基于无线传感器网络的温室测控系统研究设计

摘 要： 针对当前温室控制系统存在的扩展性差、智能化程度不高等问题，在分析了无线传感器网络特点的基础上，设计了基于无线传感器网络的温室测控系统的硬件及软件。 硬件上设计了传感器节点和汇聚节点，采用温度、湿度、光照度等传感器，实现了温室环境参数的自动采集。 软件上基于模块化的思想，实现了数据的获取、处理和控制输出等功能。 该设计具有扩展性好、实用性强、便于操作的特点。

1  引言

温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等温室环境因素参数来获得农作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

现有的温室测控系统主要基于有线方式，一般应用于大型温室，表现出布线复杂、维护困难和投资太大等缺点，难以大规模推广应用。 另外，传感器节点无法灵活部署，健壮性不好，一旦节点失效，就会影响整个系统的性能。 无线传感器网络可以解决传统温室测控系统存在的缺陷，无需布线，即插即用，具有智能性强，健壮性好等优点，且成本较小。

因此，文中提出了一个基于无线传感器网络的温室测控系统的体系结构，并介绍了主要的硬件设计实现和软件系统结构设计。

2  温室测控系统的体系结构

无线传感器网络（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，具有组网方便，灵活性强等优点。 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。 基于无线传感器网络的特点，设计的温室测控系统的结构如图1 所示。

图1  温室控制系统的结构

传感器节点从土壤本身或周围环境收集温度、湿度、光照度等信息，完成给定的监测任务，将监测数据传输给控制计算机进行决策，使用制动器精确控制土壤中的肥料和水分。 传感器网络的信息采集可以用来指导种植以得到最大产量，还可监测并报告作物状态。

汇聚节点是在应用环境下联系传感器节点和管理节点计算机的中介，利用它可以连接传感器网络与Internet 或WWW 等外部网络，能够实现协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。

3  硬件设计与控制原理

3. 1  传感器节点的设计

传感器节点是为传感器网络特别设计的微型计算机系统，是无线传感器网络的基本单元，它负责传感和信息预处理， 响应监控主机的指令发送数据。 它包括五个主要的模块：微控制器、无线射频通信、非易失Flash 存储器、可扩展的I/ O 接口和电源模块。 传感器节点的设计结构框图如图2 所示。

图2  传感器节点的硬件结构

微控制器单元是传感器节点的核心部件，负责处理数据并协调整个系统。 通常选取低功耗、带有混合型号处理能力的微控制器。 这类微控制器在单个芯片上一般具有UART、SPI、I2C 等通用接口；另外由于需要获取传感器采集的数据，同时还应具备多通道的模数转换器；最后，微控制必须具备电源管理功能，使得节点在不工作时可以切换到低功耗甚至超低功耗模式下运行。 本次设计最终选用了AT2MEL 公司生产的ATmega128L 作为微控制器单元主要出于以下两点原因：首先，ATmega128L 采用的RISC技术使其具有较高的计算性能； 其次，AT2mega128L 的可用开源开发软件工具成熟且TinyOS操作系统（传感器节点操作系统） 对其支持较好。 因此为了更加快速地建立传感器节点原型平台，选择ATmega128L 作为节点的数据处理单元。

作为与外界交换信息的接口，无线通信射频模块是传感器节点另外一个重要的单元。 无线射频芯片的选择涉及到芯片的数据传输速率、接收与发送功率、休眠的能耗、启动稳定时间和信号调制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驱动支持的原因，本设计选用了Chipcon 公司的CC2420 射频芯片。

扩展接口使用了Mica2 系列的通用51 针标准接口，该接口已成为传感器节点的与传感器模块互连的事实标准接口。 该接口包含两个相同的部分，分别安装在电路板的两侧可以实现模块堆叠扩展。 按照该接口设计出的传感器节点， 可以直接使用Crossbow 公司和各个研究机构设计的大部分传感器模块。

虽然ATmega128L 微控制器自带了4kB 的EEPROM 数据存储区域，但是对于传感器节点来说，拥有一个相对容量更多的、永久的数据存储区域是十分必要的。 例如远程节点代码的自动更新、节点配置信息的保存等都需要更多的存储空间才能得以应用。 为了实现传感器网络系统状态监测组件中的日志模块， 传感器节点的设计中使用了额外的AT45DB041B 非易失FLASH 存储器， 其大小为512kB.

