基于無線傳感器網(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題，在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(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(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)通過無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)來說，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)