基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)研究設計

摘 要： 針對當前溫室控制系統(tǒng)存在的擴展性差、智能化程度不高等問題，在分析了無線傳感器網(wǎng)絡特點的基礎上，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)的硬件及軟件。 硬件上設計了傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點，采用溫度、濕度、光照度等傳感器，實現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的自動采集。 軟件上基于模塊化的思想，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的獲取、處理和控制輸出等功能。 該設計具有擴展性好、實用性強、便于操作的特點。

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)來獲得農(nóng)作物生長的最佳條件，從而達到增加作物產(chǎn)量、改善品質、調節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。

現(xiàn)有的溫室測控系統(tǒng)主要基于有線方式，一般應用于大型溫室，表現(xiàn)出布線復雜、維護困難和投資太大等缺點，難以大規(guī)模推廣應用。 另外，傳感器節(jié)點無法靈活部署，健壯性不好，一旦節(jié)點失效，就會影響整個系統(tǒng)的性能。 無線傳感器網(wǎng)絡可以解決傳統(tǒng)溫室測控系統(tǒng)存在的缺陷，無需布線，即插即用，具有智能性強，健壯性好等優(yōu)點，且成本較小。

因此，文中提出了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)的體系結構，并介紹了主要的硬件設計實現(xiàn)和軟件系統(tǒng)結構設計。

2 溫室測控系統(tǒng)的體系結構

無線傳感器網(wǎng)絡（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有組網(wǎng)方便，靈活性強等優(yōu)點。 其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。 基于無線傳感器網(wǎng)絡的特點，設計的溫室測控系統(tǒng)的結構如圖1 所示。

圖1 溫室控制系統(tǒng)的結構

傳感器節(jié)點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)測任務，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給控制計算機進行決策，使用制動器精確控制土壤中的肥料和水分。 傳感器網(wǎng)絡的信息采集可以用來指導種植以得到最大產(chǎn)量，還可監(jiān)測并報告作物狀態(tài)。

匯聚節(jié)點是在應用環(huán)境下聯(lián)系傳感器節(jié)點和管理節(jié)點計算機的中介，利用它可以連接傳感器網(wǎng)絡與Internet 或WWW 等外部網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上。

3 硬件設計與控制原理

3. 1 傳感器節(jié)點的設計

傳感器節(jié)點是為傳感器網(wǎng)絡特別設計的微型計算機系統(tǒng)，是無線傳感器網(wǎng)絡的基本單元，它負責傳感和信息預處理， 響應監(jiān)控主機的指令發(fā)送數(shù)據(jù)。 它包括五個主要的模塊：微控制器、無線射頻通信、非易失Flash 存儲器、可擴展的I/ O 接口和電源模塊。 傳感器節(jié)點的設計結構框圖如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點的硬件結構

微控制器單元是傳感器節(jié)點的核心部件，負責處理數(shù)據(jù)并協(xié)調整個系統(tǒng)。 通常選取低功耗、帶有混合型號處理能力的微控制器。 這類微控制器在單個芯片上一般具有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)，同時還應具備多通道的模數(shù)轉換器；最后，微控制必須具備電源管理功能，使得節(jié)點在不工作時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原因：首先，ATmega128L 采用的RISC技術使其具有較高的計算性能； 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)點操作系統(tǒng)） 對其支持較好。 因此為了更加快速地建立傳感器節(jié)點原型平臺，選擇ATmega128L 作為節(jié)點的數(shù)據(jù)處理單元。

作為與外界交換信息的接口，無線通信射頻模塊是傳感器節(jié)點另外一個重要的單元。 無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、啟動穩(wěn)定時間和信號調制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驅動支持的原因，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(jié)點的與傳感器模塊互連的事實標準接口。 該接口包含兩個相同的部分，分別安裝在電路板的兩側可以實現(xiàn)模塊堆疊擴展。 按照該接口設計出的傳感器節(jié)點， 可以直接使用Crossbow 公司和各個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(shù)據(jù)存儲區(qū)域，但是對于傳感器節(jié)點來說，擁有一個相對容量更多的、永久的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域是十分必要的。 例如遠程節(jié)點代碼的自動更新、節(jié)點配置信息的保存等都需要更多的存儲空間才能得以應用。 為了實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測組件中的日志模塊， 傳感器節(jié)點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(jié)點采用兩節(jié)AA 電池供電，為了降低成本，模塊未采用專門的監(jiān)控芯片來進行掉電保護。

3. 2 匯聚節(jié)點的設計

在溫室測控系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡與管理節(jié)點或者其他外部網(wǎng)絡通信的橋梁，在無線傳感器網(wǎng)絡中起到網(wǎng)關的作用。 匯聚節(jié)點的硬件結構如圖3 所示。

圖3 匯聚節(jié)點的硬件結構