传感器节点采用两节AA 电池供电，为了降低成本，模块未采用专门的监控芯片来进行掉电保护。

3. 2  汇聚节点的设计

在温室测控系统中，汇聚节点是传感器网络与管理节点或者其他外部网络通信的桥梁，在无线传感器网络中起到网关的作用。 汇聚节点的硬件结构如图3 所示。

图3  汇聚节点的硬件结构

作为一款ARM 处理器，PXA270 采用基于AR2MV5TE 的XScale 架构，提供了强大的处理功能。 与PXA25X系列处理器相比， PXA270 在XScale 微架构基础上增加了Intel Wireless MMX 技术，提高了处理多媒体的效率，优化了处理器的功耗，同时添加了针对移动终端设备设计的新功能。 它的主要特性如下：

（1） 内部集成丰富的外设接口，如USB Host 控制器、PCMCIA/ SD/ MMC 卡控制器、I2C 接口、串口、实时时钟， SSP 串行接口等，因而采用PXA270设计的系统集成度非常高；（2） 计算能力强大，最高主频达到624MHz ;（3） 无线SpeedStep 电源管理技术使系统可以根据CPU 的性能要求动态地调节功耗，可以动态调节CPU 的电压和频率来节省电源。 电源管理上，它支持多种运行模式。 包括一种正常操作电源模式（运行模式） 和五种低电源模式来控制电源消耗（空闲模式、深度空闲模式、等待模式、睡眠模式、深度睡眠模式） .汇聚节点实现了USB HOST、网络、串口、GSM接口，以及一个自定义的51 针扩展接口，用来连接在目前无线传感器网络中广泛使用的MICA 及MI2CA2 节点，或者作其他功能扩展整个系统的电源部分较为复杂，CF、GSM 都是单独设立电源供应。

其他的具体硬件实现如下：

FLASH:采用Intel 公司的快速页面读取模式的St rataFlash ,28F128J3A ,工作电压为3. 3V , 32Bit数据宽度， 4 片Intel 的28F128J3A Flash 组成的64MB 内存；SDRAM: 采用三星SDRAM , K4S281632E -TC/ L75 ,32Bit 数据宽度，存储时间为10ns ,由两片K4S281632E - TC/ L75 构成64MB SDRAM 内存；网络接口：由CS8900A 芯片实现，CS8900A 可以设计成ISA 总线的网卡，本系统则是将它与处理器直接连接实现以太网通信，使用nCS2 作为片选使能信号；FFUART:用来连接GSM 模块，实现GSM 通信功能；BTUART :调试串口。

另外汇聚节点不需要LCD 显示和键盘接口，这些GPIO 通过软件设置，大部分用来实现一个自定义的51 针扩展接口，对于其他没有用到的GPIO ,则定义为输出以减少功耗。

4  软件设计与功能分析

为使操作人员能够直观地看到温室中各种环境参数数据以及分配任务等，人机接口全部采用友好的图形界面。 系统软件由五大模块组成：参数设置模块、数据采集模块、数据分析和处理模块、控制输出模块、数据管理模块。 系统软件结构图如图4 所示。

图4  系统软件结构图

（1） 参数设置模块。

管理员在使用温室测控系统时，要使用账号密码登陆，如果密码错误，则禁止进入系统。 由于不同的作物在不同的生长时期对环境参数的要求不同，同一作物在不同发育期也对环境要求不同，所以把环境参数作为控制参数向数据实时采集控制模块中发送，能够更好地满足生物生长所需环境。 系统参数设置功能主要用于设定人为要求的环境因子的适宜数值。 系统中默认的可向数据实时采集控制模块发送的控制参数有温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等环境参数。

（2） 数据采集模块。

数据采集模块主要实现多通道数据同步采集、波形实时显示以及数据存储功能。 以动态曲线或表格的形式显示环境因子参数的实时变化。

信号采集的任务就是将传感器采集的电压信号通过各采集通道经过网关处理输入到计算机中，最后再实时地显示出来。 被采集的信号能否再实现真实信号，与采样方式的选择和采样时间的确定有很大关系。 本系统选用实时采样方式。

（3） 数据处理模块。

数据处理就是从原始数据中产生信息的过程。

在系统中，模拟量经A/ D 转换后变为数字量送入网关，此数字量在进行显示、报警和控制之前，还必须根据需要进行一些加工处理，如：数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断等，以满足系统的不同需要。

（4） 控制输出模块。

本系统的控制部分主要是实现温室内各环境因子的调控。 根据计算机的数据显示和报警信号，可以在执行机构界面进行操作以满足作物适宜的生长环境。

（5） 数据管理模块。

本系统中数据的存储是以天为单位的。 将采集到的24h 的实时监测数据以文件的形式进行数据的存储，存储的数据文件以数据采集的日期作为文件的名称，数据采集的时间和数据作为文件存储的内容，这样可以方便地满足对文件的操作。 同时可以分析、统计和打印。

5  结束语

我国幅员辽阔，气候类型多样，从南到北，横跨南热带到北温带等9 个气候带和1 个高原气候大区，但是由于我国的日光温室建设起步较晚，研究工作有限，还缺乏对日光温室结构与采光性能的系统的研究，一些温室的采光性能不佳，不利于作物的成长，从而导致温室生产没有产生应有的效益。 随着我国设施园艺的发展，近年来节能日光温室在西北地区推广的面积越来越大，温室控制系统、专家系统等在温室的发展方面起到了举足轻重的作用。 温室环境测控系统可对温室内外环境进行自动检测、显示；可按不同作物的要求，进行多因子综合调节与控制；同时还能对温室内各环境因子的数据长期存储，满足科研和生产的需要，为智能农业专家系统的开发积累丰富的资料数据。 基于无线传感器网络的温室测控系统，更是克服了传统温室在结构和性能上的一些不足，对建立大型的智能温室群也有一定的借鉴作用。