機構設計的大部分傳感器模塊。

雖然ATmega128L 微控制器自帶了4kB 的EEPROM 數據存儲區域，但是對于傳感器節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)相對容量更多的、永久的數據存儲區域是十分必要的。 例如遠程節點(diǎn)代碼的自動(dòng)更新、節點(diǎn)配置信息的保存等都需要更多的存儲空間才能得以應用。 為了實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )系統狀態(tài)監測組件中的日志模塊， 傳感器節點(diǎn)的設計中使用了額外的AT45DB041B 非易失FLASH 存儲器， 其大小為512kB.

傳感器節點(diǎn)采用兩節AA 電池供電，為了降低成本，模塊未采用專(zhuān)門(mén)的監控芯片來(lái)進(jìn)行掉電保護。

3. 2 匯聚節點(diǎn)的設計

在溫室測控系統中，匯聚節點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò )與管理節點(diǎn)或者其他外部網(wǎng)絡(luò )通信的橋梁，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中起到網(wǎng)關(guān)的作用。 匯聚節點(diǎn)的硬件結構如圖3 所示。

圖3 匯聚節點(diǎn)的硬件結構