低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

高之圣，王海燕

(1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安223003）

0 引言

作物的正常生長需要適宜的溫濕度，一旦溫室大棚里的環(huán)境控制不好就容易導(dǎo)致作物減產(chǎn)，甚至病變死亡。傳統(tǒng)的溫室大棚種植都是通過在溫室內(nèi)布置復(fù)雜的電線及相關(guān)的控制設(shè)備來實現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)控，這給農(nóng)作物進行播種施肥等活動造成了不便，在生產(chǎn)活動中經(jīng)常會把電線弄斷。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到溫室大棚監(jiān)控，省略了布線環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)溫室大棚所遇到的問題，同時達到了對溫室環(huán)境因子進行實時監(jiān)控的要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中采用傳感器測量節(jié)點和具有簡單執(zhí)行控制功能的控制節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。測量節(jié)點用來測量空氣溫度、濕度、光照強度等重要環(huán)境數(shù)據(jù)，控制節(jié)點用來接收計算機傳來的遠程控制信息，實現(xiàn)對調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進行相關(guān)控制，達到對溫室環(huán)境參數(shù)實時調(diào)控。測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù)沿著其他測量節(jié)點通過多跳的方式進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個測量節(jié)點處理，信息經(jīng)由多條路由后到達匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)直接上傳到計算機，所有數(shù)據(jù)都由計算機進行復(fù)雜的數(shù)字信號處理，并通過數(shù)據(jù)庫對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，最后這些數(shù)據(jù)還可以通過Internet與遠程控制中心進行交互，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)測節(jié)點與匯聚節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要組成包含：CC2530、LCD液晶顯示模塊、溫濕度采集模塊、光照采集模塊，其中AD采樣模塊、無線射頻模塊是CC2530內(nèi)部的硬件資源。

圖2 監(jiān)測節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

在圖2中，測量節(jié)點采用ZigBee芯片CC2530作為微處理器，負責(zé)節(jié)點的通信與數(shù)據(jù)采集。選用DHT21傳感器，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的溫度和濕度進行采集。選用BH1750傳感器，負責(zé)對光照度進行采集。系統(tǒng)采用OSAL操作系統(tǒng)抽象層來組織ZigBee無線通信協(xié)議，實現(xiàn)節(jié)點和協(xié)調(diào)器的通信。

CC2530單片機是TI公司（德州儀器）生產(chǎn)的一款專用于IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。其RF內(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片CC2420。匯聚節(jié)點主要負責(zé)接收傳感節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，調(diào)度傳感節(jié)點的運行，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳和用戶指令。（圖3所示）

2.2 溫濕度傳感器DHT21接口電路設(shè)計

溫濕度傳感器選用的是DHT21，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。單總線接口電路如圖4所示。

圖4 DHT21接口電路

DHT21的供電電壓為5V。傳感器上電后，要等待1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA 用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間5ms左右。

2.3 BH1750光照檢測傳感器接口電路設(shè)計

BH1750FVI是一個I2C接口的數(shù)字式光照控測傳感器，具有很寬的光度探測范圍，廣泛應(yīng)用在移動電話、LCD電視、筆記本電腦、數(shù)碼相機、汽車導(dǎo)航儀等數(shù)碼領(lǐng)域，BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個數(shù)字信號，不需要再做復(fù)雜的計算。通過計算電壓，來獲得有效的數(shù)據(jù)。這款環(huán)境光傳感器能夠直接通過光度計來測量。光強度的單位是流明"lx"。BH1750FVI的接口電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：測量節(jié)點程序、匯聚節(jié)點程序、LCD12864顯示程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、I2C程序、系統(tǒng)軟件架構(gòu)等。

3.1 測量節(jié)點程序設(shè)計

傳感器測量節(jié)點的主要功能就是接收匯聚節(jié)點（協(xié)調(diào)器）采集數(shù)據(jù)的指令采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送出去。傳感器測量節(jié)點程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖6所示。

圖6 測量節(jié)點流程圖

3.2 匯聚節(jié)點程序設(shè)計

匯聚節(jié)點的功能就是創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點屬性，接收傳感器測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，然后通過串口上傳到計算機。匯聚節(jié)點程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖7。

3.3 溫濕度采集程序

由于溫濕度采集用的是DTH21單總線結(jié)構(gòu)，所以在操作時只需要定義一個微理器的IO口即可進行操作，數(shù)據(jù)采集的流程如圖8所示。

3.4 光照度驅(qū)動程序設(shè)計

光照度傳感器是I2C接口，I2C是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。

4 測試結(jié)果與分析

圖7 匯聚節(jié)點流程圖

圖8 溫濕度采集流程如圖

圖9 測試環(huán)境

圖9為溫室測試環(huán)境，監(jiān)控系統(tǒng)對溫室大棚的溫度、濕度進行現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)某天從溫室取回數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試結(jié)果

從表1中可以看出，測得監(jiān)測點的平均溫度和濕度濃度分布穩(wěn)定在18℃~30℃,85~95% RH，符合在作物黃瓜生長要求的范圍內(nèi)。實踐驗證，該裝置能夠在溫室高溫、高濕的條件下良好地運行，傳感器精度達到了預(yù)期目標(biāo)，可以實現(xiàn)對溫室環(huán)境中的各項參數(shù)進行實時精確的檢測、采集及控制，促進溫室大棚作物增產(chǎn)增收。

5 結(jié)論

本文結(jié)合目前我國溫室大棚的控制系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計開發(fā)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在環(huán)境數(shù)據(jù)采集方面利用了多種傳感器檢測及自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了溫室大棚的自動化控制。本監(jiān)控系統(tǒng)具有低功耗、低成本、體積小、易于擴展、工作可靠等優(yōu)點，目前已在淮安某鎮(zhèn)溫室大棚蔬菜基地投入使用，運行情況良好，大大提高了經(jīng)濟效益。

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