溫室環境信息無線監控系統設計與應用

摘 要：針對當前溫室監控領域現狀，設計了一種基于無線傳感器網絡的溫室環境信息無線監控系統。介紹了該系統的總體結構，并分別闡述了監控節點、網關節點和上位機系統三個層次的軟硬件設計與實現。經在園區溫室中實際應用，證明該系統綜合性能顯著優于傳統溫室監控系統。

關鍵詞：溫室監控；無線傳感器網絡；ZigBee

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2012）10-0019-06

溫室是一個相對封閉的環境，其自我調節能力有限。為滿足農業生產的要求，需要對溫室各項環境參數進行人為調控，以便創造一個更加適合作物生長的環境。建立溫室監控系統，對溫室環境信息進行監測和控制，成為實現溫室生產自動化和高效化的關鍵手段。傳統的溫室監控系統基于有線通信方式，存在諸如布線復雜、維護困難、傳感器節點不能靈活部署等一系列問題，在一定程度上限制了溫室監控系統的普及應用。隨著現代信息技術的快速發展，WiFi、藍牙、UWB、RFID、ZigBee等多種無線通信技術相繼出現。其中，WiFi、藍牙等由于成本高、功耗大等缺點，無法在溫室監控領域大規模推廣應用；而基于ZigBee的無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取技術和處理技術，具有節點規模大、體積小、成本低、自組網等特點，在農業環境監測領域具有廣闊的應用前景。

本研究針對當前溫室環境監控系統存在的問題和不足，設計了一種低功耗、低成本、組網靈活、人機界面友好、可方便進行現場和遠程管理的溫室環境信息無線監控系統，并進行了成功應用。

1 系統總體設計

1.1 系統需求分析

溫室環境具有晝夜溫差大、空氣濕度大、氣體交換能力差、光照強度弱、土壤酸性強等特點，溫室內種植作物種類較多且呈生長動態變化，監測面積大、監測參數多。此外，溫室生產對監控系統的總體應用成本和系統可靠性也比較敏感。通過調查分析，當前大多數溫室監控對環境參數的采集需求集中在空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度6項因子，除此之外，少數溫室還需要采集營養液EC值、pH值以及室外天氣因子等信息；傳感器節點數量應可隨意增減，并可根據作物生長、種類更替或溫室空間結構變化等的要求隨時改變自身位置而不影響系統的正常運行；系統應界面直觀、分析全面、使用方便，且應用成本較低等。

1.2 系統總體結構

結合溫室監控系統的特點和上述功能需求，本研究將無線傳感器網絡技術、ZigBee技術和嵌入式技術有機結合，設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監控系統。整個系統的層次結構如圖1所示。

系統總體上由監控節點、網關節點、上位機系統三層組成。監控節點包括傳感器節點和執行器節點，部署在溫室監控區域，并通過ZigBee協議自動組建統一的無線傳感器網絡。各傳感器節點將實時采集的溫室環境數據以多跳路由方式匯集到網關節點，各執行器節點實時接收由網關節點發送來的控制命令，并控制風機等執行機構。網關節點可通過串口方式實現本地通信，也可通過以太網、GPRS等方式實現遠程通信，為監測數據和控制數據的上傳下達提供支持。上位機系統提供用戶操作界面，實現用戶與系統的管理交互操作。

2 監控節點設計

2.1 節點硬件設計

監控節點是構成溫室監控系統的基礎，是承載無線傳感器網絡的信息感知、執行控制及網絡功能的基本單元。按照任務分工的不同，監控節點分為傳感器節點和執行器節點兩種。

2.1.1 傳感器節點 傳感器節點硬件設計的核心是微處理器芯片。節點微處理器在無線收發模塊的協作下完成數據采集、數據處理、無線通信等功能。本研究設計的無線傳感器節點硬件結構如圖2所示。節點的硬件設計重點考慮了低成本、低功耗、穩定、可靠等因素。

（1）CC2530：綜合考慮成本與性能等因素，選擇集微處理器模塊和無線收發模塊于一體的單芯片解決方案CC2530。CC2530是由美國TI公司推出的用于IEEE802.15.4和ZigBee應用的片上系統，也是目前眾多ZigBee設備產品中表現最為出眾的微處理器之一。其主要特點如下：片內集成增強型高速8051內核，支持最新ZigBee2007 PRO協議；支持2.0～3.6 V供電區間，具有3種電源管理模式：喚醒模式0.2 mA、睡眠模式1 μA、中斷模式0.4 μA，具有超低功耗的特點；高密度集成化電路。基于CC2530設計的節點只需極少的外圍電路即可實現數據的采集及發送，極大地提高了系統的可靠性并降低了系統功耗。

（2）傳感器：在傳感器選擇方面，要求具備較高的精度及較低的功耗。本設計共采用了5種傳感器，其技術參數分別為：SHT11數字溫濕度傳感器，檢測電流0.5 mA，待機電流0.3 μA，溫度精度±0.5℃，濕度精度±3.5%RH，接口為I2C總線；ISL29010數字光強傳感器，檢測電流為0.25 mA，待機電流0.1 μA，測量精度±50 lx，接口為I2C總線；H550數字型CO2傳感器，工作電流15 mA，精度為±30 mg/L，接口為I2C總線；SLST1-5數字型土壤溫度傳感器，測量電流1.5 mA，待機電流1 μA，測量精度±0.5℃，接口為單總線；FDS100模擬型土壤濕度傳感器，工作電流15 mA，精度小于等于3%，輸出為模擬信號。上述傳感器中，除FDS100模擬型土壤濕度傳感器外，其余均可掛接在I2C數據總線上。

2.1.2 執行器節點 執行器節點可根據上位機的控制指令對溫室內的風機、遮陽簾等設備進行開關控制。執行器節點包含了驅動器電路，但不包含傳感器電路，除此以外，執行器節點與傳感器節點的硬件結構大致相同。執行器節點的驅動電路主要用于控制與執行機構相連的電磁閥等開關設備，可輸出多路高低電平控制信號。數據通訊采用主從方式。

2.2 節點軟件設計

本研究中傳感器節點的片內程序基于Z-Stack協議棧開發，開發環境為IAR7.51A。Z-Stack是TI公司于2007年4月推出的ZigBee協議棧，由于全面支持ZigBee2006與ZigBee PRO特性集，并符合最新智能能源規范，得到了業界的普遍認可和廣泛應用。該協議棧中提供了一個名為操作系統抽象層（OSAL）的協議棧調度程序。對于開發者而言，除了能夠看到這個調度程序外，其它任何協議棧操作的具體實現細節都被封裝在庫代碼中。在進行具體的應用開發時，通過調用協議棧提供的API函數接口即可完成相應操作，如網絡設備初始化、配置網絡、啟動網絡、發送采集數據、接收控制命令等，實現分布在多個溫室中的無線監控節點的自組網絡。此外，在節點軟件開發中，為了進一步降低節點功耗，設計了靈活方便、可動態配置的定時采集數據、定時休眠及喚醒等功能。

3 網關節點設計

3.1 網關節點硬件設計

網關節點是實現無線傳感器網絡與外部通信網絡之間協議轉換的關鍵設備。它不僅具備數據傳輸功能，還具備設備管理功能，用戶通過網關節點可以管理底層的各監控節點，了解各節點的相關信息，并實現遠程控制。本研究在進行網關節點設計時，遵循了模塊化的設計思想，將網關系統分為數據匯集模塊、處理/存儲模塊、接入模塊和供電模塊，如圖所示。

本設計基于S3C2416核心板，建立了無線傳感器網絡網關節點的硬件平臺。網關節點硬件結構如圖3所示。

3.1.1 數據匯集模塊 即無線傳感器網絡中的協調器節點，實現溫室環境數據的采集和匯聚。在本設計中，數據匯集模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用UART方式，通過串口進行數據通信。

3.1.2 處理/存儲模塊 是網關節點的核心模塊。S3C2416核心板集成了基于ARM926EJ內核的Samsung S3C2416XH-40處理器，主頻400 MHz，另外還集成了512MB DDR2 SDRAM和128MB Nand Flash，并提供了豐富的外圍設備接口，從而最大程度地減少了系統開發成本，非常適合嵌入式設備高性價比、低功耗的需要。

3.1.3 接入模塊 主要采用以太網的方式將網關接入外部網絡。核心板集成了SMSC公司的本地高速以太網芯片LAN9220，在操作系統支持下可實現以太網數據傳輸。網絡變壓器采用HR601680，其主要作用是匹配阻抗、增強信號以及實現電壓隔離等。另外，GPRS作為可選方式，采用Siemens公司的MC37I模塊。

3.1.4 供電模塊 負責網關節點的電源供給。此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉換功能。供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。

3.2 網關軟件平臺設計

Linux是一種免費的、快速高效的操作系統，以代碼開放、功能強大而又易于移植成為嵌入式操作新興力量。嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統的要求設計的一種小型操作系統，由一個內核以及一些根據需要進行定制的系統模塊組成，其內核很小，同時具有多任務多進程的特征，非常適合于移植到嵌入式系統中去。本設計即是在S3C2416目標平臺上移植了Linux2.6內核及相關驅動，并使用開源的LwIP協議棧替代了Linux系統的TCP/IP協議棧。之后，在嵌入式Linux和LwIP的基礎上進行了網關節點應用層程序的設計。主要實現兩個主要功能：通過Web服務器對網關節點進行配置；通過Modbus/TCP協議將Modbus串行通信鏈路與以太網相連。

3.2.1 Web服務器功能設計 在網關配置模式下，網關節點將作為Web服務器，而客戶機則是任意一臺使用交叉線與網關RJ45接口相連的計算機。

網關復位啟動后，操作系統將啟動Web服務。客戶機通過瀏覽器向網關發出HTTP的GET方法的請求。網關收到該請求后對請求消息中的方法字段進行判斷。若是GET方法，則表示是第一次請求，將固化在片外Flash中的Web頁面和網關的配置信息返回給客戶機。用戶完成參數配置后點擊提交，客戶機向網關發出POST方法的請求。網關擦除片外Flash中原有的配置信息，然后寫入新的信息，從而保證網關的配置在復位后不會丟失，配置信息在網關重啟后生效。

3.2.2 Modbus/TCP協議轉換功能設計 網關復位啟動后，首先進行一系列初始化工作，最后啟動Modbus服務器，以實現Modbus/TCP幀與串行鏈路中的Modbus RTU幀之間的轉發。當客戶機進行查詢時，首先會向網關的502端口發起連接請求，網關執行中斷服務程序，喚醒處于等待狀態的Modbus服務器，并與之建立TCP連接，客戶機隨之發送一個Modbus/TCP請求幀并等待響應。網關對幀進行分析處理，最后生成一個Modbus RTU格式的查詢幀并發送到串行鏈路中去。之后若收到串行鏈路上的RTU響應幀，則將該幀封裝成Modbus/TCP應答幀，發送給以太網的客戶機并斷開連接。

4 上位機系統設計

上位機系統是用戶進行溫室日常管理所實際操作的軟件平臺。本設計在VS.NET開發環境下，基于SQL Server數據庫和C#語言編寫了溫室環境信息監測系統管理軟件，用以完成傳感器節點管理和溫室環境數據管理。主要功能如下：

（1）實時監測：用戶可以集中查看溫室現場最新的環境參數，以及現場風機、水泵等控制設備的運行狀況，并可在當前界面進行控制調節，方便了用戶的操作。

（2）歷史數據：所有歷史數據均存儲于數據庫中，用戶可以通過多種方式對監測的數據進行查詢，也可以將某時間段的歷史數據生成曲線圖，更加直觀地反映溫室環境的變化。

（3）設備控制：包括自動控制和手動控制兩種模式。在手動模式下，用戶可遠程控制風機等設備的開關。在自動模式下，可根據環境監測參數自動調節風機等設備的開關。

（4）報警管理：用戶可以定義多級報警條件，并可查看所有已設報警的詳細信息。在報警條件中，用戶可指定報警時的操作，如啟動警報器、打開風機等設備以及發送報警短信通知等。

（5）節點管理：包括節點ID、節點位置、傳感器類型及參數、采樣周期、運行狀態、更新時間等屬性的顯示和配置。用戶可隨時掌握現場所有監控節點的工作狀態，及時發現設備故障。

5 系統應用

5.1 節點部署方案

本研究設計的系統在濟南現代農業科技示范園的1#溫室內進行了應用。在該溫室蔬菜種植區內共放置了12個節點，其中傳感器節點10個，執行器節點2個。此外，在溫室管理區布置了1個網關節點。空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2傳感器均和相應的傳感器節點集成于一體，而土壤溫濕度傳感器則分別通過電纜與傳感器節點相連，另一端插入土壤約8 cm，電纜長度1.5～2.0 m。各傳感器節點通過固定支桿或懸繩倒掛的方式置于監測位置，節點離地高度一般為1.2 m左右。傳感器節點均采用1節1#電池供電，執行器節點及網關節點采用直流供電。

5.2 系統應用情況

部署節點之間的通信距離平均約為20 m左右，監控節點與網關節點的最近距離約在100 m左右。經安裝運行，網關啟動后，節點綁定和自組織網絡建立平均所需時間小于1 min。傳感器節點采樣頻率設置方案為：空氣溫濕度2 min，土壤溫濕度10 min，光照強度3 min，CO2濃度30 min。各節點在完成數據采集、發送之后，將自動進入休眠狀態，直至下一個采樣周期喚醒。經實際測試，系統可支持傳感器節點的動態調整，新增節點、撤銷節點或臨時改變節點的位置時，整個無線傳感器網絡的運行沒有受到影響。在上位機系統中，能夠實時接收和顯示由傳感器節點采集來的溫濕度、光照強度、CO2濃度等環境數據，并且可以查看各節點的實時運行狀態。當采集的環境參數超過報警閾值時，若控制模式設置為自動控制的情況下，可根據報警處理規則自動啟動相應的執行機構，實現溫室環境的自動調控。

6 結語

本研究在調查當前溫室環境的特點、應用需求以及分析現有監測系統存在問題的基礎上，基于無線傳感器網絡和嵌入式技術，設計開發了一種基于無線傳感器網絡的溫室環境信息無線監控系統。該系統能夠實現傳感器節點快速自組網以及對各種溫室環境因子的實時采集、傳輸、顯示，并可根據監測情況對相應的執行機構進行控制。通過網關節點系統和上位機系統可實現對各種傳感器節點和溫室環境數據的有效管理。系統具有低成本、低功耗、無需布線、組網靈活、人機界面友好等優點，很好地克服了傳統溫室監控系統存在的問題。該系統在農業示范園區進行了實際應用并取得良好效果，表明系統總體上技術成熟、性能可靠、適應性強，具有較高的應用價值和廣闊的推廣前景。

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